červen 2007 RF 70406-d Kl
Pohon automobilů v budoucnosti nižší obsah škodlivých emisí, alternativní pohony a obnovitelná paliva
Dr. Rolf Leonhard Ředitel divize vývoje systémů vznětových motorů Robert Bosch GmbH
Přednáška na 58. mezinárodnímu kolokviu motoristického tisku Červen 2007 v Boxbergu
Robert Bosch GmbH Postfach 10 60 50 70049 Stuttgart Corporate Communications E-Mail
[email protected] Telefon: +49 711 811-7088 Telefax: +49 711 811-7656 Leitung: Uta-Micaela Dürig Presse-Forum: www.bosch-presse.de
Vážené dámy, vážení pánové. Jak bude vypadat pohon automobilů v budoucnosti – za pět, deset a 20 let? Odpovědi na tuto otázku mají pro firmu Bosch elementární význam. Již více než 100 let se rozhodujícím způsobem podílíme na vývoji automobilů. Z toho také vyplynuly naše velké expertní znalosti. Na 62 procentech obratu skupiny Bosch v roce 2006 se podílela automobilová technika. Ruku v ruce s tím jdou naše investice do výzkumu a vývoje techniky pohonu pro budoucnost. Teprve nedávno se na veřejnost dostaly diskuse týkající se změny klimatu a emisí CO2. Tématem jsou tedy emise CO2, ochrana klimatu i životního prostředí nebo ubývající zásoby fosilních zdrojů energií – a ve středu pozornosti je přitom role automobilu. Bosch se však těmito nyní aktuálními otázkami zaobírá již dlouhou dobu. Již dnes máme připravena řešení pro přicházející výzvy a koncentrujeme velké síly na to, abychom nalezli odpovědi na nevyřešené otázky. Spalovací motor má ještě řadu vývojových potenciálů Snažíme se o ideál mobility bez škodlivých látek. Přesto však již dnes víme: I za 20 let bude spalovací motor pro automobil stále ještě pohonem na prvním místě. Má totiž ještě vysoký vývojový potenciál. Přesto však již existuje důležitý rozdíl: Vedle benzínu a nafty bude jako palivo existovat ještě řada dalších alternativ. Alternativní pohony se také budou ve stále rostoucí míře prosazovat na menších segmentech trhu. Jak tedy vypadá náš jízdní řád na příštích 20 let? Pracujeme na evoluci ve čtyřech směrech:
Naši vývojoví pracovníci objevují stále ještě nevyčerpané potenciály spalovacích motorů. To platí stejnou měrou i pro vznětové a zážehové motory.
2 von 12
Nové techniky pro spalovací motory jsou základem pro využití alternativních paliv. Ta budou vyráběna synteticky nebo z obnovitelných surovin. V této oblasti táhnou všichni zúčastnění za jeden provaz: My jako dodavatel, vývojáři motorů, ropný průmysl.
S hybridními koncepcemi a inteligentní technikou všeho kolem hnacího ústrojí se automobily a spalovací motory stávají stále čistějšími a úspornějšími.
Po řadě vývojových kroků zahrnujících přechodné technologie vidíme alternativně ke spalovacím motorům rostoucí šance pro elektrický pohon využívající jako zdroj energie palivové články.
