4. května 2011
Malé užitkové automobily, takzvané dodávky či vozidla typu transporter, jsou každodenním pomocníkem nejen mnohých řemeslníků a drobných podnikatelů. Vozidla kategorie N1 do celkové hmotnosti 3500 kilogramů slouží také u velkých firem, například poštovních a balíkových doručovacích společností. Všechny provozovatele bez výjimky zajímá ekonomika jejich provozu.
Do tohoto širokého pojmu patří pořizovací náklady na vozidlo, náročnost jeho údržby, druh provozu včetně kvality silnic a nakonec i přímé náklady provozu vozidla, tedy jeho provozní spotřeba. Rostoucí ceny ropných paliv vedou ke snaze uspořit každou možnou kapku benzinu či nafty.
Je zřejmé, že dopravit náklad určité hmotnosti, kterým může být také jen řidič, z místa A do místa B vyžaduje určitou práci. Zahrne-li se do úvahy i čas, jedná se o výkon. Potřebnou energii je nutné někde vzít. Na pohybující se vozidlo působí jízdní odpory, které je nutné překonávat. Zahrnují odpor valení pneumatik po vozovce, odpor vzduchu (aerodynamický odpor), odpor stoupání a odpor zrychlení. I v případě, že vozidlo jede nízkou rychlostí po rovině, je k jeho pohybu potřebný určitý výkon, který většinou podává pístový spalovací motor. Má-li jeho spotřeba být minimální, musí být jízdní odpory nízké a účinnost motoru vysoká. Základní možnosti, jak snížit provozní spotřebu, jsou proto jen dvě.
Snižování jízdních odporů
Od dodávek uživatel jistě nepožaduje akceleraci závodního „dragsteru“, a protože se vozidlo většinou pohybuje v městských či příměstských aglomeracích, ani odpor zrychlení není jeho nejvýznamnější charakteristikou. Podobně je tomu s odporem stoupání, protože celkem logicky platí, že vynaloží-li se nějaká práce na jízdu do stoupání, získá se zpět cestou dolů. Zbývají tedy již jen dva jízdní odpory, valení a aerodynamika. Odpor vzduchu závisí na velikosti čelní plochy karoserie, součiniteli aerodynamického odporu (cx) vozidla a na kvadrátu rychlosti jízdy. Znamená to, že zvýší-li se rychlost jízdy dvakrát, například z 50 na 100 km/h, odpor vzduchu vzroste čtyřikrát. S velikostí čelní plochy se toho mnoho udělat nedá, protože od vozidla vyžadujeme co největší ložný objem karoserie. Šířka a výška vozidla tak zůstávají tabu. Aerodynamický odpor karoserie dodávky je dán zásadním kompromisem mezi ložným objem tvaru kvádru a ideální karoserií ve tvaru kapky. I když se podaří dobře a esteticky vytvarovat přední část karoserie, zadní část s dveřmi ložného prostoru zůstává příliš hranatá. Nejlepší osobní automobily mají cx = 0,3 nebo i méně, ale u dodávek se pohybuje kolem 0,40 až 0,45. Naštěstí se aerodynamický odpor významně projevuje až u vyšších rychlostí.
Řešení je nasnadě. Vzhledem k druhu provozu se omezí nejvyšší rychlost vozu na zhruba 100 km/h, což v obci a na silnici mimo obec stačí. Ideální obtékání vnějšího tvaru karoserie lze dobře znázornit a obrázky jsou výmluvné. Horší to je s problémem obtékání spodní části vozu a prouděním vzduchu motorovým prostorem. Odborníci však i to umějí řešit.
