JAN MACEK: JE DOBA PŘEPLŇOVÁNÍ
Proč patří dnešní motorový svět malým přeplňovaným agregátům? Jsou elektromobily opravdu tak zelené a „eko“, jak se říká? Jsou vůbec bezpečné? A jaká je jejich budoucnost?
Pracují na hnacích jednotkách automobilů, byť se okrajově věnují i karoseriím a optimalizaci podvozku. Jejich hlavní práce se ale týká pohonu, tedy motorů –především spalovacích – a převodovek. Část jejich zájmu samozřejmě zasahuje i do mechatroniky, o níž už jsme přinesli několik článků.
Řeč je o Ústavu automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel a Centru vozidel udržitelné mobility Josefa Božka na Fakultě strojní pražského ČVUT. Zajeli jsme za bývalým šéfem obou institucí, proděkanem fakulty Janem Mackem. Povídali jsme si o motorech, emisích, o tom, proč jsou současným trendem malé přeplňované motory, nebo o tom, jaká je budoucnost elektromobility.
Čemu se v poslední době věnujete, na jakých projektech pracujete?
Účastníme se jednoho evropského projektu ohledně spalovacích motorů, v němž ve spolupráci s Renaultem pokračujeme v konstrukci a optimalizaci malého dvoudobého motoru pro osobní vozy. My řešíme vzduchovou cestu, tedy mechanicky hnané vyplachovací dmychadlo a turbodmychadlo přeplňující motor a zčásti kryjící i příkon potřebný k vyplachování dvoudobého motoru.
Dále se účastníme dvou evropských projektů zabývajících se optimalizací energetické spotřeby elektromobilů a hybridních nákladních automobilů a připravujeme se na další projekt v oblasti hybridních osobních vozidel.
V oblasti pístových motorů máme další projekt o použití zemního plynu v osobních autech. Týká se to motorů, které jsou přímo zkonstruovány na pohon zemním plynem.
Popište je trochu.
Zemní plyn má z hlediska spalování velice dobré vlastnosti, snáší vysoký kompresní poměr, je tedy účinnější než stejně velký benzinový agregát, u něhož se kompresní poměr musí kvůli klepání více omezovat. Jakmile nejdete cestou kompromisu, tedy motoru přepínatelného mezi benzinem a plynem, jsou tyto jednotky mnohem účinnější.
V souvislosti s tím vyvíjíme také zapalovací systém pro velice chudé směsi, což má obrovské emisní výhody. Už v devadesátých letech jsme ho úspěšně zkoušeli na velkých plynových motorech pro elektrárny a teplárny. Teď to aplikujeme na stále menší motory. Dokážeme tedy zapálit to, co běžná svíčka v motoru absolutně nedokáže. Tím pádem pak spalujeme za nízkých teplot.
Jak toho docílíte?
Použitím malé komůrky, do níž je zvenčí zvláštním přívodem přiváděn plyn a v níž je zapalovací svíčka. Do komůrky se během komprese zatlačí směs z válce, takže se k přiváděnému plynu dostane kyslík. V komůrce je tedy značně výhřevná směs víc než stechiometrická směs, kde je mírný přebytek paliva nad vzduchem. Tato směs se svíčkou dá zapálit snadno. Spaliny z komůrky malými otvory proudí do válce, kde už jsou schopny zapálit onu velmi chudou směs, kterou by pouhá jiskra zapálit nemohla.
Plynové motory běžně mohou pracovat do nadbytku vzduchu proti teoretické spotřebě někde kolem šedesáti procent navíc. My jsme schopni zapalovat směs, která má hodně přes sto procent nadbytečného vzduchu.
To souvisí s teplotou plamene, že?
Jistě. U chudé směsi plamen ohřívá spoustu balastního plynu, takže tam jsou nižší teploty a drasticky se omezuje tvorba oxidů dusíku, což je hlavní škodlivina zážehových plynových motorů, pokud se spaluje chudá směs. Motor pak může mít jednoduchý emisní systém. To znamená zlevňování a znemožňování různých podvodů. Dnešní zážehové motory redukují emise většinou použitím směsi s přesně odměřeným teoretickým množstvím vzduchu a takzvaného trojcestného katalyzátoru. Z hlediska emisí to není špatné, i když poněkud dražší řešení. Odměřování vzduchu škrticí klapkou však působí velké ztráty na účinnosti motoru při nízkém zatížení, tedy například v městském provozu. Klapka působí podobně jako nedokonalá motorová brzda. Použití chudé směsi tyto ztráty z velké části odstraňuje.
Pro diesely to použít nejde?
