Technika

Vývoj silničních dopravních prostředků blízké budoucnosti se odvíjí především od hledání alternativních paliv, tedy i alternativních pohonných koncepcí. Nová strategie má dva velmi silné, proklamativně zdůrazňované důvody. Prvním z nich je potřeba snížení objemu škodlivých emisí, druhým využití obnovitelných zdrojů energie.

V současnosti se zájem výrobců automobilů soustřeďuje především na čtyři velké okruhy potenciálních nových pohonů. Prvním z nich je pohon vozidel modifikovanými spalovacími motory na plyn.

Druhým je pohon vozidel elektromotorem se zdrojem proudu z baterie. Třetí okruh tvoří hybridní pohony využívající hlavně spojení spalovacího motoru s elektromotorem a setrvačníkem akumulujícím kinetickou energii. A čtvrtým, snad nejsofistikova­nějším okruhem, jsou pohony vozidel elektromotorem se zdrojem proudu z palivových článků.

Přitom snaha o uplatnění alternativních pohonů není nová, lze ji nalézt již na úsvitu dějin automobilu. I když v té době šlo o jiné důvody, pokusů o vyvození pohybu z obnovitelných zdrojů by bylo možné jmenovat celou řadu. Velmi důležitou úlohu při vývoji automobilů hrál i parní stroj (mimochodem i dnes se na jeho konstrukci vhodné pro moderní automobily poměrně usilovně pracuje), pohon elektromotorem a hybridní systém.

Dvacáté první století nastolilo otázku zvládnutí tísnivého problému životního prostředí jako jednu v hlavních výzev. Zatěžování přírody má vliv nejen na člověka, ale i na svět fauny a flóry. Na druhé straně spotřeba fosilních paliv, mezi něž patří i ušlechtilá ropa a její deriváty, prudce stoupá. Postupné vyčerpávání dosud známých zásob má za následek celkové zvyšování cen surovin a tím další zvyšování inflace. Konečná zásoba fosilních nosičů energie nemůže postačovat stoupající potřebě. Její obrovský nárůst je vyvolán třemi základními problémy.

Za prvé lidé v průmyslově vyspělých státech spotřebují více energie na výrobu produktů. Za druhé stále roste počet obyvatel. V roce 1804 světová populace dosáhla první miliardy a 12. října 1999 již na světě žilo oficiálně šest miliard lidí. Je zřejmé, že v 21. století naroste počet obyvatel na devět až 14 miliard. Za třetí stoupající spotřeba energie je vyvolána industrializací dosud rozvojových zemí.

Studium problémů souvisejících s použitím alternativních paliv a jejich porovnání s klasickými motorovými palivy je velmi zajímavé a současně představuje výzvu pro technology zpracování ropy, automobilové konstruktéry i uživatele motorových vozidel. Alternativními palivy (alternative transportation fuels, ATF) se rozumějí produkty, které mohou nahradit stávající konvenční paliva na bázi ropy nebo mohou řešit jiným způsobem – odlišnou technologií – po-

hon vozidel.

Alternativní paliva jsou známa již mnoho let a jsou spojena s pojmy jako průmysl alternativních paliv (alternative fuels industry), výrobci alternativních paliv (alternative fuels providers) a vozidla na alternativní paliva (alternative-fueled vehicles, AFV). V této souvislosti se používají též pojmy náhradní/substi­tuční

paliva.

Je čas pro alternativu

Pro uplatnění alternativních motorových paliv existují pádné důvody – rostoucí spotřeba paliv, snaha snížit exhalace, omezené zásoby ropy pouze na málo dalších desetiletí, snaha hospodářsky vyspělých zemí o strategickou nezávislost na producentech ropy, tedy úsilí o odstranění problémů plynoucích z odlišného místa výskytu ropy a spotřeby ropných paliv, nezanedbatelné jsou i relativně velké zásoby zemního plynu a hydrátů metanu, vysoká cena ropných paliv a jejich nedostatek, například v období válek nebo ropných krizí. Kromě toho je patrná i snaha řešit některé strukturální národohospodářské problémy spojené především se zemědělskou výrobou a orientace na biologicky obnovitelná paliva s uzavřeným cyklem oxidu uhličitého.

Alternativní paliva lze třídit podle původu do dvou skupin, přičemž je rozhodující, zda se nacházejí v přírodě nebo zda je nutné je vyrábět, tedy jsou-li obnovitelná či nikoli. Pro obnovitelná paliva je typický uzavřený cyklus oxidu uhličitého a dobrá biologická odbouratelnost. Co se týče fyzikálního stavu, paliva se vyskytují ve všech skupenstvích – jako plyny, kapaliny nebo tuhé látky. Plyn byl sice prvním palivem používaným pro pohon spalovacích motorů, kapalná forma je však ideální z hlediska konstrukčního, logistického i obsahu energie.