Jako poslední zbyl ještě odpor valení. Ideální by sice byly extrémně úzké pneumatiky bez vzorku a hladký povrch vozovky, ovšem to nepřipadá v úvahu. Pneumatiky musí zajistit nejen bezpečný přenos všech sil podélných, tedy hnací nebo brzdné, i příčných, tedy vodicích při řízení, a odolat působení odstředivých sil nebo sil od větru, ale jejich únosnost musí odpovídat také hmotnosti vozidla. Nejvhodnější je univerzální pneumatika na sucho i vodu, jejíž valivý odpor je minimalizován. Dobrá pneumatika snižuje valivý odpor až o 10 procent. Šetřit na pneumatikách se rozhodně nevyplatí.
Sečteno a podtrženo: Pokud se jízdních odporů týká, tak musí být karoserie aerodynamicky optimalizována a pneumatiky co nejkvalitnější.
Zvyšování účinnosti motoru
Pístový spalovací motor je z čistě technického hlediska tak trochu nesmysl. Přímočarý vratný pohyb pístu znamená neustálé zrychlování a zpomalování z klidu na nejvyšší hodnotu, a to u čtyřdobého motoru čtyřikrát během dvou otáček klikové hřídele, přičemž jen jednou motor koná práci (expanze). Druhá věc je, že jde o stroj měnící energii chemickou (paliva), respektive tepelnou (spalování) na mechanickou práci. Teoretická účinnost ideálního tepelného stroje (Carnotův cyklus) nemůže přesáhnout hodnotu asi 65 procent, a tak není divu, že skutečná celková účinnost pístového spalovacího motoru dosahuje nejvýše zhruba 35 procent u motorů zážehových benzinových nebo plynových a asi 44 procent u motorů vznětových naftových, a to ještě jen při nejvyšším zatížení. Rozdíl je dán především kompresním poměrem a přeplňováním.
Protože se pro automobil jen těžko dá objevit vhodnější tepelný motor, zůstává se stále u principů, které v předminulém století definovali pánové Otto a Diesel. Při částečných zatíženích se u zážehových motorů účinnost zhoršuje v důsledku regulace výkonu škrticí klapkou. Nejvyšší účinnost je tam, kde je minimální měrná spotřeba paliva a maximální točivý moment. Zde je nejlépe využita chemická energie paliva. Znamená to, že motor by měl pracovat v co nejnižších otáčkách, ale v oblasti optima spotřeby. Tomuto požadavku vyhovuje přeplňovaný vznětový motor menšího objemu, dosahující nejvyššího točivého momentu v nízkých otáčkách. Sečteno a podtrženo: Stále nejvhodnější je vysoce přeplňovaný vznětový motor s chlazením plnicího vzduchu a vysokotlakým akumulačním vstřikováním nafty (common rail).
Charakteristika motoru a jízdní odpory
Pro silniční vozidlo má nejvhodnější charakteristiku elektromotor nebo parní stroj, jejichž točivý moment je nejvyšší při rozjezdu, tedy při nulových otáčkách. Potřebný moment však spalovací motor poskytuje až od otáček chodu naprázdno nebo ještě vyšších. Sladění protichůdných požadavků je možné pouze při použití rozjezdové spojky a převodovky. Navrhnout správný pohon automobilu proto vždy znamená nutnost sladit odstupňování převodovky s charakteristikou motoru. Ideální by byla bezestupňová převodovka s plynule proměnným převodem (variátor), která je však z různých důvodů prakticky nepoužitelná. Čím užší je rozsah pracovních otáček motoru, tím více rychlostních stupňů musí převodovka mít. V okamžiku, kdy se podařilo řídit činnost motoru elektronicky, vznikl nový prostor pro komplexní řízení celého ústrojí pohonu.
Dnes může elektronická řídicí jednotka velmi snadno z vyhodnocení otáček a zatížení motoru a z okamžitých jízdních odporů najít optimální rychlostní stupeň a režim chodu motoru tak, aby motor pracoval s nejnižší možnou spotřebou paliva.
