A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai

A holnap járművei

A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai

Kisdeák Lajos Kenéstechnikai Szolgáltatás vezető MOL-LUB Kft. Tel: +36 20 945 4695 E-mail: [email protected]

Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

1

Tartalom A legfőbb hajtóerő: a szén-dioxid kibocsátás csökkentésének kényszere Járműfejlesztési irányok Az aerodinamikai ellenállás csökkentése A gumiabroncsok gördülési ellenállásának csökkentése A hajtáslánc veszteségeinek csökkentése A kenőanyagok fejlesztése Az egyéb veszteségek csökkentése Az üresjárati idő csökkentése A járművek tömegének csökkentése Alternatív motorhajtóanyagok fejlesztése

A belsőégésű motorok fejlesztésének irányai „Downsizing” „Downspeeding” Szerkezeti anyagok és bevonatok fejlesztése Az égésfolyamat fejlesztése Új konstrukciós megoldások Hőmérséklet-menedzsment A motorolaj okozta veszteségek minimalizálása

A nanotechnológia szerepe Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

2

A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai A kezdetek

Az első benzinmotoros autó. Karl Friedrich Benz, 1886 Forrás: Wikipédia Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

3

Az első benzinmotoros autó megszületése után 125 évvel, 2011. július 21-én befejeződött a Space Shuttle program (Atlantis)

CÍM

Antagonisztikus ellentét? Annak látszik. Ha ezt a kérdést nem oldjuk meg, komoly problémáink lesznek Forrás: ESA Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

4

Rossz hírből nincs hiány Az IPCC új klímajelentést publikál (AR5) A tudományos alapokkal foglalkozó fejezete 2013. szeptember 27-én jelent meg, további részei 2014-ben kerülnek nyilvánosságra Két szalagcím a megelőző híradásokból (a New York Times nyomán) Minden eddiginél ijesztőbb klímajelentés A visszafordíthatatlan változások küszöbén . . .

. . . és néhány, már napvilágot látott információ . . . a Föld légkörének szén-dioxid-tartalma az ipari forradalom óta 41 százalékkal nőtt, az elmúlt 800.000 évben soha nem volt ilyen magas . . . az 1983-2012. időszak az elmúlt 1400 év legmelegebb időszaka volt . . . csaknem teljes, legalább 95 százalékos bizonyossággal kijelenthető, hogy a földi átlaghőmérséklet emelkedését az elmúlt évtizedekben „több mint felerészben” az emberi tevékenység okozza . . . az évszázad végére 4,8 °C átlaghőmérséklet emelkedés, és 91 centiméteres tengerszint-emelkedés is elképzelhető Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

5

Rossz hírből nincs hiány A szén-dioxid kibocsátás növekedése dinamikus CO2 emisszió

CO2 milliárd tonna/év

Global

Az emisszió kiheverte a globális gazdasági válságot Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012.


6

Rossz hírből nincs hiány Dél-kelet Ázsia CO2 kibocsátása óriásira nőtt


CO2 emisszió Dél-kelet Ázsia USA Európa

Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012.


7

Rossz hírből nincs hiány A világ más tájain is hasonló a helyzet


CO2 emisszió Afrika Közép- és Dél-Amerika Közel-Kelet

Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012.


8

Rossz hírből nincs hiány A CO2 koncentráció 2013-ban elérte a 400 ppm-et

CO2 koncentráció, ppm

CO2 koncentráció a Mauna Loa Obszervatóriumnál (Hawaii szigetek)

Forrás: Scripps Institution of Oceanography Publikálta: Bloomberg, 2013.


9

Rossz hírből nincs hiány A jelenlegi helyzetre nem ismerünk példát

CO2 koncentráció, ppm

Forrás: Scripps Institution of Oceanography Publikálta: Bloomberg, 2013.

Kiugróan magas érték

Az elmúlt 800.000 év Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

10

A járműfejlesztés irányai Az aerodinamikai ellenállás csökkentése Van még mit keresni! A MIT (Massachusetts Institute of Technology) szerint a könnyű haszonjárművek aerodinamikai ellenállása 25%-kal csökkenthető*

Forrás: http://www5.mercedes-benz.com

*Massachusetts Institute of Technology (2008), On the Road in 2035: Reducing Transportation’s Petroleum Consumption and GHG Emissions Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

11

A járműfejlesztés irányai A gumiabroncsok gördülési ellenállásának csökkentése 10% csökkentés a mai ismereteink szerint is megvalósítható, ami további kutató-fejlesztő munkával várhatóan 33%-ig lesz növelhető* Ehhez jó utak is kellenek

A gördülési ellenállás ~60%-át a futófelület deformációja okozza

*Massachusetts Institute of Technology, 2008: On the Road in 2035: Reducing Transportation’s Petroleum Consumption and GHG Emissions

Forrás: http://vetteweb.com


12

A járműfejlesztés irányai A hajtáslánc (motorok és hajtóművek) veszteségeinek csökkentése A belsőégésű motorok fejlesztése – később részletezzük A hajtóművek fejlesztése, jó hatásfokú konstrukciók alkalmazása Hibrid hajtások fejlesztése, elektromos hajtású autók fejlesztése Mellső differenciálmű

Forrás: Daimler AG

Motor

Hátsó differenciálmű

Osztóhajtómű központi differenciálművel Sebességváltó XXV. Veszprémi Karbantartási Konferencia, 2013. június Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.3-5.

13

A járműfejlesztés irányai Gondolatok a hajtóművek fejlesztéséhez A mechanikus hajtóművekre veszteségforrásként kell tekinteni, a hatásfokukat növelni kell. A hatásfoknövelés konstrukciós változtatásokkal (pl. a hidrodinamikus nyomatékátvitel mellőzése, hat-hét mechanikus fokozat alkalmazása),

Osztóhajtómű központi differenciálművel Forrás: Daimler AG

Mellső differenciálmű Forrás: Daimler AG

jó tribológiai tulajdonságokkal rendelkező szerkezeti anyagok és felületi bevonatok alkalmazásával, valamint továbbfejlesztett kenőanyagokkal lehetséges. A MIT szerint könnyű haszonjárművek esetében kb. 5% hatásfokjavulás érhető el. Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

14

A járműfejlesztés irányai Gondolatok a hajtóművek fejlesztéséhez Leáldozóban van a klasszikus automata hajtóművek csillaga. A hidrodinamikus nyomatékváltók hatásfoka ugyanis rossz. A Deere & Company DSG váltós traktort mutatott be (6R sorozat). Korszerű DSG (DCT) (kéttengelykapcsolós) sebességváltó Forrás: VWAG


15

A járműfejlesztés irányai

EV, HEV, PHEV

Gondolatok a hibrid hajtásokhoz Félmegoldást jelentenek, de várhatóan hosszú időn keresztül lesz létjogosultságuk. Nagy előnyük a fékezési energia visszatáplálásának lehetősége. Hátrányaik Magasabb ár Nagyobb tömeg (a villamos forgógépek és akkumulátorok járulékos tömeget jelentenek) A gyártásuk nagyobb ökológiai lábnyommal jár, mint a hagyományos belsőégésű motoros járműveké Mit küszöbölne ki a kerékagy-hajtómű? A sebességváltót Az osztóhajtóművet A differenciálműveket

Mercedes-Benz E-Class Hybrid Technology Project 2012 Forrás: http://newcarseries.com


16

A járműfejlesztés irányai Gondolatok az elektromos hajtásokhoz Mi hiányzik a képről? Például: Akkumulátorok Üzemanyagcellák Hidrogéntároló eszközök Szuperkondenzátorok Ezek még nem léteznek megfelelő (versenyképes) technikai színvonalon

Elektromos hajtómű fronthajtású jármű számára Forrás: Ford


17

A járműfejlesztés irányai A kenőanyagok fejlesztése A súrlódás csökkentése A viszkozitás csökkentése révén A SAE (Society of Automotive Engineers, USA) 2013. A C60 fullerén modellje áprilisában vezette be a SAE 16 viszkozitási osztályt. Megjelennek a SAE 0W-16, SAE 5W-16 viszkozitási osztályú motorolajok. A hibridekhez és start-stop üzemmódú motorokhoz alacsony viszkozitású motorolaj kell. Súrlódáscsökkentő adalékok alkalmazása (?) Határ- és vegyes kenésállapotban újszerű adalékok segítségével Szilárd adalékolású motor- és hajtóműolajokat fejlesztenek. A szilárd adalékok lehetnek pl. IF-WS2 (IF, Inorganic Fullerenlike), vagyis nanotechnológiai úton előállított többhéjú wolfram-diszulfid részecskék IF – TiS2 részecskék TEM A kémiai stabilitás növelése (Transmission Electron A motorvédelem mértékének fokozása → „robust” Microscopy) felvétele jellegű motorolajok erősen feltöltött motorokhoz Forrás: Weizmann Institute of Science Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

