Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor TŘD), st. skupina 25, 15 Vacík Jindřich, Panchartek Lukáš pracovní skupina 3
Název práce:
Ekologické trendy procesu spalování paliv v moderních automobilových motorech Prohlášení Prohlašujeme, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně citujeme.
Anotace Práce slouží ke shrnutí ekologických trendů v konstrukci motorů (poháněných především klasickými palivy), které se montují do moderních osobních automobilů. Mezi důležitá klíčová slova, která jsou v práci použita, patří: • • • • • •
systém vstřikování benzinu GDI motory FSI systémy Common-Rail dvoudobý vznětový motor systémy DGI a SGI proměnné kompresní poměry.
1
Obsah Prohlášení ............................................................................................................. 1 Anotace .................................................................................................................. 1 Obsah..................................................................................................................... 2 1. Úvod................................................................................................................ 3 2. Zážehové motory............................................................................................. 4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
Karburátorům již odzvonilo ................................................................................... 4 Když jde benzin přímo do válce.............................................................................. 5 Čistší a účinnější motory.......................................................................................... 6 Více výkonu za méně paliva .................................................................................... 7 Vyšší výkon i větší úspora paliva ............................................................................ 8 Nové systémy vstřikování plynu.............................................................................. 8
3. Vznětové motory ........................................................................................... 10 3.1 3.2 3.3
Nová kvalita pro diesely......................................................................................... 10 Nový Common-Rail druhé generace .................................................................... 11 Cesty k čistším dieselům ........................................................................................ 12
4. Zajímavé projekty ......................................................................................... 14 4.1 4.2 4.3 4.4
Nevýhody mizí, výhody zůstávají.......................................................................... 14 Jak se dělá „litrový“ automobil............................................................................. 15 Motor na všechny druhy paliva ............................................................................ 16 Proměnný kompresní poměr................................................................................. 16
5. Čím a jakým způsobem jezdit ....................................................................... 18 5.1 5.2 5.3 5.4
Konkurs na francouzský způsob........................................................................... 18 Úsporná jízda.......................................................................................................... 19 Jezdit hlavou a mít lehkou nohu ........................................................................... 19 Rekordmanův kurz úsporné jízdy ........................................................................ 20
6. Závěr............................................................................................................. 21 Použité informační zdroje ................................................................................... 22
2
1. Úvod Je pravda, že silniční doprava není právě příliš šetrná k životnímu prostředí, a to z důvodu stále více expandujícího automobilismu. Mnoho lidí si přeje vlastnit osobní automobil, protože člověk je tvor pohodlný a chce si život co nejvíce ulehčit. Z toho vyplývá, že počet automobilů na našich silnicích se v blízké budoucnosti bude spíše zvyšovat než naopak. Přesto tento stav není zcela beznadějný. Evropská unie (do které snad i Česká republika brzo vstoupí) ve svých vyhláškách neustále zpřísňuje emisní limity a i samotné automobilky a jejich konstruktéři a vývojáři pracují na motorech s lepšími emisními charakteristikami. Dnešní moderní motory mají čím dál vyšší výkon a přitom nižší spotřebu paliva a tím i emise. A právě s takovými pohonnými jednotkami se Vás tato práce bude snažit seznámit, v závěru se zmiňuje i o zajímavých projektech a přinese (pro mnohé samozřejmé) zjištění, že skutečnost, jakou spotřebu paliva má Váš „plechový miláček“, nezáleží jen na vyspělosti motoru, který máte pod kapotou.
3
2. Zážehové motory 2.1 Karburátorům již odzvonilo Elektronika se prosazuje téměř ve všech oborech lidské činnosti. Dokázala také zkvalitnit přípravu palivové směsi benzinových motorů, které oproti klasickým agregátům vykazují vyšší výkon při nižší spotřebě paliva. Žádný vůz s benzinovým motorem, který dnes opouští výrobní linky, nemá pohonnou jednotku, kde by se palivová směs připravovala jinak než prostřednictvím systému vstřikování paliva. I přes svoji větší složitost se vstřikování paliva, dosud výlučná záležitost naftových motorů, prosadilo i u motorů benzinových. Základní rozdíl mezi vstřikováním paliva u naftových a benzinových motorů ovšem spočívá v tom, že zatímco nafta je většinou vstříknuta přímo do válce, benzin je dodáván stále do sacího potrubí a teprve odtud je ve směsi se vzduchem nasáván do válce, kde poté elektrická jiskra směs zapálí. Rozdíl je v tom, že dříve byl benzin nasáván z trysky difuzéru karburátoru průběžně, kdežto nyní proud vzduchu unáší od vstřikovacího ventilu benzin přesně dávkovaný s časováním řídicí jednotkou. U dieselových motorů je naftu do válce potřeba vstříknout pod velkým tlakem a překonat tak velký odpor stlačeného vzduchu v kompresním prostoru. K dodávce benzinu je ze vstřikovacího ventilu využíván podtlak, který vzniká v sacím potrubí. Ventil soustavy benzinových motorů lze přirovnat k vrátnému, který pouze pasivně otevírá a uzavírá vstup, u trysky vstřikování naftových motorů jde o jakéhosi „barového vyhazovače“, který aktivně tlačí jistý okruh klientů patřičným směrem. U vstřikování benzinových motorů tedy odpadá technologicky a provozně náročný agregát tlakování paliva. Nový způsob tvorby palivové směsi se u benzinových motorů prosadil především díky tomu, že významně snížil spotřebu paliva a množství škodlivých emisí ve výfukových plynech. Zatímco bohatost směsi u karburátorů ovlivňoval jen průměr trysky v difuzéru a natočení škrticí klapky, množství benzinu vstřikovaného do vzduchu v sacím potrubí (a tedy dobu otevření vstřikovacího ventilu) řídí elektronická jednotka, která vyhodnocuje údaje z mnoha čidel, sledujících mj. úhel otevření škrticí klapky, teplotu a tlak nasávaného vzduchu, obsah kyslíku ve výfukových plynech (sonda „λ“) apod. Na základě těchto údajů pak jednotka dokáže určit optimální množství dodávaného paliva vzhledem k momentálnímu režimu jízdy a požadavkům řidiče. Moderní systémy mají také elektronické ovládání škrticí klapky, kdy řídicí jednotka motoru nemá ani přímé mechanické, ani elektronické propojení mezi pedálem akcelerace a škrticí klapkou. Řidičovo přání vyjádřené sešlápnutím či povolením akceleračního pedálu je zaznamenáno snímači a v podobě signálu předáno řídicí jednotce. Ta pak tento údaj vyhodnotí spolu s daty dodanými ostatními čidly a teprve potom upraví nastavení škrticí klapky. „První takzvané jednobodové systémy vstřikování (Single Point Injection - SPI) měly jeden ventil, který vstříkl přesně odměřené množství benzínu do té části sacího potrubí, která byla společná všem válcům. Jeden ventil tedy nahradil jeden karburátor. V současné době se prosadil systém vícebodového vstřikování (Multi Point Injection - MPI), kdy každý válec má svůj vlastní vstřikovací ventil umístěný v sacím potrubí velmi blízko válce. Tím se ještě zvyšuje účinnost vstřikování. Jedná se tedy o systém značně složitý. Pokud se řidiči zdá, že motor ztrácí výkon, pokud zaznamenává výpadky při akceleraci nebo má prostě jen pocit, že s motorem „něco je“, nezbývá mu, než se obrátit na servis vybavený příslušnými přístroji. Jedině tam jsou schopni odhalit, zda je závada způsobena poruchou vstřikování. Pokud ano, v lepším případě „odešlo“ některé z čidel. Vadné čidlo je neopravitelné, je nutné je vyměnit. 4