Tento princip se dá použít i pro snižování emisí pevných částic z naftových motorů. Chudá směs plynu se vzduchem snese hodně vysoké kompresní poměry, dostatečně vysoké na to, aby se vznítila nafta. Lze tedy udělat takto kombinovaný dvoupalivový motor. Chudá směs zemního plynu je pak schopná spálit většinu částic, které by tam při čistě dieselovém provozu vznikaly.
Přeplňování světu vládne
Jak jinak lze dělat ekologičtější motory?
Malinko odbočím. Lidstvo produkuje zhruba čtyři procenta celkových emisí CO2na zemi. Z toho doprava osobními auty dělá něco kolem desetiny. I kdybychom tedy vyráběli auta, která nebudou mít žádné emise CO2, půjde o redukci v řádu několika promile. To je ale na jinou debatu.
Odpovědí na otázku je přeplňování. Díky větší hmotnosti vzduchu a tedy kyslíku v motoru je možné spálit větší množství paliva a tím dostat z jednoho cyklu motoru větší práci, větší točivý moment. Není tedy nutné zvyšovat otáčky. Vysoké otáčky totiž znamenají mimo jiné nižší mechanickou účinnost, větší ztráty. Současně větší zatížení motoru sníží podíl stálých ztrát jak ze tření, tak z odvodu tepla do chlazených stěn motoru.
Jaká je dnes účinnost motorů?
Dnes účinnost klikového mechanismu, který bývá často označován za příliš složitý, s velkým počtem třecích dvojic, dosahuje v optimu při vysokém zatížení a nízkých otáčkách až 95 procent. Srovnejte to s tím, že jeden pár ozubených kol s vnějším záběrem má účinnost asi 98 procent. To je docela dobré: pokud je klikový mechanismus dostatečně zatížený, jednoznačně pracuje velmi účinně.
Jak se díváte na současný trend dostávat z malých objemů výkon velkým přeplňováním?
Přeplňované motory, pokud jsou dobře řízeny – to chci vyzdvihnout –, dosahují mnohem lepší spotřeby než jednotky atmosférické. Například motor EcoBoost od Fordu je neobyčejně podařený přeplňovaný benzinový motor.
Trend přeplňování šel od velkých motorů k malým. Nastalo to už před druhou světovou válkou: za to, co máme dnes, vděčíme německým ponorkovým motorům. Tam je snaha zmenšovat motor logická.
Postupovalo to přes motory lokomotiv a trajektů níž a níž. V sedmdesátých letech se začaly přeplňovat motory nákladních automobilů, nakonec tedy i těch osobních, zpočátku vznětové, nyní i zážehové.
A co ono známé „objem ničím nenahradíš“?
Ano, je pravda, že hrubá síla atmosférického motoru s velkým zdvihovým objemem je z hlediska jízdní pohody skutečně tím nejlepším.
Ona je to však do značné míry otázka zvyku. Když si sednete do amerického auta s automatickou převodovkou, bude auto reagovat také zoufale pomalu. Ale zvyknete si.
Kdysi jsme pro Škodovku dělali přeplňovaný tříválcový motor, který se nakonec do sériové výroby nedostal. Tehdy na trhu nebyl k mání dostatek různých dílů, takže jsme to stavěli z toho, co bylo k dispozici. Proto jsme například použili mnohem menší turbo, než by motoru slušelo. Spotřeba se snížila – a se správným dmychadlem mohla ještě víc – a musím říct, že ten motor reagoval velice bezprostředně, živě. Skoro ani nebylo poznat, že je to motor přeplňovaný. Zkrátka záleží na kontextu.
Velkým motorům zvoní hrana
Je to tedy směr, z něhož není cesty zpět?
Ano, domnívám se, že není vyhnutí. Totiž to, co lze do budoucna považovat za rozumnou alternativu, jsou hybridy. Zmenšování rozměru spalovacího motoru je tu tedy nasnadě a zcela zásadní. Navíc chybějící točivý moment pokryje elektromotor. Na tom mimochodem teď také pracujeme.
Na čem?
Jestli tento chybějící moment pokrýt přímo z baterií elektromotorem, nebo zprostředkovaně elektricky podporovaným turbem (nebo dvojstupňovým dmychadlem s jedním elektrickým stupněm). Ve druhém případě se spotřebuje daleko méně elektřiny, jsou potřeba menší baterie, turbodmychadlo se ale roztočí velice rychle, hned dodává plnicí tlak a motor pak táhne hezky i odspodu.
Pak je tu také dojezd současných elektromobilů.
Jistě, to je velký problém. Já říkám, že se tu obchoduje s vírou a nikoli se skutečností. Tesla dnes dojede kolem tří set kilometrů při spotřebě řekněme 27 až 30 kilowatthodin na sto kilometrů. Je to obrovské auto s téměř tunou akumulátorů. To není žádné velké umění nebo Muskovo vizionářství.
Jak to tedy bude?