Alternativní paliva se prosazovala postupně, od jednoduché substituce ropných paliv (etanol, směsná

nafta), přes komplikovanější konstrukční úpravy (LPG, CNG) až po zcela revoluční řešení (systémy

s palivovými články). Aplikace alternativních paliv často představují

určitou modernizaci řešení vyskytujících se již v automobilové minulosti (použití plynu). Používání alternativních paliv v Evropě bude regulováno připravovaným doplňkem směrnice EU 92/81/EEC, která předpokládá dosažení z dnešního pohledu neuvěřitelného dvacetiprocentního podílu alternativních paliv na celkové spotřebě paliv v roce 2020.

Jistou perspektivu mají dnes palivové články, což není nic jiného nežli zdroj elektrického proudu přímo ve vozidle poháněném elektromotorem. Zatím je omezujícím faktorem tohoto druhu pohonu hlavně cena palivových článků, v nichž za specifických okolností vzniká elektrický proud elektrochemickou reakcí vodíku s kyslíkem.

Pomůže hybrid?

Po přechodnou dobu by snad měly najít uplatnění hybridní poháněcí soustavy. Cílem je takové jejich propojení, aby se využilo co nejvíce z jejich specifických předností. Zatímco dosud se jednalo o studie nebo prototypy ukazující možnosti realizace různě řešených projektů, dnes už si hybridní automobily našly cestu i do výroby. Hybridní pohon by se měl začít využívat co nejdříve, aby překlenul období, než se přejde na vhodný alternativní pohon. Z hlediska emisí by bylo velice příznivé, kdyby spalovací motor v systému používal jako palivo zemní plyn. Nevýhodou hybridního pohonu je jeho složitost daná dvěma kompletními druhy motorů. Důsledkem je jak větší pravděpodobnost technické poruchy, tak značné zvýšení celkové hmotnosti vozu a nakonec i ceny.

Rozhodující alternativní paliva současnosti představují LPG a estery mastných kyselin. V blízké budoucnosti se více uplatní zejména CNG a opět bioetanol. Vzdálenější budoucnost pak bude jednoznačně patřit vodíku a palivovým článkům. Žádné z alternativních paliv není v současné době schopné soupeřit s motorovými palivy vyráběnými z ropy. Reformulovaná klasická kapalná paliva určitě přežijí dalších padesát let, i když zdrojem pro jejich výrobu bude stále více syntetická ropa. Budoucnost je také v synergii klasických a alternativních pa­liv.

Pro sériové uplatnění

Dnešek zná z hlediska použité technologie tři kategorie hybridních pohonů. Předěl mezi dvěma základními tvoří výkon vřazeného elektromotoru – 25 kW. Třetí kategorií jsou tzv. mikrohybridy, v jejichž pohonném traktu sice elektromotor chybí, ale zato jsou vybaveny zařízením, které dokáže při zastavení (na semaforech, v dopravní zácpě či při jiné příležitosti) spalovací motor automaticky vypnout a při sešlápnutí pedálu spojky nebo akcelerátoru zase opětovně spustit. Hybridní pohony se velmi vážně rozhodli studovat a uplatnit i výrobci užitkových či nákladních vozidel.

Prvním z nich, který dotáhl hybridní pohon náklaďáku až k sériové výrobě, je koncern DaimlerChrysler. Jeho konstruktéři se zaměřili na lehký nákladní vůz Mitsubishi Fuso

Canter, který je součástí nabídky koncernu. Základem hybridního pohonného řetězce je maloobjemový vznětový motor, elektromotor/ge­nerátor, automatizovaná převodovka a Li-on baterie. Třílitrový čtyřválec DOHC se čtyřventilovou mechanikou poskytuje maximální výkon

92 kW (125 k) při 3200 min-1 a maximální točivý moment 294 N.m při 1700 min-1. Motor je osazen nejnovějším sazovým filtrem PM a technologií recirkulace výfukových plynů EGR.

V součinnosti se spalovacím motorem pracuje velmi lehký a co do rozměrů příznivý elektromotor/ge­nerátor o výkonu 32 kW (44 k), který je schopen pohánět vozidlo v situacích, kdy je to výhodné. Jde především o rozjezd či při nutnosti výrazné akcelerace. Pro běžnou jízdu je vůz poháněn spalovacím motorem, který se při zařazeném neutrálu vypne, což významně šetří palivo. Při jízdě z kopce či při zpomalování elektromotor/ge­nerátor rekuperuje kinetickou energii a ukládá ji ve formě elektrické do systému výkonných Li-on baterií. Celému procesu hybridního pohonu a snížení spotřeby paliva významně napomáhá také automatizovaná převodovka INOMAT II.

Hybridní pohon je schopen ušetřit až 20 procent paliva oproti stejnému vozidlu s konvenčním motorem. Díky technologii EGR a elektromotoru celý systém produkuje o 41 procent méně NOx a o 46 procent méně pevných částic než původní pohon.