Horší a dražší je samozřejmě porucha a následná výměna elektronické řídicí jednotky, jež je ve většině případů rovněž neopravitelná. Toho se ovšem není třeba příliš obávat: systémy benzinového vstřikování jsou velmi spolehlivé a současná praxe ukazuje, že jejich životnost je v podstatě shodná s životností celého motoru (200 tisíc kilometrů a více). Pouze jsou - jako každý systém řízený elektronikou - citlivé na vlhkost. Proto se nedoporučuje „mokré“ mytí motoru. V případě, že se motor po takové očistě odmítá rozběhnout, stačí obvykle celý agregát důkladně vysušit - a příště jej nechat očistit speciálními prostředky pro mytí motoru bez použití vody.“[1]
2.2 Když jde benzin přímo do válce Příprava palivové směsi pro zážehové motory se neustále zdokonaluje. Posledním vývojovým stupněm je systém přímého vstřiku benzinu GDI. Na rozdíl od klasického způsobu systému vstřikování benzinu, kdy je palivo prostřednictvím vstřikovacího ventilu dopraveno do sacího potrubí motoru, kde vytvoří palivovou směs, je nyní benzin vstříknut přímo do válce. Podobně je do válce vstřikováno palivo i u dieselových motorů. Rozdíl je však v tom, že zatímco u dieselu je okamžik vstřiku omezen na úzké rozmezí kolem horní úvrati pístu při kompresi, benzin je možné vstříknout v daleko širším pracovním rozmezí. Bud' do nasávaného vzduchu, kdy je otevřen sací ventil a píst jde dolů, nebo teprve ve chvíli, kdy jsou uzavřeny oba kanály a píst se blíží horní úvrati. Takto je možné přímo za jízdy významně ovlivňovat spotřebu a výkon motoru. Pohonná jednotka systému přímého vstřikování benzinu GDI (Gasoline Direct Injection) je tedy schopna pracovat ve dvou režimech - úsporném a výkonném. Pokud budeme požadovat vyšší výkon - například při rozjíždění, zrychlení při jízdě do kopce nebo při vyšších rychlostech na dálnici, elektronická řídicí jednotka zvolí výkonný režim. Tehdy je benzin vstříknut do válce v době sání, kdy nasávaný vzduch zajistí jemné rozprášení paliva. Toto rozprášení ochladí směs a zvýší tak objemovou účinnost. Poté píst homogenní směs stlačí k zapalovací svíčce, kde dojde k zážehu. Tímto způsobem se zvýší točivý moment o deset procent ve srovnání s běžným motorem o stejném objemu. Za nízkých otáček při jízdě ve městě či při plynulé jízdě na vyšší převodový stupeň (např. na dálnici) pak motor samočinně přechází na úsporný režim. Tehdy je nejprve nasát vzduch, který je ve válci intenzivně rozvířen. Poté jej píst pohybující se vzhůru stlačuje. Palivo je vstříknuto do speciálně prohloubené části pístu a zapáleno teprve v poslední fázi komprese. Tímto způsobem lze vytvořit takovou směs, která může být i přes chudý poměr 40:1 bez problému zažehnuta a která stabilně hoří. „Nový systém GDI posunul laťku opět vzhůru. Umožňuje desetiprocentní zvýšení výkonu a přitom dokáže uspořit až dvacet procent paliva. Při konstrukci motoru GDI, který do svých vozů zatím montuje pouze automobilka Mitsubishi, se uplatnilo několik nových technických řešení. Oproti běžným benzinovým motorům jsou použity svislé sací kanály, které dosahují účinnějšího proudění vzduchu ve válci. Přesné dávkování a dokonalé rozprášení paliva zajišťuje spolu s vysokotlakou rozprašovací vstřikovací tryskou vysokotlaké palivové čerpadlo, které dodává benzin do trysek pod asi patnáctkrát vyšším tlakem než u běžných zážehových motorů. A spolehlivé zapálení chudé směsi zajišťuje píst s prohloubenou a vyvýšenou horní částí, která účinně usměrní proud vzduchu a obláčku směsi.“[2]
5
2.3 Čistší a účinnější motory Vývoj efektivnějších a ekologičtějších zážehových spalovacích motorů neprobíhá v žádných revolučních skocích. Je to dlouhodobý proces a nás zajímalo, kam tento „běžec na dlouhých tratích“ v současnosti míří. Přes všechna zlepšení parametrů vznětových motorů a navzdory projektům, které slibují nulové emise, v sobě „starý dobrý“ zážehový motor stále skrývá potenciál dalšího zvýšení své účinnosti a snížení produkce škodlivin. Jednu z cest představuje lepší příprava směsi a její dokonalejší spálení, kdy se snižuje tzv. hrubá hodnota emisí, tedy podíl škodlivin ve výfukových plynech před jejich další úpravou pomocí katalyzátoru. Značnou roli hraje například optimalizace startu motoru a jeho běhu ve vysokých otáčkách. Velký krok vpřed znamenají také systémy přímého vstřikování benzinu, jejichž vývoj není zdaleka ukončen. Zatím poslední systém představuje vstřikovací zařízení pro zážehové motory DI-Motronic vyvinuté firmou Bosch, které se uplatnilo ve vozidle Volkswagen Lupo FSI, jehož nultá série byla uvedena na trh v roce 2000. Díky přímému vstřiku benzinu s vrstveným rozložením směsi ve spalovacím prostoru a dalším technickým řešením se v porovnání s klasickým vstřikováním benzinu do sacího potrubí podařilo výrazně snížit spotřebu, a tedy i emise CO2. Přitom čtyřválec FSI o objemu 1,4 l při 6200 ot/min dává výkon 77 kW (105 k) a kombinovaná spotřeba paliva činí 4,9 l na 100 km. Současně se předpokládá, že dalším vývojem tohoto způsobu přípravy směsi bude dosaženo ještě nižších hodnot spotřeby i emisí. Úplně dořešeno zatím není bezpečné zapálení směsi za všech režimů motoru. Snahou je zvládnout přechod od klasického spalování na stěnách válce nebo v prostoru spalovací komory ke spalování v kuželu vstřikovaného paliva, jako je tomu u vznětového motoru. Firma Bosch proto vedle modifikovaných vstřikovacích ventilů vyvíjí také dokonalejší systémy zapálení směsi. Rovněž tak je pro užití v praxi připravena druhá generace řídicí jednotkou ovládaného vysokotlakého vstřikovacího čerpadla integrovaného v hlavě válců. Je tak mnohem lépe možno regulovat hodnotu tlaku vstřiku. „Další cestu snížení emisí představují dokonalejší systémy „druhotného“ snižování škodlivin, tedy zvyšování účinnosti čištění výfukových plynů ve výfukovém traktu po jejich výstupu z válce motoru - například díky předehřívaným katalyzátorům či dalšímu zlepšení jejich řízení prostřednictvím planární sondy lambda, která rychle dosahuje své provozní teploty a umožňuje tak měřit poměr kyslíku ve spalinách v širokém rozsahu. Lepšího dodatečného spalování emisí ve výfukovém traktu je dosahováno také díky čerpadlu sekundárního vzduchu. Pokud jde o další snížení emisí oxidů dusíku (NOx), pracuje Bosch na optimalizaci systému recirkulace výfukových plynů v sacím potrubí. Je vyvíjen elektronicky řízený recirkulační ventil, který v porovnání s dosavadními verzemi pracuje rychleji a lze jej přesněji nastavit. Řídicí jednotka motoru tak může efektivněji dávkovat množství recirkulovaných plynů. V neposlední řadě se výrobci katalyzátorů také snaží o rozšíření pracovní oblasti akumulačního katalyzátoru NOx. Pomocí všech těchto dokonalejších postupů bude možno u zážehových motorů budoucnosti snížit celkovou spotřebu v porovnání s klasickým vstřikováním paliva do sacího potrubí až o 20 procent. Pro menší vozidla o hmotnosti do 1350 kg a s motorem o výkonu 90 kW, tedy většinu osobních automobilů prodávaných v současnosti, to znamená snížení emisí CO2 ze 185 g na 150 g na jeden kilometr. Při zavedení dalších inovací motoru (například zvýšení specifického výkonu přeplňování, řízení tepelného režimu, proměnného časování ventilů a vypínání válců) je předpoklad, že u zážehových motorů se produkce CO2 dá „srazit“ dokonce až na hodnotu 130 g na jeden kilometr. Tak by bylo dosaženo ještě lepších hodnot, než požaduje ACEA na rok 2008 (140 g CO2 na jeden kilometr) a téměř dosaženo cíle ACEA pro rok 2012 - 120 gramů CO2 na kilometr. A zážehový motor v tomto směru zdaleka neřekl své poslední slovo. Je reálné, že