Současně je však zřejmé, že nejslabším a nejméně spolehlivým článkem v systému jízdy vozidla se stal jeho řidič, který se nevědomě – ale často i vědomě – nechová optimálně a požaduje od stroje neekonomický provoz, například prudkou akceleraci nebo vytáčení motoru do vysokých otáček. Řešení jsou jen dvě, buď řidiče nahradit chytrým robotem, nebo řidiče neustále školit a nutit do ekonomické jízdy. Zaškolený řidič, který přistoupí na nová pravidla hospodárné jízdy, dosáhne úspory 5 až 15 procent, což není zanedbatelné.
Moderním motorům velké zatížení v malých otáčkách neškodí, ale rostou při něm nároky na dobré řešení chladicí soustavy motoru. Z hlediska výrobních nákladů jsou tato řešení nenáročná a v některých případech a zemích, daných obchodní politikou té které značky, může být ECO-verze i cenově výhodnější.
Nabídka na evropském trhu
Z evropských výrobců nabízí dodávky kategorie transporter FIAT, Ford, Mercedes-Benz, PSA (Peugeot a Citroën), Renault a Volkswagen, všechny téměř výhradně s velmi úspornými vznětovými motory zdvihového objemu 2 až 2,5 litru. Z těch dodávek, které plně využívají limitu 3,5 tuny, patří k nejúspěšnějším Citroën Jumper, FIAT Ducato, Ford Transit, Mercedes Sprinter, Peugeot Boxer, Renault Master a Volkswagen Crafter. Jejich jízdní spotřeba se při plném vytížení pohybuje kolem osmi litrů paliva na sto kilometrů.
Někteří výrobci však šli ještě dále a nabízejí obzvláště úsporné modely, v jejichž označení obvykle figuruje mnohoznačné slůvko ECO, tedy modely ekologické a ekonomické. Ve všech případech jde o optimalizované ústrojí pohonu, tedy výkonný motor s vysokým točivým momentem již v nízkých otáčkách i zatíženích, převodovku s „těžkými“ převody na nejvyšších rychlostních stupních a pneumatikami se sníženým valivým odporem. Ve vozidle je vždy elektronický systém vedoucí řidiče k jízdě na vyšší stupně při nízkých otáčkách motoru a ke správnému řazení. Další drobností je spínač systému start-stop na přístrojové desce, který po vyřazení na neutrál vypíná u vozu v klidu motor a spouští jej při dalším sešlápnutí pedálu spojky.
Na trhu je Ford Transit ECOnetic, Mercedes Eco Sprinter Blue Efficiency a IVECO EcoDaily, které však svou klasickou koncepcí rámového podvozku patří spíše do vyšší kategorie N2.
IVECO EcoDaily
Novou řadu ECO Daily (2009) charakterizuje vysoká užitkovost, ekologické pohony, životnost a atraktivní design. V základní nabídce vozů s celkovou hmotností od 3,2 do 7,0 tuny jsou provedení C (Classic), L (Light) a S (Service Special). Uživatelé mají výběr z nabídky motorů FPT (Fiat Powertrain Technologies), kterou Iveco reaguje na podmínky schvalování provozu užitkových vozidel. Referenční hmotnost do 2610 (na žádost výrobce až 2840 kilogramů) vymezuje kategorii vozidel pro lehký provoz LD (Light Duty). Vozidla s hmotností přesahující 2610 (za určitých podmínek jen 2380 kilogramů) jsou uvažována pro těžký provoz HD (Heavy Duty). Vozidla Light Duty musí splňovat limity škodlivin normy Euro 4, vozidla Heavy Duty normy Euro 5 platné od října roku 2009. Pro řadu Light Duty jsou určeny vznětové čtyřválce 2,3 l o výkonu 78 kW, 93 kW a 100 kW a 3,0 l o výkonu 107 kW a 130 kW.
Všechny motory využívají systém recirkulace výfukových plynů EGR bez nutnosti použití filtru pevných částic (DPF). Pro řadu Heavy Duty jsou určeny jen motory 3,0 l s dvojicí turbodmychadel a výkony 103 kW a 125 kW, využívající systém EGR a DPF. Přestože minimálním legislativním požadavkem je splnění emisní třídy Euro 5, Iveco jde o krok dále a již dnes nabízí všechny vozy Heavy Duty v emisní třídě EEV.