Hybrid ze Skandinávie

Stranou však nezůstávají ani těžká nákladní vozidla. Volvo představilo účinné řešení hybridního pohonu pro těžká vozidla, které přináší úsporu paliva až o 35 procent. Koncepce hybridního pohonu se označuje I-SAM. Jde o kombinaci spalovacího vznětového motoru a elektromotoru. I-SAM spolupracuje s automatickou převodovkou I-shift. Baterie jsou dobíjeny vznětovým motorem a při každém použití brzd. Elektromotor poskytuje plynulý výkon při nízkých otáčkách a doplňuje tak výkon vznětového motoru při vyšších otáčkách. Jedinečné řešení umožňuje zrychlení nákladního vozu, i když je poháněn pouze elektrickým proudem. Tím je podpořena nižší spotřeba paliva, nižší emise a nižší hladina hluku. Ke snížené spotřebě paliva však přispívá ještě několik dalších faktorů. Díky kapacitě elektrického motoru se může vznětový motor automaticky vypnout v případě, že nákladní vůz zastaví, aby řidič doručil dodávku, naložil náklad nebo zastavil na světelné křižovatce. Vedlejší zařízení, jako je například servočerpadlo nebo kompresor klimatizace, jsou v hybridním nákladním voze poháněna elektricky, nikoli vznětovým motorem. Díky velmi účinné spolupráci dvou zdrojů pohonu může být vozidlo vybaveno menším spalovacím motorem, ale dosahovat stejného výkonu jako při tradičním pohonu. To přináší zákazníkům ekonomické řešení, které snižuje emise. Dieselový motor může být v hybridním řešení poháněn také biopalivy, a v důsledku toho je možno zajišťovat dopravu bez emisí oxidu uhličitého. Tím je dlážděna cesta pro zajímavé vynálezy potřebné pro dlouhodobě únosná řešení v dopravě.

Volvo Group se také podílí na vývoji nového druhu elektrobaterií, typu Effpower, které jsou založeny na osvědčené technologii využívájící olovo-kyselinu, jež se v současnosti uplatňuje ve startovacích systémech vozidel. Pomocí této nové technologie se mu podařilo zdvojnásobit výstupní výkon, zároveň mohly být výrazně sníženy náklady na výrobu baterií v porovnání s ostatními možnostmi dostupnými na trhu. S baterií Effpower se ekonomika elektrických hybridních pohonů ještě zvýší. Nový hybridní nákladní vůz Volvo nyní podstoupí celou řadu testů. Předpokládá se, že sériové hybridní nákladní vozy Volvo se na trhu objeví během několika málo let.

Bavorský příspěvek

Poměrně daleko jsou ve vývoji hybridního pohonu pro vozidla modelové řady TGL rovněž u mnichovské značky MAN. I její konstruktéři berou v potaz všechny výhody pramenící z použití hybridního pohonu. Společně s odborníky na výrobu převodovek ze ZF Friedrichshafen pracují na zařízení EDA (Electro-Dynamic moving-off Element), které podstatně zlepšuje možnosti tzv. paralelního pohonu u hybridních vozidel.

V současnosti jsou ve zkouškách dva prototypy rozvážkových TGL vybavených hybridním pohonem. První, vybavený startér-alternátorem zabudovaným ve spojkovém unášeči, nese označení MAN TGL OPTISTRANG, druhý (se zmíněným zařízením z Friedrichshafenu) nese označení MAN TGL EDA.

EDA kombinuje výhody nižší spotřeby paliva u paralelního hybridního pohonu s výhodami bezúdržbového systému umístění některých elektrických elementů do výhodné pozice mezi spalovací motor a automatizovanou­ převo-

dovku. Kompaktní EDA systém, zahrnující startér, alternátor, vypínací zařízení spojky a hydrodynamický měnič točivého momentu, je pevně spojen se setrvačníkem spalovacího motoru. Pohon vozidla může být realizován podle výhodnosti buď jedním z obou motorů (spalovací a elektromotor), či společně oběma. EDA zajišťuje rovněž synchronizaci pro automatizovanou převodovku. Také u tohoto systému pohonu je využíváno funkce stop/start a dalších specialit, mezi něž patří možnost konverze točivého momentu při rozjíždění či akceleraci a asistence při rozjíždění do kopce.

Oba prototypy procházejí intenzivními zkouškami jak na polygonech, tak na veřejných komunikacích. MAN předpokládá, že dokáží nejen snížit škodlivé emise, ale především uspořit až 10 procent pohonných hmot.

Blízká budoucnost

Vlastní nákladní vozidla vybavená hybridním systémem pohonu nedávno představily také automobilky DAF či Nissan.

Hybridní pohony jsou v tomto okamžiku nejdále v segmentu osobních automobilů, hned za nimi následují autobusy. Protože se však mezi osobními vozy jedná prozatím pouze o poměrně drahé segmenty vozidel, nelze tuto snahu brát z hlediska ochrany životního prostředí vážně. Spíše jde o snížení spotřeby pohonných hmot, jejichž cena má vzrůstající tendenci. Výroba hybridně poháněných autobusů a nákladních vozidel má snad vedle zrychlující se snahy „utéct hrobníkovi v lopaty“ v rámci zvyšující se finanční náročnosti provozu vozidla také poněkud významnější podtext ochrany životního prostředí. Kam vývoj a prosazení v sériové výrobě u hybridních pohonů povede, se dozvíme jistě již docela brzy.

Otto Langmaier

(lan)