6
zdokonalený motor spalující zemní plyn dosáhne emisních hodnot kolem hranice 90 g CO2 na kilometr. Zážehové motory s vodíkovým palivem, jejichž výroba a zavedení jsou daleko méně nákladné než realizace motorů s palivovými články, mohou dokonce dosáhnout nulové hodnoty emisí CO2.“[3]
2.4 Více výkonu za méně paliva Přestože vznětový motor vzhledem ke své nízké spotřebě a výhodnému točivému momentu v současné době získává na oblibě, odborníci tvrdí, že zážehový benzinový motor ještě nevyčerpal možnosti svého vývoje. Schopnost konkurovat dnes u každého druhu pohonu určuje několik kritérií. Jsou to především co nejmenší hodnoty emisí ve výfukových plynech a dále snižování spotřeby energie (ta je měřena množstvím emisí CO2 v gramech na 1 km jízdy). Dalšími důležitými kritérii jsou provozní vlastnosti (vysoký výkon, nízká hlučnost...), dostupnost paliva z pohledu uživatele (hustota a úroveň distribuční sítě) a samozřejmě co nejnižší provozní náklady. Vývojoví pracovníci to nemají lehké. Například hodnoty emisí požadované normou EU IV, která na území Evropské unie vstoupí v platnost od roku 2005, jsou tak nízké, že i renomovaný Spolkový úřad pro ochranu životního prostředí v Berlíně považuje motory splňující tyto limity za zařízení, která vzduch čistí. Požadované hodnoty škodlivých látek ve výfukových plynech jsou totiž nižší, než bývají ve vzduchu považovaném za čistý. Přitom v Německu již v roce 2000 splňovalo normu EU IV více než 65 procent vozidel se zážehovým motorem. Vývojáři se při snižování hodnot emisí soustřeďují na optimalizaci startu motoru a jeho režimu ve vysokých otáčkách - takto lze ovlivnit hodnoty škodlivin před úpravou výfukových plynů v katalyzátoru. Účinnost práce katalyzátoru pak zvyšuje jeho rychlé zahřátí a optimalizace řízení jeho funkce. Lepšího dodatečného spálení emisí je dosahováno vháněním vzduchu do výfukového traktu a použitím planární sondy lambda, která rychle dosahuje své provozní teploty. „Významnou oblastí, jak snížit spotřebu paliva, a tedy i hodnoty emisí CO2, je využití možností přímého vstřikování benzinu. Například vstřikovací zařízení DI-Motronic firmy Bosch použité ve voze Volkswagen Lupo FSI snížilo spotřebu o 15 %. Vedle dalších technických „fines“ se přitom uplatnil princip vstřikování paliva s vrstveným rozložením směsi ve spalovacím prostoru. Předpokládá se, že laťka, kterou tento agregát nasadil, bude v blízké budoucnosti překonána. Jednou z cest, na kterou se vydali u firmy Bosch, je vývoj dokonalejších vstřikovacích trysek, které umožní přechod od klasického způsobu spalování benzinu na stěnách pístu a válce ke způsobu, který se uplatňuje u vznětových motorů, kde se nafta mnohem účinněji spaluje již v kuželu vstřikovaného paliva. Problémem je zde především dosáhnout bezpečného zapálení směsi vzduchu a benzinu ve všech provozních podmínkách. Na snížení spotřeby se již podílí nová generace vysokotlakého vstřikovacího čerpadla integrovaného v hlavě válců. Pomocí řídicí jednotky je tak možno lépe regulovat množství energie potřebné pro vytvoření vstřikovacího tlaku. Pokud jde o další snížení emisí oxidů dusíku NOx, pracují vývojoví pracovníci firmy Bosch na elektricky ovládaném ventilu, který umožňuje ještě vylepšit princip recirkulace výfukových plynů jejich vháněním do sacího potrubí. Nový ventil pracuje rychleji a lze ho jemněji nastavit, a tedy i dávkovat recirkulované plyny. Pracuje se rovněž na rozšíření pracovní oblasti akumulačního katalyzátoru NOx. Předpokládá se, že pomocí těchto technologií bude možno u zážehových motorů snížit spotřebu až o 20 procent ve srovnání s motory s klasickým vstřikováním paliva do sacího potrubí. Pomocí dalších opatření, jako je například zvýšení specifického výkonu motoru přeplňováním, řízením tepelného režimu, variabilním ovládáním ventilů a vypínáním
7
válců, je možné emise CO2, které jsou měřítkem energetické účinnosti spalovacích motorů, ještě snížit. Další cestu k vylepšení tohoto parametru představuje optimalizace motoru na zemní plyn nebo zážehové motory s vodíkovým pohonem, které dokonce vykazují nulové emise CO2. To je však již jiná kapitola, která si ještě vyžádá mnoho prostředků a času, než se z ní stane alternativa cenově přijatelná pro širší motoristickou veřejnost.“[4]
2.5 Vyšší výkon i větší úspora paliva Vstřik paliva do spalovacího prostoru je podstatou přípravy směsi nejen u dieselových motorů, ale prosazuje se i u zážehových jednotek. „Fuel Stratified Injection FSI neboli vrstvené vstřikování paliva: tak se nazývá technologie, kterou u svých motorů začal zavádět koncern Volkswagen. Zážehové motory s přímým vstřikováním benzinu FSI pohánějí modely VW Lupo a jsou dodávány i do nového VW Polo. Letos by měly nabídku pohonných agregátů sériových vozů Audi obohatit hned dva motory FSI. Důvod je jediný - úspora paliva při zachování či dokonce zvýšení výkonu vozidla. V porovnání s konvenčními motory se vstřikováním paliva do sacího potrubí mají pohonné jednotky FSI celou řadu výhod, z nichž nejpodstatnější jsou tři: nižší spotřeba, vyšší výkonové parametry v celém spektru otáček a bezprostřednější odezva na pokyny řidiče prostřednictvím pedálu akcelerátoru. Potvrdily to například zkušenosti s motorem FSI, který poháněl vozy Audi R8, jež loni triumfovaly při vytrvalostních závodech 24 hodin Le Mans. Na jedno natankování ujely nejméně o jedno kolo více než vozy předchozího provedení, i přes deštivé počasí reagovaly spolehlivě i na nejjemnější pokyny pilotů a výkon v oblasti nižších otáček se zvýšil až o 10 %. Zmíněné přednosti motorů FSI spočívají především v tom, že došlo k přesnějšímu promíchání směsi a paliva ve speciálně tvarovaných spalovacích prostorách motoru. Při konvenčním vstřikování benzinu do sacího potrubí se palivo mísí se vzduchem již v sacím potrubí a do válců vstupuje homogenní směs. U motoru s přímým vstřikem se přesně dávkované množství paliva vstřikuje pod velkým tlakem přímo do spalovacího prostoru. To umožňuje zažehnutí i velmi chudé vrstvené směsi v režimu, kdy motor nedává plný výkon. To je typické hlavně pro motory sériově vyráběných vozů. Jejich spotřeba tak může klesnout až o 15 procent.“[5]