Technika vznětových motorů zralá pro trhy v USA a Asii Kam nyní vložit páky pro zvednutí tohoto potenciálu? Podívejme se nejprve na spalovací motor a zde konkrétně na vznětové motory: Moderní vznětové motory s přímým vstřikem mají spotřebu o 30 procent nižší oproti porovnatelným konvenčním zážehovým motorům se vstřikováním do sacího traktu. Emise CO2 jsou nižší přibližně o 25 procent. Vznětové motory jsou tedy svojí efektivitou využití energie nejekologičtějším pohonem automobilů. Proto budeme tedy činit vše, abychom po úspěchu v Evropě napomohli vznětovým motorům dosáhnout průlom také v Severní Americe a Asii. Oblast vznětových motorů v současnosti automobilový průmysl dobře zvládá. Na jedné straně redukujeme díky optimální technice vstřikování „surové emise“ motoru – tedy emise před jejich následným zpracováním ve výfukovém traktu. Na druhé straně snižují částečkové filtry emise sazí tak, aby mohly být dosaženy i v budoucnosti daleko přísnější hranice škodlivých emisí. Od roku 2009 budeme mít v našem produktovém portfoliu novou generaci částečkových filtrů pro vznětové motory. Díly pro techniku vznětových
3 von 12
motorů i příslušné následné zpracování spalin mohou být od jediného dodavatele – s oběma částmi vzájemně optimálně přizpůsobenými. Vývojovým úkolem pro nás jsou emise oxidů dusíku neboli NOx. V USA jsou mezní hodnoty NOx již dnes velmi přísné. V příštím roce vejde v platnost zpřísnění z BIN 8 na BIN 5. S tím rostou také výzvy pro naše vývojáře: Místo 200 miligramů oxidů dusíku na míli bude povoleno pouze 70 miligramů. Při přepočtu na jeden kilometr je to místo přibližně 124 miligramů pouze přibližně 43 miligramů. Také v Evropě klesají přípustné mezní hodnoty NOx a to po krocích: Nejprve v roce 2009 platnou normou Euro-5 ze současných 250 miligramů na kilometr na 180 miligramů. S Euro 6 bude od roku 2014 povoleno pouze 80 miligramů. Současná mezní hodnota se tedy sníží o 70 procent – na pouhé jedno procento toho, co bylo povoleno před 30 lety.
4 von 12
Technická řešení pro přísné emisní limity Pro naše vývojáře je však již dnes zřejmé: I pro nejnáročnější mezní hodnoty budeme mít ve správný okamžik k dispozici potřebná technická řešení. To se nám daří díky využití cílených interních opatření v rámci motoru, která dokáží dále optimalizovat proces spalování, zvláště díky
vyšším plnicím tlakům turbodmychadla při současně vyšší recirkulaci spalin v oblasti dílčího zatížení,
o více než 500 barů vyššími vstřikovacími tlaky v oblasti částečného zatížení a
ještě flexibilnějším průběhem vstřikování s až osmi vstřiky na jeden pracovní takt.
Tato technická řešení se již mimořádně osvědčila v oblasti motorů pro užitková vozidla. Došlo k podstatnému snížení emisí NOx a emisí částeček ve všech stavech zatížení. Tyto silné stránky tedy budeme přenášet také do oblasti vznětových motorů pro osobní vozidla. Již dnes otvíráme s novými technikami další potenciály pro úsporu. Vývojáři nyní mohou své motory konstruovat menší, aniž by museli snižovat výkon či krouticí moment. Mluví o tom jako o „Downsizing“ (zmenšování velikosti). Nižší zdvihový objem, menší počet válců zajišťují nižší ztráty způsobené třením a tedy lepší účinnost. Při stejném krouticím momentu zajistí i o 25 procent nižší zdvihový objem o přibližně deset procent nižší spotřebu paliva. A nižší spotřeba zajistí nižší podíl CO2. K tomuto vývoji přispíváme dvěma inovacemi: Jednak Piezovstřikovači pro vstřikovací tlaky až 2 000 barů. Kromě toho také nabízíme optimalizované vstřikovače s elektromagnetickými ventily. Ty jsou stejně výkonné jako Piezo-vstřikovače a koncepčně jsou dokonce vhodné pro vstřikovací tlaky přesahující 2 000 barů.
5 von 12
V této oblasti tlaku nad 2000 barů vyčnívá naše nové čerpadlo Common-Rail Bosch CP4. Verzi s tlakem do 1 800 barů vyrábíme již od roku 2006 sériově. Variantu 2000 barů uvedeme na trh v tomto roce. Toto čerpadlo je konstruováno na nejvyšší hydraulickou účinnost. Podporuje spalovací postupy s velmi vysokými vstřikovacími tlaky již u středních otáček a zatížení. Řada osobních vozidel se vznětovými motory s touto technikou vstřikování bude schopna dodržet od roku 2014 mezní hodnoty dle Euro-6 i bez následného zpracování emisí z hlediska NOx. Pro těžší automobily a pro ještě přísnější americké mezní hodnoty je však stále ještě nezbytné emise z hlediska Nox dále zpracovat. Proto dále intenzivně pracujeme na dalším vývoji vstřikovacích systémů, stejně jako na vývoji systémů a komponentů pro následné úpravy spalin. Denoxtronic pro redukci oxidů dusíku Zde využíváme naše know-how ze sektoru užitkových vozidel. Mimořádně se nám osvědčil Bosch Denoxtronic pro redukci oxidů dusíku, který jsme představili již v roce 2004. Tento systém vstřikuje kapalnou močovinu – známou jako Adblue – do výfukového traktu. V následném katalyzátoru SCR – Selective Catalytic Reduction – reaguje Adblue s oxidy dusíku ve spalinách a vzniká neškodná vodní pára a dusík. S tímto systémem dosahují výrobci užitkových vozidel v současnosti stupně přeměny NOx více než 80 procent. Alternativně ke katalyzátorům NOx přizpůsobujeme současnou techniku Denoxtronic pro požadavky osobních vozidel. Tyto nové systémy by se v příštích letech měly poprvé objevit na trhu v USA, když zde budou Audi, BMW, Mercedes a Volkswagen zavádět svá vozidla Clean-Diesel (čistý diesel) s jednotkami Denoxtronic firmy Bosch.
6 von 12
Pro budoucí vznětové motory má však Bosch připravenu ještě další novinku: Jako alternativa k současným částečkovým filtrům z karbidu křemíku vyvíjíme ve spolupráci s firmou Denso filtr z keramiky Cordierit. Tento materiál se již osvědčil katalyzátorech a má řadu výhod. S naším filtrem se snižuje nevyhnutelné zvýšení spotřeby paliva. Navíc lze také filtr vyrábět se značně nižšími náklady. Vyvíjíme novou generaci filtrů pro sériové použití od roku 2009 – včas pro očekávaný růst poptávky v důsledku zpřísněných emisních limitů. Vážené dámy a vážení pánové, vznětové motory budou i dále hrát důležitou roli v omezování emisí CO2 vyvolaných provozem vozidel. S naší novou technikou pro vznětové motory lze splnit i ty nejpřísnější emisní limity. Důležitý příspěvek však přinášejí i zážehové motory. Také zde je klíčovou technikou přímé vstřikování, aby bylo možné dosáhnout snížení spotřeby paliva a dalšího snižování emisí CO2. Zážehové motory se učí od vznětových První zážehové motory s přímým vstřikem a s vrstveným plněním a až na dno stlačeným spalováním chudé směsi přinesli automobiloví výrobci na trh již před deseti lety. Průlom se však zdařil technice přímého vstřikování teprve v kombinaci s přeplňováním, které se dostalo do sériové výroby poprvé v roce 2004. Motory podle této koncepce dosahují již při nízkých otáčkách vysokých krouticích momentů 150 až 200 Newton metrů na litr zdvihového objemu a spojují tak požadovanou dynamiku jízdy se značně sníženou spotřebou paliva. Motory pracují s homogenním spalováním a proto tedy nepotřebují katalyzátory NOx. Technickým základem se stala druhá generace našeho přímého vstřikování pro zážehové motory s názvem DI-Motronic. Pro vývojáře motoru flexibilně tvarované víceotvorové vstřikovací ventily, na 150 barů zvýšený vstřikovací tlak a kompaktní jednoválcová 7 von 12
vysokotlaká čerpadla jsou důležitými charakteristikami tohoto systému. Přímé vstřikování u zážehových motorů jako základ pro Downsizing S naším přímým vstřikováním druhé generace, DI-Motronic, jsme vyvinuli řešení, kde i při nízkých otáčkách dostaneme větší množství vzduchu do válců a tím vytvoříme vyšší krouticí moment - tak zvaný Scavenging (výplach motoru). Systém DI-Motronic přitom ovládá sací a výfukové ventily tak, že po určitou dobu zůstanou současně otevřeny: Ve spalovacím prostoru tak vznikne „průvan“ a tím také lepší plnění válce čerstvým vzduchem. Teprve když DI-Motronic opět uzavře ventily, je přímo vstříknuto palivo. Do výfukového potrubí se nedostane žádné palivo, sníží se emise škodlivých látek. Ve spojení s redukovaným zdvihovým objemem zajišťuje tato technika o 10 – 12 procent nižší emise CO2. Nové zážehové motory dokonce překonávají i nejpřísnější americké mezní hodnoty pro emise podle „Super Ultra Low Emission Vehicles“. Dokonce dosahují i očekávanou úsporu z hlediska spotřeby. Proto vidíme v USA velké šance pro přímé vstřikování u zážehových motorů a s tím i dobré možnosti růstu prodeje. V roce 2006 mělo přímé vstřikování u zážehových motorů na trhu NAFTA podíl méně než jedno procento, pro rok 2015 zde očekáváme více než 10 procent. Současně se 150barovými víceotvorovými vstřikovacími ventily prezentujeme v roce 2006 jako první dodavatel v Mercedes CLS 350 CGI 200barový Piezo-vstřikovací ventil s tryskou otvíranou směrem ven. Tento vstřikovací ventil umožní výrobcům motorů novou „rozprašovaným paprskem řízenou metodu spalování“ v oblasti částečného zatížení. Oproti konvenčnímu vstřikování do sacího traktu znamená tato metoda o 15 procent nižší spotřebu a emise CO2. Piezo-technika je však velmi nákladná. Proto již naši inženýři pracují 8 von 12
na jiných řešeních. Cílem je dosáhnout paprskem řízenou metodu spalování a režim Flex-Fuel – tedy střídavý provoz s benzínem, alkoholem nebo zemním plynem - s elektromagnetickým ventilem řízeným víceotvorovými vstřikovacími ventily. Vážené dámy a pánové, alternativně k obvyklým palivům budeme redukovat závislost na dovozu ropy, budeme tedy šetrní k zásobám ropy a současně se budeme snažit zlepšovat bilanci v oblasti CO2. Ale pouze tehdy, když zohledníme celý řetězec přípravy od výroby paliva až po provoz ve vozidlech – „Well-to-Wheel“, od zdroje až na kola. Budeme-li například využívat jako surovinu zemní plyn, vznikne potenciál úspory CO2 až 25 procent. Redukce emisí CO2 alternativně k benzínu a naftě Ještě lepší hodnoty dosahujeme s biologickými palivy. U biologických paliv první generace, u kterých byly zpracovávány pouze rostlinné produkty, dosahujeme již dnes snížení emisí až o 70 procent CO2. Snížení až o 90 procent emisí CO2 dosahují biologická paliva druhé generace. U nich se stává celá rostlina biologickým palivem zpracovávaným na etanol nebo syntetickou bionaftu. Máme k dispozici kompletní techniky vstřikování pro řadu alternativních paliv – ať se jedná o Compressed Natural Gas (CNG), tedy zkapalněný plyn, nebo o benzín s vysokým podílem etanolu, například E85 nebo Flex-Fuel. V Brazílii jsou již dnes ve velkém objemu prodávána osobní vozidla s naší technikou vstřikování FlexFuel. Tato vozidla pracují jak s benzínem, tak také s etanolem. V Evropě se na druhé straně směšuje běžná nafta se stále rostoucím podílem bionafty a syntetické nafty vyráběné ze zemního plynu. U benzínu se přidává jako biologické palivo etanol. Tím se snižují emise CO2 nejen u nových vozidel s odpovídající modifikovanou technikou, ale také u starších automobilů. 9 von 12
Řízené pomocné systémy zajišťují efektivní využití energie Důležitou změnu zažije hnací trakt u elektricky poháněných pomocných systémů. Zde sledujeme s našimi vývojáři každé procento zisku účinnosti, které tak lze ušetřit. Příkladem je náš nový systém start/stop. Ten vypíná spalovací motor při zastavení vozidla v dopravní zácpě nebo při červené na křižovatce. I když řidič sešlápne spojku pro zařazení rychlosti, tak systém automaticky spustí motor. Elektronika zajišťuje, aby se řidiči nesnížil komfort, aby se uspořilo palivo a snížily emise CO2. Podle vozidla lze dosáhnout v městském provozu úspory až osm procent. Tento systém byl poprvé sériově použit u BMW řady 1. Ve středu pozornosti našich vývojářů je také účinnost generátorů, tedy alternátorů. S optimalizovanými generátory Bosch lze snížení spotřebu o jedno až dvě procenta. Díky inteligentnímu zásahu do regulace generátoru využíváme při brzdění část energie pro nabíjení akumulátorů. Tím lze snížit spotřebu i množství emisí o dvě až tři procenta. Hybridní koncepce na míru pro dopravu v metropolích Čtvrtý velký potenciál pro redukci CO2 dosahujeme našimi hybridními koncepcemi. V porovnání s konvenčními zážehovými motory lze s benzínovým hybridem uspořit skoro 25 procent emisí, s dieselovým hybridem až 40 procent. Úspěch u těchto koncepcí závisí na různých faktorech. Rozhodující jsou
instalovaný elektrický hnací výkon,
druh provedení – paralelní nebo s rozložením výkonu –
jakož i – a to musíme zvláště zdůraznit – účinnost spalovacího motoru.
10 von 12
Rozhodující pro úspěch těchto koncepcí je akceptace u kupujících automobilů. Zde nabízí nejvíce hybrid Strong. Elektrický pohon má dostatečný výkon, aby bylo možné na krátké vzdálenosti jezdit pouze elektricky. Tato koncepce přesvědčí také mohutnou podporou spalovacího motoru pro provoz Stop&Go v metropolích. Bosch se již více než 30 let zabývá elektrickými pohony. Proto jsme velmi dobře připraveni našimi systémovými řešeními a řešeními jednotlivých komponentů. V příštích letech se předpokládají dodávky hybridní techniky pro první použití ve vozidlech jako Volkswagen, Audi a Porsche. Naše vize pro budoucnost nejvíce favorizují automobilové palivové články jako převodníky energie. S regenerativně vyráběným vodíkem jako palivem a s elektromotory pro elektrický pohon se dostáváme nejblíže k vizím automobilového pohonu bez jakýchkoliv škodlivých emisí. Našim vývojářům však v cestě stále ještě stojí technologické překážky při výrobě vodíku, při očekávané životnosti palivových článků nebo při ukládání vodíku. Palivové články zůstanou v příštích 20 letech pouze malými zlomky trhu a nedokáží ještě nahradit spalovací motor v jeho řadě variant. Naši vývojáři však přesto na tomto tématu pracují a jsou již schopni dodávat komponenty pro prototypy vozidel s palivovými články. Vážené dámy a pánové, díky našemu portfoliu existujících technik pro všechny druhy pohonů a díky všem vývojovým projektům pro optimalizaci spotřeby paliva a redukci CO2 jsme dobře připraveni pro budoucí vývoj na automobilovém trhu. Spalovací motor se zlepšeným systémem přímého vstřikování zůstává pro dobu do roku 2020 dominantním pohonem pro automobily. Výrobci automobilů a jejich dodavatelé však budou 11 von 12
využívat velké úsilí pro další zvyšování energetické účinnosti hnacího traktu a pro snižování emisí CO2. S dalším pravděpodobným technickým vývojem se automobilovému průmyslu podaří zvládnout i budoucí zpřísnění mezních hodnot pro emise. Alternativní pohony jako hybrid budou u určitých profilů jízdy podstatně přispívat ke snižování CO2. Přídavně zajistíme technické předpoklady pro spalovací motory, aby mohly zpracovávat alternativní paliva, zvláště biopaliva z pěstovaných surovin, které zlepšují bilanci CO2. Děkuji za vaši pozornost.
12 von 12