18

A járműfejlesztés irányai Az egyéb veszteségek csökkentése A járművek kiegészítő berendezései mind-mind energiafogyasztók, így végső soron a járművek szén-dioxid kibocsátását növelik. Hűtő- és klímaberendezések A teljesítményigényük csökkenthető a raktár- és utasterek jobb hőszigetelésével. Ehhez rendelkezésünkre állnak pl. rendkívül kis sűrűségű és kiváló hőszigetelő képességű aerogélek. A hűtőközegek erős üvegházhatású gázok, amelyek kijuthatnak a környezetbe. Sajnos a gyengén üvegházhatású R1234yf hűtőközeg a tűzveszélyességének nem egyértelmű megítélése miatt még nem terjedt el. Az Európai Unió kötelezővé tette a használatát.

Generátorok A teljesítményigényüket energiatakarékos fényforrások használatával lehet csökkenteni. Ezek fejlesztése is a nanotechnológia tárgya.

Az aerogélek rendkívül különleges, sokféle célra használható anyagok A nanotechnológia szülöttei. Forrás: NASA Propulsion Laboratory


19

A járműfejlesztés irányai Az üresjárati idő csökkentése: start-stop üzemmód A start-stop üzemmód fejlett hőmérséklet-menedzsmentet igényel. A városi közlekedésben gyakran leálló motort „melegen kell tartani”.

A járművek tömegének csökkentése (lightweighting) A motorok tömegének csökkentése a „downsizing” technológiából következik. A felépítmény tömegének csökkentésének lehetőségei Nagyszilárdságú acélötvözetek alkalmazása Alumínium- és magnézium-ötvözetek Fém- és polimer kompozitok fejlesztése (a „műanyag repülőgép” felszállt)

- 58%

Eredeti kialakítás, acél

- 20%

Eredeti kialakítás, alumínium

Tömegcsökkentési lehetőségek Újra kell gondolni a járműépítés elveit. Forrás: U.S. Department of Energy (DOE)

Optimált kialakítás, alumínium


20

A járműfejlesztés irányai Alternatív motorhajtó anyagok fejlesztése Bioüzemanyagok Indirect Land Use Change (ILUC) → járulékos szén-dioxid emisszió Élelmezési problémák a bioüzemanyagok alapanyagait szállító országokban (pl. Guatemala) Fejlemények az Európai Unióban Az ILUC szabályozás elhalasztása (2011. június 13.) A Bizottság új javaslatai – Az első generációs bioüzemanyagok aránya maradjon a jelenlegi, kb. 5%-os szinten (2012. október 17.). A legutóbbi hírek 6%-ról szólnak. – Ösztönözni kell az elsősorban hulladékból előállított, fejlettebb (második és harmadik generációs) bioüzemanyagok gyártását és használatát, amelyek nem versenytársai az élelmiszer előállításnak. (2013. január 24.) – „Tiszta üzemanyag” stratégia – Elő kell segíteni a villamos energia, hidrogén, bioüzemanyagok, földgáz (LNG, CNG, LPG) használatát – Magyarországnak 2020-ig 7000 villamos energia töltőpontot kellene létesíteni. Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

21

Járműfejlesztési irányok Fejlesztési példák

„Tankol” a MAN hibrid Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

22

Járműfejlesztési irányok Fejlesztési példák

Peugeot pneumatikus hibrid Olcsóbb, mint az elektromos hibrid A Bosch „hidraulikus hibrid” fejlesztésébe kezdett.