2.6 Nové systémy vstřikování plynu Pohon automobilů na plyn je v České republice velmi rozšířen a během několika posledních let získal solidní zázemí husté sítě čerpacích stanic a servisů. Konkurence roste a nutí výrobce k technickým inovacím. „Poslední novinkou, která se objevuje na našem trhu, jsou nové systémy vícebodového vstřikování plynného paliva DGI a SGI, které dosahují v oblasti výkonu a spotřeby téměř stejných parametrů jako benzinové vstřikovací motory. Oba systémy vyvinula holandská firma AG Autogas systems. Starší z nich - DGI neboli digitální vstřikování plynu představuje aplikaci klasického systému vícebodového vstřikování benzinu. Dosavadní přestavby na plyn totiž vlastně „degradovaly“ motory s vícebodovým vstřikováním benzinu na karburátorové motory, kdy plyn se mísil se vzduchem ve směšovači a poté byl přes sací trakt nasáván do motoru. Systém DGI pracuje tak, že kapalný plyn (LPG) jde z nádrže do tlakového regulátoru, kde se odpařuje na tlakovou hodnotu 0,8 baru. Poté putuje do vstřikovače, kde je regulováno množství vstříknutého paliva podobně jako u benzinového motoru. Ve výstupu vstřikovače je průtokoměr měřící množství vstříknutého LPG a předávající tuto informaci řídící jednotce DGI. Dávku paliva jednoho vstřiku pak rozdělí 8
separátor umístěný za měřičem do tří nebo čtyř stejných pulsů, aby během sání došlo k dokonalejšímu promísení paliva se vzduchem. Do sacího potrubí je plyn vstříknut v blízkosti sacích ventilů prostřednictvím malých beztlakových regulátorů. Tyto regulátory jsou nastaveny tak, aby zamezily vniknutí paliva do sacího systému jindy než v okamžiku sání příslušného válce (brání průchodu paliva například při deceleraci nebo v okamžiku sání ostatních válců). Mozkem celého systému je elektronická řídicí jednotka DGI, která podobně jako řídicí jednotka benzinového vstřikování vyhodnocuje údaje o běhu motoru, jako jsou jeho otáčky a zatížení, poloha škrticí klapky, údaje sondy lambda apod. Na základě těchto dat pak řídicí jednotka určí přesnou dávku paliva pro každou otáčku motoru. Pokud se uzavírá škrticí klapka (režim decelerace), je zcela přerušena dodávka LPG. Řídicí jednotku lze připojit na zařízení schopné číst aktuální údaje o chodu motoru - je tak možné přesně kontrolovat a upravovat základní parametry motoru. Oproti dosavadním systémům alternativního pohonu LPG je výhodou systému DGI především to, že zcela zamezuje zpětným zášlehům do sacího potrubí (z tohoto důvodu bylo nutné měnit plastové sací potrubí za kovové - např. u vozů Škoda). Digitální vstřikování plynu také téměř setřelo rozdíl výkonu motoru při jízdě na LPG a na benzin a podstatně zlepšilo spotřebu plynného paliva (mj. díky zastavení vstřiku LPG při deceleraci). Již tak v porovnání s benzinem nízké hodnoty škodlivých emisí se ještě snížily, takže odpovídají přísným evropským normám Euro 2 a Euro 3. Tento systém získal v České republice typové schválení na hromadné přestavby pro vozy Škoda Octavia a Felicia s motorem 1.6/55 kW a v současné době probíhá schvalovací řízení i pro škodovácké motory 1.6/74 kW. Montáž je samozřejmě možná i do jiných typů vozidel (přibližně 60) všech běžných značek formou individuálních přestaveb. Jednou z firem nabízejících vozy s motory přestavěnými na systém DGI je Eurosport, pražský prodejce vozů Škoda, který patří k zastáncům trendu nabízet nové vozy nejen s benzinovými a naftovými motory. Jakmile se firma AG Autogas systems prosadila s digitálním vstřikováním plynu, vypustila do světa další, technologicky ještě vyspělejší systém, který nazvala Sekvenční vstřikování plynu - SGI. Jde opět o vícebodové vstřikování plynného paliva, které v podstatě vychází z principu systému Common-Rail známého u naftových motorů. Na rozdíl od DGI, kde palivo dávkuje jeden hlavní vstřikovač, u systému SGI odpovídá počet vstřikovačů počtu válců. Kapalný plyn se přitom opět odpařuje v tlakovém regulátoru a upraví se na stabilní tlak. Poté palivo putuje do sběrného potrubí, napojeného na všechny vstřikovače SGI, které jsou opět umístěny v sacím kanálu v bezprostřední blízkosti sacího ventilu. Elektronická řídicí jednotka SGI na rozdíl od řídicí jednotky DGI pracuje s údaji, které jí dodává benzinová řídicí jednotka. Podle dodaných údajů pak přesně určuje optimální okamžik zážehu a průběh vstřiku pro každý válec samostatně. Díky tomu je dosaženo stejných výkonových, spotřebních a emisních parametrů motoru jako u systému DGI. Systém sekvenčního vstřikování plynu prochází v současné době schvalovacím řízením pro Českou republiku.“[6]
9
3. Vznětové motory 3.1 Nová kvalita pro diesely V posledních letech se v osobních vozech stále více uplatňují atmosférické či přeplňované vznětové motory s přímým vstřikem paliva. Využívají přitom systém Common-Rail, jenž vnesl mezi diesely novou kvalitu. Konstrukce vznětových motorů určených k pohonu nejen užitkových, ale i osobních vozů se po mnoho desetiletí prakticky neměnila. V uvedených třídách automobilů se až na vzácné výjimky preferoval systém nepřímého vstřikování nafty, jenž u malolitrážních motorů poskytoval v porovnání s přímou dodávkou paliva do spalovacího prostoru řadu výhod. Šlo zejména o nižší hlučnost a vibrace. Konec devadesátých let však přinesl významný technický pokrok díky systému přímého vstřikování nafty, zvanému anglicky Common-Rail (schéma viz Obr. č. 1). Tuto techniku lze dnes běžně najít v sériových automobilech řady výrobců, mezi nimiž nechybějí kupříkladu Mercedes-Benz, Fiat či koncern PSA, tedy značky Peugeot a Citroën. Stěžejní součástí systému přímého vstřiku Common-Rail je, jak ostatně napovídá jeho název, válcový vysokotlaký zásobník. Právě do něj dodává průběžně naftu čerpadlo, které je schopné vyvinout pracovní tlak až 135 MPa. Do spalovacího prostoru jednotlivých válců pak palivo vstupuje prostřednictvím soustavy trubek a vstřikovacích trysek o velmi malém průměru 0,2 mm. Nafta přichází do válce pod zvlášť vysokým tlakem, což přispívá k jejímu jemnému spirálovitému rozptýlení a tím i dokonalejšímu spálení. Tím, že se v zásobníku společném pro všechny válce udržuje stálý tlak, lze regulovat běh motoru pomocí elektroniky. Právě tento faktor je významnou předností dieselů se systémem Common-Rail v porovnání s klasickými vznětovými motory. Řídicí jednotka se v první řadě stará o určení optimálního množství vstřikované nafty podle aktuálních otáček a zatížení motoru. Dále reguluje činnost palivového čerpadla tak, aby byl v zásobníku udržován patřičný a konstantní tlak. Klasické vznětové motory používají až na výjimky mechanický systém nepřímého vstřikování paliva, přičemž dávkování nafty závisí kromě jiného také na seřízení palivového čerpadla. To, že tento agregát není optimálně nastaven, prozrazuje hustý kouř plný sazí valící se z výfuku vozidla. Tento neblahý jev, jenž rozhodně neprospívá našemu životnímu prostředí, se ovšem časem stane minulostí. Zásluhu na zkvalitnění ovzduší budou mít právě diesely se systémem vstřikování Common-Rail. Dále se postarají o to, aby ovzduší neznehodnocovaly v takové míře jako doposud další škodliviny. U nových motorů s přímým vstřikem se podařilo v porovnání s klasickými vznětovými jednotkami snížit objem vylučovaných uhlovodíků na polovinu. Avšak ani 40procentní redukce oxidu uhelnatého a 20procentní snížení oxidu uhličitého ve výfukových plynech nejsou zanedbatelné. „Systém Common-Rail se také postaral o výrazné zlepšení provozní ekonomie vznětových motorů. Svědčí o tom kupříkladu kombinovaná spotřeba 4,5 l nafty na 100 km u turbodieselu 1.6 CDI v Mercedesech-Benz třídy A. Pochvalu si zaslouží také motor 2.0 HDi pro osobní automobily Peugeot a Citroën. Na stokilometrové trati si „vezme“ jen 5,5 l paliva, což znamená oproti původní jednotce 2.1 TD více než 20procentní úsporu. Přitom si přijdou na své i sportovněji založení řidiči, kteří u motorů vybavených systémem Common-Rail ocení relativně vysoký točivý moment motoru dostupný již v pásmu nižších otáček. Všem přitom jistě přijde vhod výrazné snížení vibrací a hlučnosti, charakteristických pro vznětovou „klasiku“. Tyto nedostatky eliminuje z velké části tzv. předvstřik velmi malého