No pořád se čeká na zázrak. Ale upřímně řečeno, na ten se čeká od Křižíkových dob. Za účelem získání grantů všichni předkládají grafy, které ukazují, jak pokrok v akumulátorech úžasně postoupil. Ano, postoupil, ale pořád jsme hrozně daleko od cíle daného energetickou hustotou uhlovodíkových paliv. A to i tehdy, pokud bereme v úvahu nižší účinnost spalovacího motoru, který používá méně hodnotnou formu energie na svém vstupu, tedy teplo.
Lze říct, že cena jedné kilowatthodiny skoro přesně odpovídá ceně desetiny litru nafty. Čili spotřeba deset kilowatthodin je jako jeden litr nafty na sto kilometrů. Při běžných testech vychází spotřeba 1,5tunového elektromobilu kolem dvanácti třinácti kilowatthodin na sto kilometrů, měřeno na kolech. Podotýkám, že je to spotřeba k rozhýbání auta, nikoli k pokrytí vnitřních ztrát jednotky.
Také je třeba říct, že účinnost elektromotoru není devadesát procent, jak někteří nadšenci rádi tvrdí. Ano, to je špičková účinnost, které ale v provozu nedosahujeme. Běžně to je spíš kolem sedmdesáti procent, je třeba započítat také ztráty ve frekvenčním měniči a ztráty při vybíjení baterií.
Abych to shrnul, u elektromobilu vystačíme s ekvivalentem zhruba 2,5 litru nafty na sto kilometrů – u srovnatelně velkých a těžkých aut.
Ekologické elektro?
Ale s moderními diesely se lze dostat na jen o málo vyšší hodnoty.
Právě. S lehkou nohou a dobrým dieselem můžete jezdit trochu nad čtyřmi litry. Pak je tu rozdíl v účinnosti, který se někde musí pokrýt – když se podíváte na evropský mix na výrobu elektrické energie, zjistíte, že elektromobilem se z celého řetězce počínaje elektrárnou produkuje víc CO2 než dieselovým spalovacím motorem.
O tom se radši moc nemluví…
Ono se spíš tak nějak automaticky předpokládá, že všechno půjde z obnovitelných zdrojů. Což je nesmysl, protože ty jsou strašně nestabilní. Potom to samozřejmě vychází jako nula, ale ve skutečnosti to nula není. Elektromobil v Evropě dnes produkuje kolem 120 až 130 gramů CO2 na kilometr – to už umí kdejaký moderní zážehový motor, natož potom diesel.
Nevytratilo se nám z toho to motoristické potěšení?
Zrovna nedávno jsem si povídal s kolegou Angličanem, který říkal, dovedeš si představit, že mí rodiče si kdysi vyjeli autem jen tak pro potěšení? Kdyby bylo tolik zákazníků, kteří by se chtěli řekněme dostávat každou chvíli na mez adheze, vypadaly by dnes motory jinak.
Vždyť dneska už přeplňování v některých modelech používá i Porsche. Ale segment trhu, kde velká atmosféra má uznání, je jednoduše příliš malý, aby to nasytil. Nemluvě o množství silnic, na kterých si to potěšení můžete dopřát.
Nebezpečné elektro
Zahrajte si na vizionáře. Směřujeme skutečně ke sdílené mobilitě, objednávání aut na nákup a tak dále?
Moc těžká otázka. Bojím se, že na ni dnes nikdo neumí odpovědět. Jasné je, že lidé se stěhují do měst. Urbanizace typická pro Asii nebo obě pobřeží Spojených států se rozmáhá čím dál víc. Pro městskou dopravu na krátké vzdálenosti je úsporný elektromobil – nikoli Tesla! – jednoznačnou volbou. Pokud se ovšem dobře využije, čili bude se sdílet. Ještě hodně dlouho bude elektrický pohon výrazně dražší než spalovací. Akumulátory prostě drahé jsou a drahé zůstanou.
Sdílení aut, elektromobilita a autonomní jízda jasně patří k sobě. Ale ani předpoklady zatím nemluví ani o padesátiprocentním podílu. Odhady na rok 2030 se pohybují kolem deseti procent.
Mnohé automobilky dnes mluví jinak.
Je tu ještě jedna věc. Elektromobily jsou zatím ještě hodně nebezpečné. Sice v nich není tolik energie jako v nádrži plné benzinu, ale je tam výkon, který je připravený. Z hlediska transportu elektronů tam máme jak oxidační činidlo, tak činidlo, které se redukuje. To v palivu není, tam je jen činidlo, které se oxiduje. Kyslík se musí přivádět zvenčí, takže když auto nabourá, chvíli trvá, než nádrž začne hořet. A i pak je hoření regulované tím, jak rychle k němu přichází kyslík.