23

Motorfejlesztési irányok, címszavakban Méretcsökkentés, „downsizing” Kisebb tömegerők, kisebb súrlódási erők, kisebb teljesítmény-igényű segédberendezések

Kompresszió-viszony állítás

Fordulatszám-csökkentés, „downspeeding” A tömegerők további csökkentése, a kenőanyagfilmekben keletkező veszteségek csökkentése

A szerkezeti anyagok és bevonatok fejlesztése Jó siklási tulajdonságú, kopásálló anyagok és bevonatok, kis hőtágulású, nagy szilárdságot és nagy merevséget biztosító szerkezeti anyagok fejlesztése

Az égésfolyamat fejlesztése Szabályozott öngyulladás (CAI-HCCI), üzemanyag-ellátó rendszerek

Az MCE-5 Development motorkonstrukciója


24

Motorfejlesztési irányok, címszavakban Konstrukciós megoldások A fordulatszámtól függő szelepvezérlés, szabályozott turbófeltöltés, módosított forgattyús mechanizmus, változtatható kompresszió-viszony, stb.

Korszerű elektronikus hőmérséklet-menedzsment (Thermal-management) A hagyományos termosztát helyett többszelepes, elektronikus vezérlésű hőmérsékletszabályozó rendszerek kialakítása

A motorolaj okozta veszteségek minimalizálása Az olajszivattyú által szállított motorolaj mennyiségének a kenési igényhez történő igazítása (pl. szabályozott villanymotorral hajtott szivattyú) A motorolaj által létesített súrlódási tényező jelentős csökkentése nanotechnológiai megoldások alkalmazásával

A felsorolt fejlesztési lehetőségekről A többségük logikus, kézenfekvő, korábban is alkalmazhattuk volna A bevezetésükre régebben nem volt kényszer (pl. CO2 kibocsátási előírások) Több területen jelentős tudományos előrelépés szükséges Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

25

Motorfejlesztési irányok Fejlesztési példák Ford

Extra módon méretcsökkentett háromhengerű motor metszete (Ford EcoBoost) A lökettérfogat 1 liter a maximális teljesítmény 4500 1/min fordulatszám mellett 92 kW A tömege 97 kg A turbótöltő járókerék-átmérője 38 mm, maximális fordulatszáma 330.000 1/min Járműbe építve (Ford Focus) a fajlagos szén-dioxid kibocsátása 114 g/km. A motorolaj viszkozitása: SAE 5W-20 Forrás: Autótechnika


26

Motorfejlesztési irányok Fejlesztési példák General Motors Új generációs, turbófeltöltött, direkt befecskendezésű benzinmotor gyártása kezdődött Szentgotthárdon, 2012 végén A lökettérfogata 1,6 liter (1598 cm3) Maximális teljesítmény: 147 kW (200 HP) @ 4700 1/min Start/Stop rendszer A szén-dioxid kibocsátása 13 %kal kevesebb, mint a GM előző, 1,6 literes turbófeltöltött motorjáé. Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

27

Nanotechnológia mindenütt A nanotechnológia a klímaváltozás elleni küzdelem fontos eszköze, és a járműtechnológia meghatározó iparága A Boeing 787 anyagainak 50%-a kompozit. Az acélötvözetek aránya 10% Az üzemanyag-fogyasztása 20%-kal kevesebb, mint a hasonló méretű gépeké

Forrás: http://www.boeing.com Forrás: Nanotech Insights, Hot Technologies, 2010 május ► Nagyszilárdságú ►

►

► ►

Az energia anyagok használata felhasználás Nanokatalizátorok az csökkentése, energia felhasználás hatásfok csökkentéséért növelés A motorok súrlódási veszteségeinek csökkentése Az épületek jobb hőszigetelése Energiatakarékos világítás

A nanotechnológia a klímaváltozás ütemének mérsékléséért

Megújuló energiák előállítása és tárolása

Szén-dioxid management ► Leválasztás ► Tárolás ► Átalakítás


► Napelemek ► Üzemanyagcellák ► Hidrogén gazdaság

(pl. solarhydrogen előállítás) ► Energiatárolás ► Akkumulátorok ► Szuperkondenzátorok

28

Köszönöm a figyelmet!

Csonka János postaautója 1905. Hibátlanul teljesítette a 2000 km-es próbautat Ma is megtekinthető a Csonka János Emlékmúzeumban, a Budapest, XI. kerület Bartók Béla út 31-ben Nemzeti Közlekedési Napok 2013. november 5-7.

29

A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai

Recommend Documents