10
množství paliva před hlavní dávkou. Jeho prostřednictvím se teplota ve válcích zvyšuje postupně, a nikoli skokem, což přináší jemné a progresivní spalování. Výsledkem je smazání rozdílů mezi vznětovými a zážehovými motory.“[7]
Obr. č. 1: Schéma systému přímého vstřikování paliva Common Rail: 1 - palivová nádrž 2 - filtr 3 - pomocné čerpadlo 4 - vysokotlaké čerpadlo s regulátorem tlaku 5 - čidlo tlaku 6 - společný zásobník 7 - vstřikovací trysky 8 - elektronická řídicí jednotka [7]
3.2 Nový Common-Rail druhé generace Díky nové technice se dieselové motory svými parametry přiblížily benzinovým agregátům. A tyto technické systémy se stále zdokonalují. Jednu z nejvýznamnějších rolí při prosazení nafty jako paliva i u osobních automobilů (v současné době je podíl „dieselů“ mezi provozovanými osobními automobily odhadován na 35 %) nepochybně sehrály systémy vysokotlakého vstřikování. Jejich zásluhou se i nízkoobjemové motory spalující naftu staly čistšími, dynamičtějšími a ještě hospodárnějšími. V posledních letech se pak prosadil systém vysokotlakého vstřikování Common-Rail, kdy je palivo tlakované ve společném zásobníku možno dávkovat vstřikovacími ventily do jednotlivých válců přesněji. „Dieselové motory dodávané do vozů Ford donedávna tento systém neměly. Od loňského roku však jsou vozy modelové řady Focus vybavovány motory Duratorq TDCi 1,8 litru, které toto zpoždění nejen napravují, ale systém Common-Rail vylepšují některými novinkami. Zatímco doposud měl společný tlakový zásobník tvar duté lišty, vstřikovací soustava motoru Duratorq, kterou pro Ford vyvinula firma Delphi Automotive Systems, má společnou tlakovou komoru válcového tvaru. Palivo je do ní dopravováno přes přítokový ventil od dvoustupňového čerpadla, které ve válcovém zásobníku udržuje tlak nafty na hodnotě 1600 barů, což je víc, než bylo u těchto systémů běžné. Novou konstrukci mají rovněž vstřikovací ventily - oproti doposud obvyklému standardu jsou extrémně tenké (průměr 17 mm je vhodný i pro víceventilové hlavy válců) a mají šest mikroskopických radiálně umístěných otvorů zajišťujících dokonalejší rozprášení a spálení nafty. Vylehčené elektromagneticky ovládané jehly zrychlují reakci na příkazy řídicí jednotky - otevření ventilu trvá pouze 0,3 milisekundy. Je možné ovlivnit hlučnost spalování, kdy hlavnímu vstřiku paliva předchází několik menších vstřiků, a potlačí se tak strmý nárůst tlaku ve válci. Motor Duratorq vyvine výkon 85 kW (115 k) při 3800 otáčkách za minutu a točivý moment 250 N.m při 1850 ot/min. Udávané hodnoty spotřeby (město/mimo město/kombinovaná spotřeba) jsou na motor s tak velkým objemem pozoruhodně nízké: 7,2/4,5/5,5 litru na 100 km.“[8]
11
3.3 Cesty k čistším dieselům Má-li dnes někdo ve svém voze vznětový motor, neznamená to, že by jeho motor byl něčím „méněcenný“ v porovnání se zážehovým. Naopak, v mnohých parametrech svého benzinového „bratra“ předčí. Dnešní vznětové agregáty, které pohánějí osobní vozy všech tříd, mají stejnou hmotnost, nízkou hlučnost a srovnatelný výkon, přičemž si ponechaly své přednosti - hospodárný provoz, spolehlivost a dlouhou životnost. Vozidla s moderními diesely navíc plní přísné limity, které představují jen zlomek emisí povolených na začátku devadesátých let 20. století. Například u pevných částic došlo ke snížení o více než 80 procent, množství oxidů dusíku (NOx) a nespálených uhlovodíků (HC) se snížilo přibližně o 90 procent, množství oxidu uhelnatého (CO) dokonce o 97 procent. Přelom v tomto ohledu znamenalo zavedení nové techniky vysokotlakého vstřikování, svůj podíl na tomto trendu měly techniky jako recirkulace výfukových plynů, přeplňování a zavedení jednoduchých katalyzátorů. V budoucnu se ovšem budou emisní limity dále zpřísňovat - například norma Euro IV, která vstoupí v platnost v roce 2005, požaduje snížení emisí pevných částic na polovinu dnešního množství a rovněž emise HC a NOx čeká redukce téměř o polovinu. Zvlášť u vozidel vyšší třídy již nebudou stačit úpravy na úrovni motoru. Bude nezbytné účinně upravovat i výfukové plyny prostřednictvím účinných filtrů pevných částic a nových katalyzátorů. Podobný trend čeká také užitková vozidla. Současné elektronicky řízené vysokotlaké vstřikovací systémy vznětových motorů umožňují takřka neomezeně upravovat poměr směsi vzduchu a paliva s ohledem na pracovní režim motoru. Technika jako axiální a radiální pístová rotační vstřikovací čerpadla, sdružené vstřikovací jednotky UI (Unit Injector) a zásobníkový systém Common-Rail sleduje jediný cíl: optimalizovat spotřebu paliva, emise a výkon motoru. U současných přeplňovaných vznětových motorů pro osobní automobily je dnes možno dosáhnout maximálního točivého momentu 170 N.m a měrného výkonu 60 kW na 1000 cm3 zdvihového objemu. Jednu z cest, jak snížit emise, představuje zvýšení vstřikovacích tlaků. Ty u sdružených vstřikovacích jednotek UI dosahují 2050 barů, radiální pístové rozdělovací vstřikovací čerpadlo Bosch VP 44 dosahuje na trysce vstřikovacího tlaku asi 2000 barů, sériově vyráběné vstřikovací rampy Common-Rail dosahují maxima 1600 barů, přičemž je pro zavedení do sériové výroby v roce 2004 připravována verze Common-Rail dosahující tlaku 1800 barů. Snížení emisí vznikajících při spalování lze také dosáhnout ještě přesnějším časováním a dávkováním paliva i dokonalejším řízením vstřikovacího procesu. Vzniku bílého a modrého kouře, který provází spouštění studeného motoru, lze zamezit jedním nebo dvěma předvstřiky paliva. Tímto způsobem se také výrazně sníží hluk motoru. Dodatečný vstřik paliva bezprostředně po hlavním vstřiku snižuje kouřové emise a další vstřik pak příznivě působí na regeneraci filtru pevných částic. „Pokud se týče úpravy výfukových plynů u osobních automobilů se vznětovými motory, předpokládá se, že vozy o hmotnosti přibližně do 1400 kg budou moci dosáhnout lepších hodnot, než nařizuje norma Euro IV, i bez úprav výfukových plynů. U osobních automobilů o hmotnosti v rozmezí 1400 až 2000 kg bude nutno instalovat filtry pevných částic, těžší vozidla pak budou muset mít ještě katalyzátor DeNOx. Pro účinné zavedení zmíněného filtru a katalyzátoru je však nezbytné, aby na trhu byl k dispozici dostatek nafty s nízkým obsahem síry, neboť ta nepříznivě ovlivňuje regeneraci filtru pevných částic a snižuje účinnost katalyzátoru DeNOx. Normou Euro IV však cesta nekončí: na rok 2008 se připravuje ještě přísnější norma EURO V. Ke splnění jejích ještě vyšších nároků na čistotu výfukových plynů vznětových motorů vedou dvě cesty: bud' recirkulace výfukových plynů v kombinaci s filtrem pevných 12
částic, nebo katalyzátor SCR, s největší pravděpodobností rovněž doplněný filtrem pevných částic. Katalyzátor SCR pracuje tak, že v něm dochází k reakci oxidů dusíku obsažených ve výfukových plynech se čpavkem. V průběhu vzájemné reakce vznikají voda a dusík. Množství močoviny, z níž se čpavek získává, průběžně řídí elektronická jednotka motoru s ohledem na pracovní režim motoru a katalyzátoru.“[9]
13