U akumulátoru to je okamžitě.
Druhá věc je, že dnešní lithium-iontové akumulátory (v budoucnu budou třeba jiné) obsahují hodně lithia, což je nejreaktivnější kov, který známe. Tedy jakmile se dostane do styku s kyslíkem, hoří velice prudce.
Když se tedy baterie nabourá…
Ano, třeba vnitřním zkratem, poruší se její těsnost a dostane se dovnitř kyslík, je to opravdu veliký malér. Může se přehřát v důsledku elektrické nevyváženosti jednotlivých článků řazených do série, což se hlídá velice sofistikovanými systémy – ale všechno může selhat. Sem tam už o tom slýcháme: požáry na Dreamlinerech, kde zdroj elektřiny se spalovací turbínou nahradily akumulátory, slýcháme o požárech notebooků na vědeckých konferencích.
Baterie v noteboocích máme už dlouho a jsou malé. Ale u elektromobilů je to stále ještě hodně v plenkách.
Přesně tak, není to dostatečně vyzkoušené. Elektromobilů je v celkovém pohledu jen pár. Až budou v běžném provozu a bude existovat určitá pravděpodobnost, že elektromobil nabourá, bude zkušeností mnohem víc. Nechci říkat, že to znemožní masový provoz elektromobilů, to v žádném případě, ale zatím ta data nemáme. Ostatně souvisí to i se zmiňovanou cenou. Nechci malovat čerta na zeď, ale je zřejmé, že jakmile tyhle problémy přijdou a tragédie se začnou dít, vrhnou se konstruktéři na bezpečnostní opatření. A víme, kam taková opatření vedla, co se ceny týká, například u jaderných elektráren.
Zkrátka jak říkáte, je to pořád ještě v plenkách a ne úplně připravené k opravdu masovému nasazení.
Nedýchat a nepotit se prosím
Vidíte ještě nějaké potíže s elektromobily?
Chci zmínit ještě jednu oblast, která je u elektromobilů velice problémová. Topení a klimatizace. Opravdu velký problém, vždyť v zimě se dojezd elektromobilu může ze 150 kilometrů snížit klidně i na třicet. My říkáme, že řidič se zahřeje jen pohledem na to, kolik kilometrů mu zbude, kdyby si přitopil. Ale vážně: elektromobil jednoduše nemá zdaleka tolik odpadního tepla na vyšší teplotní úrovni, na které jsme u spalovacích motorů zvyklí.
Já tu vnímám jednu ještě závažnější věc. Koneckonců na krátkou jízdu na nákup nebo do práce zimu můžeme vydržet, teple se obléknout nebo mít třeba vyhřívaný volant. To není problém.
Problém v zimě je pocení a zamrzání skel. Tam se spotřebuje poměrně hodně energie. Rozhodující je čas. Čím déle jedu, tím víc energie spotřebuji na topení (nebo chlazení v létě). Elektromobil v zácpě v mrazu nebo tropickém vedru není moc dobrá volba.
A co trendy v jízdách na delší vzdálenosti?
Tady jako jednoznačnou a jasnou alternativu vidím hybridy. Budou se ale muset udělat trochu sofistikovaněji, než jak je známe dnes. Jsem toho názoru, že by mělo být možné vybrat si kapacitu baterií. Pokud jezdíte víceméně po rovině, vystačíte s menší kapacitou. Pokud máte tu smůlu, že mezi domovem a prací leží kopec, 20 kilowattů spalovacího motoru a malá kapacita baterií bohužel asi stačit nebude. (Smích.)
Spalovací motory nás tedy ještě dlouho neopustí?
Nedávno jsem byl na EUCAR (European Council for Automotive R&D), což je sdružení výzkumných oddělení evropských automobilek. Univerzity nejsou členy, ale vždy tam několik zástupců zvou. Technický šéf BMW tam prohlásil, že jestli někde vidí obrovský rozdíl mezi pravdou a politikou, je to momentální přístup ke spalovacím motorům. Všechny rozumné prognózy říkají, že není ani ve výhledu doba, kdy by spalovací motory zmizely. Protože s akumulátory to zatím prostě nejde. Možná přijde zázrak. Ale zatím nemáme fyzikální princip, který by dával dostatečně vysokou hustotu energie.
Na spalovacích motorech ale pořád ještě je na čem pracovat jak v oblasti řízení, tak v hybridizaci – tam to chce zase úplně jinou optimalizaci než pro klasické auto – nebo v emisních systémech.
Ale třeba benzin a nafta zmizí. Podívejme se na parní lokomotivy, jaký byl jejich rozmach například v USA po válce – a během deseti let byly pryč. Neměli bychom podléhat sentimentálním vztahům ke strojům. Já však zatím to světlo na konci tunelu nevidím.
Zdroj:
