Červen 2011 RF 00116 Kl/SL
Snižování emisí CO2 optimalizací spalovacích motorů
Dr. Rolf Leonhard, Executive Vice President Engineering, Diesel Systems, Robert Bosch GmbH
Přednáška k 60. mezinárodnímu kolokviu pro motoristický tisk
Boxberg, červen 2011
Platí mluvené slovo. Robert Bosch GmbH Postfach 10 60 50 70049 Stuttgart Corporate Communications E-Mail
[email protected] Telefon: +49 711 811-7088 Telefax: +49 711 811-266055 Leitung: Uta-Micaela Dürig Presse-Forum: www.bosch-presse.de
Vážené dámy, vážení pánové,
spalovací motor bude hrát rozhodující roli při zajišťování individuální mobility i v budoucnosti a bude muset výrazným dílem přispívat k ochraně světového klimatu a našich omezených zásob fosilních zdrojů energie. Takový je klíčový závěr z výsledků našich průzkumů trhu a tento pohled sdílejí také externí specialisté na vývoj globálního automobilového trhu.
Naše prognózy naznačují, že v roce 2020 dosáhne světový trh ročního objemu 104 milionů osobních a lehkých užitkových vozidel. Z toho budou jen tři miliony vozidel vybaveny čistě elektrickým pohonem nebo hybridním systémem s vnějším dobíjením. Šest milionů vozidel bude mít hybridní pohon se spalovacím motorem a elektromotorem. Jinými slovy očekáváme, že v roce 2020 přijde na trh dobrých 100 milionů nových vozidel se spalovacím motorem.
Naše prognózy také ukazují, že v roce 2020 bude v porovnání s loňskými 71 miliony vozidly prodáno o 30 milionů víc nových automobilů poháněných spalovacím motorem. Trh vozidel se spalovacím motorem tedy v následujících deseti letech vzroste o dobrých 40 %.
Jak bude možné při takovém vývoji dosáhnout společenských cílů ochrany životního prostředí a šetrného využívání fosilních zdrojů energie? K odpovědi se lze dopracovat snadno. Přínos elektromobilů a hybridů s vnějším dobíjením ke snížení emisí CO2 bude odpovídat jejich předpokládanému 3% tržnímu podílu. Rozhodující bude tedy příspěvek 97 % nových vozidel poháněných spalovacím motorem. V následujících deseti letech se budou po celém světě dále zpřísňovat cílové hodnoty emisí CO2, a s tím poroste i tlak na konstruktéry. V současnosti jsou v mnoha zemích po celém světě stanoveny limity emisí CO2 jako dobrovolný závazek nebo legislativní požadavek. V Evropě měl v roce 2009 průměrný osobní vůz emise oxidu uhličitého 146 gramů na 2z9
kilometr. Evropská komise stanovila členským státům cíl snížit do roku 2015 tyto emise o jedenáct procent na 130 gramů. Do roku 2020 má být dosaženo dalšího snížení o 35 procent na cílovou hodnotu 95 gramů CO2. Evropská komise dále požaduje, aby v roce 2025 mělo průměrné nové vozidlo emise CO2 ve výši 70 gramů na kilometr, což odpovídá průměrné spotřebě tři litry benzinu nebo 2,6 litru nafty na 100 kilometrů. To představuje snížení o dobrých 50 procent oproti současným průměrným hodnotám. V přepočtu to je pro zážehové motory 78 mil na americký galon benzinu nebo pro vznětové motory 90 mil na americký galon nafty. Také pro lehká užitková vozidla s celkovou hmotností do 3,5 t definovala Evropská komise cílové hodnoty pro rok 2020. Požadovaných 147 gramů CO2 na kilometr odpovídá snížení přibližně o 30 procent.
V závislosti na místních podmínkách sází jednotlivé trhy na různá technická řešení pro dosažení nižších emisí CO2. Například v Brazílii hraje důležitou roli technika Flex Fuel. Na velkých zemědělských plochách se tam pěstuje cukrová třtina, z níž se vyrábí etanol, který slouží jako alternativa ropných paliv. Toto palivo z obnovitelných zdrojů vede k výraznému poklesu emisí CO2. V USA rostou počty registrovaných vozidel Flex Fuel, která lze provozovat na benzin s příměsí až 85 % etanolu. Tento ekologický efekt využívají také další země a regiony přimícháváním 5 až 20 procent biogenních složek do fosilních paliv, a to jak do benzinu, tak do nafty. V budoucnosti vzroste také význam syntetických paliv vyráběných z organického odpadu.