4. Zajímavé projekty 4.1 Nevýhody mizí, výhody zůstávají Výrobci hledají výkonnější, úspornější a především ekologičtější automobilové motory. Světlo světa spatřila spousta nových projektů. Slibné výsledky přinesl například vývoj dvoudobého vznětového motoru. Kromě toho se objevují projekty, které počítají s použitím elektromotorů, pohonných jednotek s palivovými články apod. Čas od času se objeví zcela nový princip, jako byl například v sedmdesátých letech spalovací motor s rotačním pístem - tzv. Wankelův motor, který vynikal především velmi výhodným poměrem výkonu a hmotnosti. „Wankel“ se však neprosadil vzhledem k náročnosti na použité materiály a nespolehlivosti. Další možností je kombinace různých systémů klasického pístového spalovacího motoru. V posledním desetiletí minulého století se například objevily funkční prototypy; které spojují princip dvoudobého pracovního cyklu spalovacího motoru s principem čtyřdobého vznětového motoru. Není to nic nového - „dvoudobé diesely“ se například používaly před více než padesáti lety u stavebních strojů v USA. Když se řekne dvoudobý motor, většině lidí se vybaví čadící výfuky Trabantů a Wartburgů, které jsou už dnes na našich silnicích naštěstí spíše raritou. Dvoudobé motory dokonce vyklízejí i své pevné pozice u jednostopých vozidel - a je lhostejné, zda jde o silné motocykly nebo o maloobjemové skútry. Nad výhodami, jako je například jednodušší a levnější konstrukce, převážila stále náročnější ekologická hlediska, kterým klasické „dvoutakty“ nejsou schopny dostát. Naopak vznětové motory jsou na vzestupu - jejich výkon roste, spotřeba klesá - a tak není divu, že v současné době je v západní Evropě „dieselem“ vybaveno každé třetí osobní auto. „Vznětový dvoudobý motor je v mnoha směrech zajímavý. Díky konstrukčnímu řešení a moderní technice se vývojářům podařilo sloučit výhody obou principů a přitom naopak eliminovat jejich nevýhody. Tento typ motoru je na rozdíl od bezventilového zážehového „dvoutaktu“ vybaven výfukovým ventilem v hlavě válce. Motor pracuje tak, že vzduch je nejprve vháněn mechanickým dmychadlem do kanálu obklopujícího válec zhruba v polovině jeho výšky. Z kanálu vedou do válce radiálně umístěné otvory, které píst krátce před dosažením dolní úvrati odkryje. Dochází k plnění válce, kdy tlakový vzduch „vypláchne“ zbytek výfukových plynů, které unikají otevřeným výfukovým ventilem v hlavě válce. Poté se výfukový ventil uzavře, píst jde nahoru, uzavírá sací otvory a stlačuje vzduch. Při vhodném okamžiku okolo horní úvrati pístu dochází ke vstřiku nafty a jejímu vznícení. Při prohořívání směsi, které pokračuje značnou část pohybu pístu za horní úvratí, se posléze otevírá výfukový ventil, plyny unikají výfukovým potrubím ven a tlak ve válci se sníží tak, aby těsně před otevřením sacích kanálů pístem měl stejnou hodnotu, jaká je v sacím potrubí. Systém tlakového mazání je stejný jako u běžných čtyřdobých motorů. Jak je tedy zřejmé, největší výhoda dvoudobého principu (k pracovnímu zdvihu dochází při každém otočení klikového hřídele, a motor proto ve srovnání s „čtyřtaktem“ dává při stejných otáčkách větší výkon) zůstává zachována. Zároveň však toto řešení odstraňuje chronický problém dvoudobých motorů - nedokonalé vyplachování a nutnost mazat pístní skupinu palivovou směsí. K tomu se pak připojuje větší tepelná účinnost, a tedy i nižší produkce emisí; tyto vlastnosti „zdobí“ současné vznětové motory - především jednotky s přímým vstřikem paliva. Kromě již zmíněných Spojených států vyráběl kopie těchto motorů pro stejné určení také bývalý Sovětský svaz. V polovině osmdesátých let 20. století německá firma Zoche vyrobila na stejném principu vzduchem chlazený letecký čtyř- a osmiválec o výkonu 110 kW (150 k), 14
resp. 220 kW (300 k). V druhé polovině devadesátých let, po svém odchodu z firmy Cosworth, vyvinuli britští konstruktéři Mark Wilksch a Martin Long dvoudobý vznětový dvouválec o výkonu 59 kW (80 k). Úspěšně jej vyzkoušeli v lehkém letounu Piper J3 Cub, kde nahradil běžný vzduchem chlazený zážehový čtyřdobý čtyřválec Continental 65 C. Vývojem vznětového tříválcového dvoudobého motoru pro použití v automobilech se v devadesátých letech zabývala také rakouská vývojářská firma AVL LIST. Zatím poslední zprávy hovoří o projektu firmy Daihatsu, která pro své tzv. „třílitrové“ auto, tedy vůz se spotřebou pod tři litry paliva na 100 km, zvolila dvoudobý vznětový tříválec o objemu 987 cm3. Motor má přímý vysokotlaký vstřik paliva systému Common-Rail, přeplňování turbodmychadlem s proměnnou geometrií lopatek a chladičem stlačeného vzduchu. V hlavě každého válce pracují čtyři výfukové titanové ventily s proměnným časováním. Motor s velkou rezervou splňuje emisní limity Euro 3 (produkce CO2 dosahuje 90 g.km-1) při výkonu 45 kW (60 k)/3500 ot/min, točivém momentu 155 N.m/2200 ot/min a kombinované spotřebě 3,4 l/100 km.“[10]
4.2 Jak se dělá „litrový“ automobil V tomto případě litr neznamená objem motoru, ale průměrnou spotřebu paliva na sto kilometrů. Ano, neuvěřitelné se stalo skutkem. „Byl to nepochybně velmi vydařený marketingový nápad, když se odstupující šéf koncernu Volkswagen Ferdinand Piёch rozhodl spojit oficiální předání funkce svému nástupci s jízdou v unikátním prototypu úsporného vozu, který má předpokládanou spotřebu pouze 1 l nafty na 100 km. Tuto pomyslnou laťku pak vůz dokonce překonal, když na 230 km dlouhé trase z Volfsburgu do Hamburku docílil průměrné spotřeby pouhých 0,89 l na 100 km. Přitom se rozhodně „neflákal“, průměrná rychlost jízdy byla 75 km/h. Při konstrukci byl samozřejmě kladen důraz na aerodynamiku. Tvary laminátové karoserie 3,65 m dlouhého, 1,25 m širokého a 1,11 m vysokého prototypu byly pečlivě laděny ve větrném tunelu. Vůz také nemá vnější zpětná zrcátka - jejich funkci přebírá speciální mikrokamera v zádi trupu. Při stavbě se šetřilo každým gramem. Rám karoserie není vyroben z hliníkové slitiny, ale z ještě lehčího magnezia. V zájmu dosažení co nejnižší hmotnosti nebyla karoserie opatřena ani obvyklým lakem. „Litrový“ vůz je poháněn jednoválcovým vznětovým motorem zdvihového objemu 299 cm3 uloženým napříč před zadní nápravou. Nepřeplňovaný diesel je vybaven systémem vysokotlakého přímého vstřikování paliva a při 4000 otáčkách za minutu dává výkon 6,3 kW (8,5 k). I tento skromný výkon propůjčuje jen 290 kg těžkému vozítku překvapující vitalitu maximální rychlost je 120 km/h. Šestistupňová automatizovaná převodovka se ovládá otáčivým knoflíkem na palubní desce. Interiér je jednoduchý, ale plně funkční a poskytuje dost prostoru pro dvě osoby sedící za sebou. Vstup do vozu umožňuje kryt kabiny odklápějící se do strany. Pod samostatným poklopem v zadní části vozidla se ukrývá 0,080 m3 prostoru pro zavazadla. Lehká, šestnáctipalcová litá kola jsou obuta do pneumatik s velmi nízkým valivým odporem. I přes snahu šetřit každým gramem má prototyp bezpečnostní prvky, jako je například ABS, stabilizační systém jízdy ESP či airbag ve volantu.“[11]
15
4.3 Motor na všechny druhy paliva Stirlingův motor (viz Obr. č. 2) „Motor vnějšího spalování (proces spalování probíhá vně válce), u něhož je pracovním médiem vzduch, vynalezl Robert Stirling. Nechal si ho patentovat v roce 1816. Teoreticky by účinnost jeho motoru měla značně přesahovat účinnost motoru tryskového, parního, karburačního i dieselového. Nicméně i po mnoha letech vývoje zůstává koeficient účinnosti Stirlingova motoru velmi nízký. Jeho hlavní výhodou zůstává, že může využívat různé druhy paliva - pevné, kapalné i plynné. K jeho dalším přednostem patří ekonomický, ekologický a tichý provoz, nízká spotřeba oleje a odolnost proti opotřebení. Motor nemá žádné ventily rozvodového ústrojí, což zvyšuje jeho spolehlivost. Jeho základními nedostatky je např. vysoká hmotnost, silné namáhání při otáčkách, nízká schopnost akcelerace, složitá konstrukce a obtížné ovládání a seřizování. Nezanedbatelné jsou také vysoké výrobní náklady. Tento motor nalezl uplatnění především u nákladních automobilů, které jsou vyráběny pro vojenské účely.“[12]
Obr. č. 2 Stirlingův motor [12]