Poslední novinkou je typ CNG Natural Power s třílitrovým zážehovým motorem CNG překonávajícím i limity EEV. Motor je dvoupalivový, protože má i benzinovou nádrž (14 l), na kterou se automaticky přepojuje při nedostatku zemního plynu nebo při extrémně nízkých teplotách. Motor již nyní splňuje požadavky budoucí normy Euro 6, která bude platit od roku 2014. Jeho kladem je úspornost a nízká hlučnost. Jistou nevýhodou je snížení užitečné hmotnosti, protože místo jedné velké nádrže na naftu se pod podlahu musí vejít tlakové nádoby na plyn s celkovým objemem až 300 litrů a hmotností až 250 kilogramů. O oblibě plynových motorů svědčí registrace, například v Itálii je v provozu již téměř půl milionu vozidel CNG, v Argentině je jich dokonce 1,6 milionu.
Mercedes-Benz Eco Sprinter Blue Efficiency
Základem modelu německého výrobce je nový vznětový šestnáctiventilový čtyřválec OM 651 s objemem 2143 cm3 DOHC s pohonem rozvodu od klikové hřídele na straně setrvačníku. Základní motor s jedním regulovaným turbodmychadlem VGT a chladičem plnicího vzduchu poskytuje výkon 70 kW (95 k) / 3800 min-1 a točivý moment 250 N.m / 1400 – 2500 min-1. Obě výkonnější varianty jsou vybaveny dvojicí turbodmychadel, tedy malým vysokotlakým dmychadlem a velkým nízkotlakým dmychadlem. Parametry motorů jsou 95 kW (125 k) / 3800 min-1 a 305 N.m / 1200 – 2400 min-1, respektive 120 kW (163 k) / 3800 min-1 a 360 N.m / 1400 – 2400 min-1.
K vyšší celkové účinnosti motoru přispělo výrazné snížení třecích ztrát a adaptivní řízení pohonu čerpadel oleje a chladicí kapaliny i alternátoru elektrické soustavy. K omezení emisí škodlivých exhalací Mercedes-Benz využil systém EGR s recirkulací a dvoustupňovým chlazením výfukových plynů a oxidační katalyzátor s filtrem pevných částic DPF. Motor není jen příkladem tvůrčí technické invence konstruktérů, ale také důkazem estetiky konstrukce. Nejvýkonnější je modernizovaný motor OM 642 – V6 CDI Euro 5, který je pro Sprinter seřízen na 140 kW (190 k) / 3800 min-1 a 440 N.m / 1400 – 2400 min-1. Všechny motory jsou schopny trvalého provozu na ropné palivo s příměsí až deseti procent biosložky.
Nová šestistupňová ručně řazená převodovka ECO Gear byla vyvinuta s ohledem na podmínky provozu užitkových automobilů. Výjimečný je velký celkový rozsah převodů, mezi „krátkou“ jedničkou a „dlouhou“ šestkou. Lehký převod prvního stupně (5,08) usnadňuje rozjezd do stoupání či s přívěsem a naopak těžký převod šestého stupně (0,68) výrazně snižuje otáčky motoru při trvalé jízdě vyšší rychlostí. Přímý záběr je na čtvrtém rychlostním stupni. Snížení otáček samozřejmě přispívá i ke snížení emisí a hlučnosti. Vhodným přizpůsobením převodovek charakteristikám motorů bylo dosaženo snížení kombinované spotřeby podle metodiky Evropské unie o 0,5 až 1,0 l / / 100 km u čtyřválců a o 1,5 l / 100 km u šestiválce. Vysoký točivý moment při nízkých otáčkách dovoluje dříve řadit, takže motor pracuje v hospodárné oblasti. Při jízdě na „přímý záběr“ je v městském provozu motor dostatečně pružný a řazení na „pětku“ je vhodné u úseků se zvýšenou povolenou rychlostí. Šestka přijde ke cti v mimoměstském provozu stálou rychlostí 90 km/h a více. Její těžký převod snižuje spotřebu a hlučnost, takže pohoda řidiče na pracovišti v dobře vybavené kabině je vynikající.