V Evropě sází řidiči a automobilový průmysl z 50 % na vznětové motory jako na řešení, které snižuje spotřebu paliva a emise CO2. Indie je rovněž silným trhem pro vznětové motory. V USA zůstane i nadále první volbou zážehový motor, zatímco pro vznětový motor se bude rozhodovat jen malá, ale rostoucí skupina zákazníků. V Číně, která je nejrychleji rostoucím automobilovým trhem na světě, má v současnosti více než 99 procent nově registrovaných osobních vozů zážehový motor. Vznětovým motorem jsou v Číně vybavena tři procenta minibusů a tři čtvrtiny nově registrovaných 3z9
lehkých užitkových vozidel. Celkově zde v budoucnosti očekáváme kromě elektromobilů posun k vyššímu podílu vznětových motorů, neboť i čínská vláda sází na mobilitu s nízkými emisemi CO2, aniž by však upřednostňovala konkrétní technické řešení.
Přestože ve světových regionech existují různé představy o ekologickém palivu pro automobily, již dnes je jisté, že klíč k dosažení cílů v oblasti emisí CO2 do roku 2025 bude nutné hledat v technice spalovacích motorů a ve stále větší míře také v různých koncepcích hybridního pohonu.
Bosch na 59. mezinárodním kolokviu pro motoristický tisk v roce 2009 jasně uvedl, že ve střednědobém horizontu klesne spotřeba paliva spalovacích motorů, jak zážehových, tak vznětových, o 30 procent, což se projeví stejným poklesem emisí CO2. K tomu je nutné připočítat ještě možnosti úspor dosažitelných hybridizací pohonu, která sníží spotřebu paliva a emise CO2 přibližně o dalších deset procent. V kombinaci s modifikacemi konstrukce samotných vozidel, jako jsou například pneumatiky s nízkým valivým odporem, lehká konstrukce nebo snížený aerodynamický odpor vzduchu, mohou výrobci automobilů dosáhnout celkového snížení spotřeby paliva a emisí CO2 přibližně na polovinu současné průměrné hodnoty. To znamená, že evropský cíl snížení emisí CO2 na 95 gramů na kilometr v roce 2020 je pro vozidla poháněná spalovacím motorem realizovatelný. To je prognóza, kterou bychom tu dnes rádi ještě jednou zdůraznili. Bosch nabízí automobilovému průmyslu odpovídající technická řešení pro vznětové i zážehové motory, s nimiž lze dosáhnout zásadních úspor.
Pokud se podrobněji podíváme na normované spotřeby paliva nových vozidel na evropském trhu, tak uvidíme, že již dnes jsou v Evropě nabízeny dokonce i ve střední třídě typy vozidel s emisemi CO2 pod hranicí stanovenou jako cíl pro rok 2015. Jako příklad může posloužit VW Golf TSI, zástupce nižší střední třídy poháněný zážehovým motorem s výkonem 77 kW a emisemi CO2 121 gramů, které odpovídají spotřebě 5,2 litru na 100 4z9
kilometrů. Stejný Golf se vznětovým motorem se může pochlubit hodnotami 99 gramů, resp. 3,8 litru. Také Volvo C30D s výkonem 84 kW má emise jen 99 gramů. Ale také ve vyšší střední třídě dosahuje BMW řady 5 s výkonem 135 kW spotřeby 4,9 litru nebo emisí 129 gramů. Vozy Peugeot 508 nebo VW Passat poháněné zážehovými motory mají emise 144 gramů, resp. 138 gramů. V nižší střední třídě stanovují měřítko v oblasti emisí CO2 hybridní vozy se zážehovým motorem z koncernu Toyota – v závislosti na modelu vykazují emise CO2 ve výši přibližně 90 gramů. V kategorii těžších vozidel jsou ohlášeny modely, které v hybridním provedení se vznětovým motorem dosahují již dnes cíle emisí CO2 formulovaného pro rok 2020. Jedná se například o Peugeot 3008 s hybridní technikou společnosti Bosch.
Podrobnější pohled na čísla ukazuje, že normovaná spotřeba hybridních vozů se zážehovým motorem je velmi podobná srovnatelným vozidlům se vznětovým motorem. Oba druhy pohonu jsou již dnes schopny dosáhnout cílové hodnoty diskutované pro rok 2020.
To je několik zajímavých příkladů z automobilového průmyslu, které ukazují, že jsou naše předpovědi splnitelné. Většina koncepcí dnes sériově vyráběných motorů nabízí ovšem ještě dostatek prostoru pro technická řešení snižující spotřebu paliva s cílem dosáhnout vytoužených flotilových hodnot. A dokonce ani u zmíněného výběru mimořádně hospodárných vozidel není ani zdaleka vyčerpána veškerá zásoba technických možností pro další zlepšení, které jsme tu popsali v roce 2009.
Nejúčinnějším konstrukčním opatřením je downsizing. Menší zdvihový objem a menší počet válců snižuje třecí ztráty a zmenšuje hmotnost pohyblivých dílů. Takový motor má také nižší tepelné ztráty. Úkolem vývojářů motorů je zmenšit zdvihový objem a případně i počet válců, ale zároveň dosáhnout stejného nebo vyššího výkonu motoru.
Výkon motoru mohou vývojáři zachovat navzdory zmenšenému zdvihovému objemu a nižšímu počtu válců, pokud je do motoru pro každý spalovací 5z9
cyklus přiváděno více vzduchu, než může nasát vlastními silami. To je možné prostřednictvím přeplňování turbodmychadlem, které zásobuje motor dostatečným množstvím vzduchu nezbytným pro čisté spalování.
Bosch bude od konce roku 2011 vyrábět ve společném podniku Bosch Mahle Turbo Systems moderní turbodmychadla, která jsou navržena speciálně pro nové koncepce přeplňovaných zážehových a vznětových motorů k pohonu osobních a užitkových vozů. Očekáváme, že v roce 2015 budeme v rámci této spolupráce vyrábět milion turbodmychadel s optimalizovanou charakteristikou.
Hranice downsizingu nejsou pevně dané – ani z hlediska zdvihového objemu, ani z hlediska počtu válců. Úkolem vývojářů je zvyšovat účinnost a nalézat přijatelné kompromisy mezi snížením spotřeby paliva, náklady, provozními vlastnostmi a komfortem.
Předpokladem pro splnění uvedeného úkolu je downsizing zaměřený na zvyšování výkonu z litru zdvihového objemu. U zážehového motoru představuje na této cestě překážku hranice klepání, za níž dochází k nekontrolovanému vznícení paliva, které může mít za následek poškození motoru. S přímým vstřikováním benzinu dosahují inženýři dobrého ochlazování spalovacího prostoru vstřikovaným palivem a zároveň i dobrého výplachu válce bez ztrát paliva během fáze výfuku a sání. Tím lze hranici klepání posunout do oblastí, které umožňují provoz s vysokým zatížením a stupněm přeplňování. Výsledkem jsou pozoruhodně vysoké hodnoty točivého momentu již při nízkých otáčkách, což je charakteristika typická dosud jen pro vznětové motory.
Ani u vznětového motoru nejsou dosud vyčerpány všechny možnosti downsizingu. Naši vývojáři musí s rostoucím plnicím tlakem turbodmychadla zvyšovat také vstřikovací tlak systému common rail. Vyšší vstřikovací tlak přináší několik výhod. Při stejné délce vstřikování lze do válce dopravit větší množství paliva a dosáhnout tak vyššího výkonu – 6z9
specifický výkon vznětového motoru vzroste. Alternativně mají motoráři možnost zmenšit při stejném výkonu motoru průměr otvorů vstřikovacích trysek ve vstřikovačích. V kombinaci s vícenásobným vstřikováním před hlavním vstřikem a po hlavním vstřiku se tím zlepšuje tvorba směsi ve spalovacím prostoru, klesá spotřeba paliva a tvoří se méně škodlivých emisí ve výfukových plynech. Touto cestou lze snížit zejména emise oxidů dusíku.
Inženýři využívají většího vstřikovacího tlaku také k tomu, aby zabránili nadměrnému zatížení konstrukce motoru rostoucími tlaky ve válcích a teplotními špičkami při vysokém stupni přeplňování.
Bosch uvede ještě letos do sériové výroby první systém common rail pro osobní vozy se vstřikovacím tlakem 2200 barů. A dnes již vývojáři společnosti Bosch pracují na systému common rail s tlakem 2500 barů. Dokonce ani u tak vysokých vstřikovacích tlaků se ještě nedostáváme k hranicím technologických možností, ačkoli inženýři musí vynakládat stále větší technický důvtip, aby tohoto pokroku dosáhli bez větších nároků na prostor, bez nárůstu hmotnosti a bez ztráty hydraulické účinnosti.
Ačkoli vstřikovací tlak systémů common rail dále roste, není toto opatření pro snižování emisí nezbytné pro všechny motory. Inženýři mají dnes k dispozici kromě filtrů pevných částic také systémy pro snižování obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. První systémy pro osobní vozy se prodávají v USA od roku 2008 a od roku 2009 také v Evropě. Tato vozidla se vznětovým motorem splňují již dnes normu EU6 platnou teprve od roku 2015.
Uvedené systémy DeNOx umožňují splnit přísnější limity budoucí emisní legislativy se vstřikovacím tlakem 1600 barů. V reakci na rostoucí poptávku po systémech common rail na dynamicky se rozvíjejících asijských trzích, které kladou důraz na mimořádně robustní a zároveň cenově dostupná řešení, budeme v budoucnosti nabízet v Číně a Indii systémy se vstřikovacími tlaky mezi 1400 a 1800 bary. 7z9
U vznětových motorů pro osobní vozy lze emisní systém pro snížení emisí NOx využít také ke snížení spotřeby paliva až o pět procent. Veškeré technické úpravy konstrukce zážehových a vznětových motorů doplňují vývojáři společnosti Bosch stále častěji vedlejšími agregáty se zvýšenou účinností. Dalšího snížení emisí CO2 lze dosáhnout také řízením činnosti vedlejších agregátů v závislosti na skutečných potřebách. Elektricky poháněná vodní čerpadla, elektrické posilovače řízení, ale i generátor, který dobíjí akumulátor převážně při setrvačné jízdě – to vše zlepšuje celkovou účinnost vozidla. Příkladem se značným přínosem je také systém Start-Stop od společnosti Bosch. Tento systém při zastavení na červeném semaforu vypne spalovací motor a před rozjezdem na zelenou jej ihned zase spustí. V evropském kombinovaném cyklu ušetří tato technika přibližně čtyři procenta paliva, v městském cyklu dokonce až osm procent.
Shrnutí a výhled Bosch v současnosti nabízí automobilovému průmyslu celou řadu komponentů a systémů, které rozhodujícím způsobem přispívají k hospodárnější jízdě a snížení emisí CO2. Proto již dnes existují vozidla s moderními spalovacími motory, která jsou jen krok od splnění politických cílů. Jinými slovy: cílových hodnot flotilové spotřeby pro rok 2020 bude možné dosáhnout pomocí moderní techniky.
Pokud bychom srovnali hodnoty spotřeby průměrného automobilu z roku 2010 s vozem roku 2020, pak by nám na základě typického počtu ročně ujetých kilometrů v Evropě a současných cen paliv vyšla úspora výdajů za palivo mezi 1000 a 1500 eury během tříletého provozu. Řidič takového vozu tedy pravděpodobně ušetří na provozních nákladech větší částku, než jakou bude muset zaplatit navíc za pořízení hospodárnější techniky svého vozu v roce 2020. Přepočteno na normální dvanáctiletou životnost vozidla by za těchto předpokladů bylo možné na palivu ušetřit 4000 až 6000 eur a zároveň snížit emise CO2 o šest až jedenáct tun. 8z9
Nad rámec již dnes dostupné techniky pro nižší spotřebu paliva a emise CO2 pracují inženýři společnosti Bosch na dalších konceptech pro zvýšení hospodárnosti jak zážehových, tak i vznětových motorů. Jedná se o mnoho jednotlivých opatření, mezi něž patří například řízení spalovacího procesu ve vznětových a zážehových motorech prostřednictvím senzorů tlaku ve spalovacích prostorech nebo proměnné časování ventilů vznětového motoru, které je v současnosti rozšířené u zážehových motorů. Kromě toho se pro zvýšení účinnosti automobilových systémů vyplatí zaměřit pozornost na převodovky nebo zavést rekuperaci tepelné energie z výfukových plynů či snížit výkon chladicí soustavy.
Ať už konstruktéři přijdou s jakýmikoli tvořivými nápady, naše zkušenosti s vývojem inovativní techniky poháněcího ústrojí jsou pro nás zdrojem jistoty, že i hranice emisí CO2 ve výši 70 gramů na kilometr, navrhovaná pro rok 2025, je dosažitelná. Na technice budoucnosti pracujeme podle našeho vůdčího motta „Stvořeno pro život“.
Děkuji Vám za pozornost!
9z9