4.4 Proměnný kompresní poměr Čas od času se mezi odborníky objeví názor, že pístový spalovací motor již vyčerpal své možnosti, že již není možné zvyšovat jeho výkon, snižovat spotřebu paliva a zároveň i hodnoty ekologicky škodlivých emisí. „Konstruktérům se však stále daří přicházet s technickými inovacemi, které tyto prognózy popírají. Posledním takovým krokem byl například systém elektronického řízení motoru, přímý vstřik paliva nebo rozvody s proměnným časováním ventilů. Další zajímavou inovaci představila loni na podzim švédská automobilka Saab pod názvem SVC - Saab Variable Compression. Tato nová koncepce motoru umožňuje podstatné snížení spotřeby při zachování výkonu. Kromě již osvědčených technických řešení (mj. vysoký přeplňovací tlak) byla přitom uplatněna jedna zásadní novinka - systém proměnného kompresního poměru. Tento prvek představuje výrazný krok na cestě za ještě efektivnějším využitím energie klasického automobilového paliva. Parametry, které nový systém SVC dosahuje, jsou výmluvné: mj. snížení spotřeby až o 30 procent oproti klasickým nepřeplňovaným motorům, a to při 16
zachování stejného výkonu. Pětiválcový motor SVC, jejž vyvinula firma Saab a jehož objem je 1,6 l, má za normálních podmínek stejnou spotřebu paliva jako běžná „šestnáctistovka“, ovšem disponuje výkonem až třílitrového motoru. Emise oxidu uhličitého se snižují přímo úměrně snížení spotřeby paliva, a co se týká emisí CO, HC a oxidů dusíku, splňuje motor všechny současné i připravované zákonné normy. Základním kamenem pro dosažení těchto parametrů motoru SVC je tedy proměnný kompresní poměr. U konvenčních motorů je jeho hodnota neměnná - je to kompromis mezi požadavky kladenými řadou různých provozních podmínek (jízda ve městě, po dálnici stálou rychlostí nebo naopak rychlý sportovní styl s výraznými změnami otáček). U motoru SVC je možné kompresní poměr všem těmto různým podmínkám optimálně přizpůsobit. A jakým způsobem toho technici dosáhli? Princip je v podstatě velmi prostý. Pomocí hydraulického mechanismu je možné za běhu motoru vychýlit podélnou osu válce až o čtyři stupně. Válec se jakoby „přizvedne“ a zvětší se tak spalovací prostor při horní úvrati pístu (nejvyšší poloha pístu ve válci). Motor SVC se skládá z „pohyblivého“ horního „bloku“ (hlava motoru s integrovanými válci) a z dolního „bloku“ (blok motoru s klikovou hřídelí, ojnicemi a písty). Oproti klasickému motoru jsou tedy válce pevnou součástí hlavy motoru. Tato hlava je pak na jedné straně spojena s dolním „blokem“ jakýmsi čepem, na němž je pak možné pomocí hydraulického mechanismu umístěného na druhé straně vyklonit celou hlavu i s válci a měnit tak objem spalovacího prostoru při horní úvrati v rozmezí poměrů od 14:1 do 8:1. Oba „bloky“ jsou navzájem utěsněny jakýmsi pryžovým měchem. Optimální kompresní poměr je určován řídicím systémem motoru Saab Trionic na základě otáček motoru, zatížení motoru a kvality paliva. Měnitelný kompresní poměr se tedy stal dalším řiditelným parametrem, který v kombinaci s dalšími technologiemi umožňuje mnohem přesnější řízení motoru, a tedy i jeho mnohem vyšší účinnost. Již zmíněný pětiválec SVC s objemem 1,6 l dosáhl následujících parametrů: točivý moment 200 N.m/1000 cm3 a výkon 150 k/1000 cm3. Další výhodou systému je, že umožňuje velký výběr pohonných hmot, kdy kompresní poměr je optimalizován podle typu a kvality paliva. A kdy se tato novinka objeví v automobilech? Předpokládá se, že nejdříve v příštím roce. I ve své poslední verzi, kterou Saab loni představil novinářům v Trollhättanu, je pětiválcový motor Saab SVC 1,6 l stále ve stadiu prototypu a čeká jej další vývoj, než bude možné zahájit jeho sériovou výrobu. Definitivní konstrukce sériového motoru i jeho velikost, výkon a spotřeba budou záviset na mnoha faktorech.“[13]
17
5. Čím a jakým způsobem jezdit 5.1 Konkurs na francouzský způsob Francouzští specialisté vybrali nejúspornější a nejekologičtější automobily. „Nedávno byly ve Francii zveřejněny výsledky výzkumu, který měl v zadání stanovit, který automobil je nejúspornější a nejšetrnější k životnímu prostředí. Výzkum provedla francouzská Agentura ochrany životního prostředí a energetické kontroly. Konečné pořadí bylo stanoveno na základě testování všech typů a značek automobilů, které se prodávají ve Francii (celkem šlo o 3643 vozidel). V kategorii „benzin-plyn“ se dostal do čela na první pohled nevzhledný Smart. Toto autíčko spotřebuje během stokilometrové jízdy jen necelých šest litrů benzinu a na každý kilometr jízdy vyloučí do ovzduší pouhých 118 gramů škodlivin. Přitom, jak poznamenávají odborníci, se tento velmi dobře ovladatelný automobil dá díky svým rozměrům lehce zaparkovat prakticky všude, což je v současném provozu, kdy jsou ulice všech evropských měst doslova přecpány osobními automobily, vlastnost doslova k nezaplacení. Je přitom pozoruhodné, že japonský hybrid Toyota Prius provozovaný na benzin a elektrickou energii se umístil až na druhém místě. Další pozice zaujaly vozy Opel Corsa, Renault Clio, Fiat Punto, Suzuki Swift, Toyota Yaris... V kategorii „diesel“ po pečlivém zvážení všech kladů a záporů bezpečně zvítězil model VW Lupo 3 L, který se spokojí s pouhými třemi litry paliva na stokilometrovou vzdálenost, přičemž zplodiny jeho motoru „obohatí“ životní prostředí pouze o 81 gramů emisí na každý ujetý kilometr. Vynikající ekologické charakteristiky prokázaly i dieselové vozy Smart, Peugeot 206 a Renault Clio. Podle údajů francouzských ekologů se dnes automobilová doprava podílí celou čtvrtinou na celkové produkci všech plynů, které se dostávají do atmosféry a způsobují tzv. skleníkový efekt. Hlavním úkolem při zamezení tomuto jevu, který způsobuje oteplování zemské atmosféry, se podle jejich názoru musí stát všestranné zlepšení ekologických parametrů především těch automobilů, které přepravují pouze jednotlivé osoby. Na základě požadavků francouzských ekologů Evropská asociace výrobců automobilů vyhlásila, že do roku 2008 budou jedovaté emise vyráběných automobilů sníženy o 25 % oproti roku 1995. To znamená, že místo 186 gramů škodlivých emisí na jeden kilometr budou běžně prodávané osobní automobily během šesti let produkovat pouze 140 gramů škodlivých látek na jeden ujetý kilometr. Dodejme, že soutěž o nejekologičtější a nejúspornější automobil naprosto neměla formální charakter. Rozhodně se neuskutečnila proto, aby si někdo mohl jen odškrtnout splněný úkol. Všechny údaje získané po shrnutí výsledků byly shromážděny do sborníku, který vyšel ve stotisícovém nákladu a byl poté rozeslán všem francouzským firmám zabývajícím se prodejem automobilů. Tyto firmy pak musí na základě zvláštní direktivy Evropské unie po obdržení sborníku povinně umístit na viditelné místo ve svých prodejnách ekologické charakteristiky všech modelů, které prodávají.“[14]
18
5.2 Úsporná jízda „Stále nepříjemnější růst cen pohonných hmot opět vzbudil zájem o jejich co nejefektivnější využití. Jedním z nejdostupnějších způsobů, jak ušetřit cenné palivo, je citlivá práce s pedálem akcelerátoru, spojkou a řadicí pákou. Odborníci se shodují, že nejekonomičtější spotřebu vykazuje motor při rychlostech od devadesáti do sto dvaceti kilometrů. Samozřejmě by měl být zařazen nejvyšší rychlostní stupeň a ručička otáčkoměru by se měla pohybovat mezi třemi až čtyřmi tisíci otáček za minutu. Důležité je rovněž včasné řazení: spotřeba stoupá, pokud se již auto rozjelo a vy stále váháte zařadit vyšší rychlostní stupeň. Rovněž se nedoporučuje motor „dusit“ v nízké rychlosti při zařazeném vysokém stupni. Že s pedálem akcelerátoru zacházíme velmi citlivě a zbytečně prudce nepřidáváme plyn, snad není třeba připomínat. Doslova bumbrlíčkem se pak náš vůz stává při popojíždění v městských zácpách nebo při krátkých jízdách do pěti až deseti kilometrů.“[15]
5.3 Jezdit hlavou a mít lehkou nohu S tím, jak se zvedla průměrná cena pohonných hmot, rozšířil se okruh motoristů, kteří se zajímají, jak snížit spotřebu paliva u svého vozidla. „Spotřebu paliva ovlivňují dva faktory: za prvé technický stav automobilu a za druhé způsob jízdy řidiče. Technický stav vozu můžeme ovlivnit jeho dobrou údržbou, která zaručí optimální stav motoru (správné seřízení běhu motoru, předepsané kompresní tlaky, vhodný olej, předepsané zapalovací svíčky), ale také správné seřízení geometrie či brzd, nahuštění pneumatik a podobně. Toto se týká hlavně vozů starších, protože o nové vozy se již starají značkové servisy i v pozáruční době - už jen vzhledem k tomu, že do elektronických systémů, které ovlivňují provoz auta, není možné zasahovat svépomocí. Spotřebu paliva nejvíce ovlivňuje způsob jízdy. Samozřejmě těžko můžeme jet úsporně, pokud jsme přinuceni plížit se mezi výmoly na nekvalitní silnici, nebo když se dostaneme do pasti spletitých objížděk, kterými nás častují naši silničáři. Na nás ale záleží, zda pojedeme bez prudkých rozjezdů s následným prudkým bržděním. Také je důležité řadit jednotlivé rychlostní stupně při optimálních otáčkách motoru. Jak z hlediska spotřeby paliva, tak i z hlediska jízdní pohody a bezpečnosti je optimální jízda vláčná, přizpůsobená rychlosti kolony ostatních vozidel, jízda nepřekračující možnosti automobilu a respektující dopravní předpisy. Někdy se podobný způsob řízení také označuje jako jízda defenzivní, tedy neagresivní, nenásilná, při které se řidič snaží předvídat reakce ostatních účastníků provozu. Že je možné snížit spotřebu pouze stylem řízení, to přesvědčivě dokládají výsledky různých soutěží úsporné jízdy (tzv. Economy Run), kde při poměrně vysokém rychlostním průměru vozy dosahují spotřeby nejméně o třetinu menší než obvykle. Význam lidského faktoru potvrdily i testy, kdy stejnou trasu při stejném počasí, hustotě provozu a ve stejném vozidle absolvovalo za stejný čas několik řidičů různé mentality a různých řidičských zkušeností. Největší rozdíl činil v přepočtu až dva litry na 100 km! Zkrátka nic nového: chce to, jak se říká jezdit hlavou a mít lehkou nohu na plynu i brzdě.“[16]
19
5.4 Rekordmanův kurz úsporné jízdy Třicet let bez zaviněné nehody a šest milionů kilometrů najetých v tvrdém testovacím režimu to je nepochybně reprezentativní vizitka. „Může se jí pochlubit specialista na vytrvalostní jízdy, rakouský novinář Gerhard Plattner. Na svém kontě má mj. rekord v nejhospodárnější jízdě kolem světa (3,7 l/100 km). Nedávno absolvoval jízdu Evropou, během níž měl s vozem Volkswagen Golf GTI 4Motion v průběhu 25 dní najet 25 tisíc km. Při této jízdě se zastavil i v Praze, kde se ochotně podělil o své poznatky, jak jezdit úsporně. Za nejdůležitější pro hospodárnou a bezpečnou jízdu považuje umění předvídat. Především na trasách, které řidič dobře zná, může s předstihem přizpůsobit jízdu tak, aby vozidlo „splývalo“ - to znamená nebránit mu zbytečně v „rozletu“, ale ani zbytečně nezrychlovat. Tento styl doporučuje cvičit při jízdách ve městě. „Například z dálky vidím, že na semaforu svítí zelená. Ta tam samozřejmě nemůže vydržet, než ke křižovatce dojedu. Proto už nezrychluji, ale podle okolností dám nohu z plynu, nebo na neutrál „doplachtím“ k semaforu, kde již naskočila červená,“ prozrazuje rakouský novinář. Zajímavé je, že při jízdě z kopce nedoporučuje zařadit neutrál - především na neznámých úsecích a na kluzké vozovce. A zcela zavrhuje vypínání motoru - nejen že si méně zkušený řidič může takto zamknout volant, ale bez běžícího motoru přestává fungovat přetlakový posilovač řízení i brzd. Kritické z hlediska spotřeby jsou rozjezdy - lze přitom zkusit „přeskakování rychlostních stupňů“, což umožňuje příznivý průběh točivého momentu současných motorů. „Běžně řadím 1 - 3 - 5. Samozřejmě když cítím, že to motor nezvládá, okamžitě řadím nižší stupeň,“ radí zkušený řidič. Při jízdě do kopce závisí řazení na typu motoru. Zejména moderní vysokootáčkové maloobsahové zážehové motory mají optimální spotřebu v rozmezí mezi 2000 a 3000 ot/min. Rozhodně jim neprospívá „dotahování" kopců na vyšší rychlostní stupně, kdy se motor „dusí“ při prakticky volnoběžných otáčkách. Je tedy lépe včas podřadit a vyjet s lehkou nohou na plynu s přiměřeně roztočeným motorem. Diesely naopak „dotahování“ kopců dovolují, neboť i v nejnižších otáčkách při plně sešlápnutém „plynu“ mají nejmenší spotřebu. „Samozřejmě i v tomto případě je nutné hlídat mez, pod kterou se podtočený motor už začíná trápit,“ uzavírá minikurz úsporné jízdy G. Plattner.“[17]
20
6. Závěr Tato práce pojednává o technických novinkách, které napomáhají lepšímu spálení paliva ve válci motoru, což má pozitivní dopad na vyšší výkon při menší spotřebě a menší produkci škodlivin. Tím ovšem „péče“ o škodliviny samozřejmě nekončí. Různé katalyzátory, filtry pevných částic, sondy „lambda“ apod., mají za úkol snížit množství skutečně vypouštěných škodlivých látek do ovzduší na minimum, ale popsat principy těchto systémů by vystačilo na další takovou práci. Asi se shodneme v tom, že úplně nejideálnější by bylo přejít z klasických paliv (vyráběných z ropy) na alternativní, protože ta vykazují mnohem menší škodlivé emise nebo dokonce zcela neškodné produkty. Vědci na těchto pohonech a palivech pracují a vzhledem k omezeným zásobám ropy bude lidstvo stejně časem přinuceno přejít na tyto „čisté“ technologie. Zatím se prosazují pomalu, protože jejich zavádění je většinou nákladné a všechny problémy s nimi spojené nejsou zatím vyřešeny. Vzhledem k tomu, že v současnosti stále jezdíme nejčastěji na benzin, naftu či plyn, je tato práce zaměřena právě na tuto oblast. Je potěšitelné, že vývoj motorů jde cestou k vyšší ochraně životního prostředí. A navíc každý z nás, komu alespoň trochu záleží na přírodě a přitom se nechce (nebo nemůže) obejít bez automobilu, může svým stylem jízdy významně ovlivnit jeho spotřebu (a tím i množství emisí).
21
Použité informační zdroje [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
JAROLÍM, J. Karburátorům již odzvonilo. AUTOHIT, 2000, roč. 1, č. 20, s. 26. ODEHNAL, Z. Když jde benzin přímo do válce. AUTOHIT, 2000, roč. 1, č. 21, s.46. MALÝ, J. Čistší a účinnější motory. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 12, s. 34. MALÝ, J. Více výkonu za méně paliva. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 25, s. 46. MALÝ, J. Vyšší výkon i větší úspora paliva. AUTOHIT, 2002, roč. 3, č. 11, s. 39. LASÍK, J. Nové systémy vstřikování plynu. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 5, s. 34. RŮŽEK, M. Nová kvalita pro diesely. AUTOHIT, 2000, roč. 1, č. 7, s. 28. RŮŽEK, M. Nový Common-Rail druhé generace. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 16, s. 31. [9] MALÝ, J., CEDRYCH, M. Cesty k čistším dieselům. AUTOHIT, 2002, roč. 3, č. 2, s. 38. [10] MALÝ, J., CEDRYCH, M. Nevýhody mizí, výhody zůstávají. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 19, s. 28. [11] MALÝ, J. Jak se dělá „litrový“ automobil. AUTOHIT, 2002, roč. 3, č. 11, s. 39. [12] JAROLÍM, J. Motor na všechny druhy paliva. AUTOHIT, 2000, roč. 1, č. 8, s. 37. [13] LASÍK, J. Proměnný kompresní poměr. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 6, s. 32. [14] MALÝ, J., MATYS, V. Konkurs na francouzský způsob. AUTOHIT, 2002, roč. 3, č. 12, s. 30. [15] MALÝ, J. Úsporná jízda. AUTOHIT, 2000, roč. 1, č. 21, s. 46. [16] MALÝ, J. Jezdit hlavou a mít lehkou nohu. AUTOHIT, 2001, roč. 2, č. 17, s. 27. [17] NEDVĚD, J., MALÝ, J. Rekordmanův kurz úsporné jízdy. AUTOHIT, 2002, roč. 3, č. 7, s. 41.
22