Tato trojice „ekododávek“ zahájila v roce 2009 nový trend. Ostatní výrobci jej samozřejmě sledují a jejich výrobky rozhodně nejsou nehospodárné. Veřejnosti ovšem často poněkud uniká jejich provázanost. Ze severoitalského Sevelu vyjíždějí téměř shodné dodávky Citroën Jumper, FIAT Ducato a Peugeot Boxer s motory FPT nebo Peugeot. Renaulta Master zase sledují jeho dvojčata Nissan Interstar a Opel Movano a základem konstrukce VW Crafter je MB Sprinter. Nutno přiznat, že vznětový motor VW 1,9 (2,0) se opravdu podařil a je snad nejúspornější ze všech.
Ford Transit ECOnetic
Základem novinky roku 2009, která dále rozšiřuje řadu Transit, je typ 280 SWB, tedy skříňová dodávka s krátkým rozvorem (2,93 m), předním pohonem, motorem Duratorq 2,2 – 85 kW/3500 min-1, 300 N.m/1800 – 2000 min-1 a celkovou hmotností 2,84 tuny. Kombinovaná spotřeba podle metodiky Evropské unie činí 7,2 litru paliva a emise oxidu uhličitého (CO2) 189 g/km. S filtrem pevných částic DPF (Diesel Particel Filter) motor splňuje limity exhalací Euro 5. Na první pohled sice zaujme nový kinetický design především přední části karoserie a přepracovaný interiér, ale to podstatné vidět není. Protože ECOnetic není určen pro dálkový provoz, je jeho rychlost elektronicky omezena na 110 km/h, což představuje dostatečnou rezervu pro případné nutné předjíždění při evropských rychlostních limitech, tedy v obci 50 km/h a na silnici mimo obec 90 km/h.
Nové je odstupňování šesti-stupňové převodovky VMT-6 s těžkými převody (do rychla) na pátý a šestý rychlostní stupeň. Protože se převodovka dodává jen jako ručně řazená, je řidič upozorňován na potřebu řazení pro ekonomickou jízdu optickým signálem. Rozsvícením výrazné zelené šipky na rychloměru oznamuje řídicí jednotka řidiči, aby přeřadil o stupeň výše. Motor tak pracuje v oblasti otáček a zatížení, kde je využití energie z paliva nejlepší, a proto i měrná spotřeba nejnižší. Dalším významným prvkem snižujícím spotřebu jsou pneumatiky rozměru 215/75 R16 s nižším odporem valení a celoplošné kryty disků kol.
Kudy půjde další vývoj?
Přestože se stále hovoří o hybridních pohonech a elektromobilech, doba jejich všeobecného využití ještě nenastala. Důvodů je několik. Prvním je možnost použití alternativních paliv u „klasických“ motorů. Druhým pak nižší užitečná hmotnost u vozidel s hybridním nebo elektrickým pohonem a velmi omezený dojezd u elektromobilů. Třetím a zřejmě i tím rozhodujícím je výrazně vyšší pořizovací cena. Samozřejmě je i celá řada dalších pro a proti, jako například vytápění vnitřku vozu u elektromobilů. Právě u něj je nízká účinnost spalovacího motoru výhodou, protože k vytápění se využívá ztrátové teplo z chlazení a výfuku. Starý a dobrý motor pana Diesela se udrží tak dlouho, dokud bude čím ho krmit. Současný odhad je nejméně dalších dvacet let.
Ing. Branko Remek, CSc., Fakulta strojní ČVUT v Praze
