písty motoru

Doporučujeme, Technologie

Jan Macek: Sdílená mobilita nebude jen tak

22 března 2017   Galerie

Nastane konec vznětových motorů v osobních autech? Vrátí se ještě atmosférické benzinové agregáty? Mají alternativní paliva jako vodík šanci na masivnější rozšíření? A jak se dívá na současné vize ohledně sdílené mobility?

V předchozím dílu povídání jsme se zamýšleli nad současným razantním zmenšováním objemů motorů nebo nad budoucností elektromobilů.

Dnešní rozhovor s předním odborníkem na pohony Janem Mackem, proděkanem Fakulty strojní pražského ČVUT, se nese víc v rovině úvah a zamýšlení se nad současným stavem světa automobilů i nad tím, co nás čeká v budoucnu.

Když jsme se viděli naposledy, mluvili jsme mimo jiné o dvoutaktních motorech a vašem výzkumu. Dnes spíš polemicky: je to slepá ulička?

Na přeplňovaných vznětových dvoudobých motorech teď pracujeme, abychom se s konečnou platností dozvěděli, jestli pro automobily mají perspektivu, nebo ne. Problém je, že tyto motory se musejí hodně pečlivě optimalizovat, než se ortel vyřkne. Teď ale verdikt říct nedokážu.

Přesto, jaký je váš odhad?

Jsem trochu skeptický, řekl bych tak padesát na padesát. Ale než uděláme optimalizaci, jednoduše nevím. Velice to závisí na účinnosti turbodmychadel. Ve velkých rozměrech není pochyb, že je to technologie velice perspektivní, vidíme to v lodních pohonech s výkony tak od tří do 65 MW. Tam čtyřdobý motor z hlediska účinnosti nemůže konkurovat. Tady ale existují dmychadla s účinností celého stroje i přes sedmdesát procent. Asi nemáme prostor rozebírat, co vlastně účinnost turba znamená, ale jen pro srovnání: u malých strojů bývá tato účinnost pod čtyřicet procent.

U dvoudobého agregátu je nutné mít vyšší tlak před motorem než za motorem, protože jinak vůbec nevyměníte náplň válce. Máte na to jen krátký čas kolem dolní úvrati na konci expanze a na začátku komprese, kdy se píst téměř nepohybuje. Rozdíl tlaku právě hodně záleží na účinnosti turbodmychadla. Pokud by se také malá turba dobře optimalizovala, mohlo by to být velmi zajímavé. Problém je, že čím je dmychadlo menší, tím relativně větší jsou vůle a tím horší jsou ztráty. Takže nejde tak úplně o neschopnost konstruktérů, že účinnost malých turbodmychadel je tak malá v porovnání s velkými. Ovšem při oné nízké účinnosti turbodmychadel je nutné použít další mechanicky (od kliky) hnané dmychadlo, třeba Rootsova typu. To je ale poměrně velké. A musí mít mechanický pohon, jehož převod se v ideálním případě mění podle potřeby. Dnes se dělají vícestupňové převodovky, aby se pro každé pásmo otáček motoru dal nastavit nejvhodnější převod. V budoucnu by tento problém mohl řešit elektrický pohon.

Co turbo s elektrickým pohonem?

To by jistě bylo zajímavé. Jenže i u malého motoru s „pár kilowatty“ to při dvanácti voltech představuje enormně vysoký proud. Takže otázkou je, jestli se u palubních systémů brzy prosadí 42, nebo 48 voltů.

Jak jsou na tom dvoudobé motory s emisemi? Všichni asi máme ještě v paměti, co vypouštěly vozy Trabant či Wartburg.

To je úplně něco jiného. Pokud se tyto vznětové motory prosadí, budou to jednotky plněné zvlášť, mimo klikovou skříň. Takže problémy u motorů plněných z klikové skříně a u benzinových motorů kdysi s karburátorem dnes by se použilo asi přímé vstřikování naprosto nehrozí. A je to právě naopak s dvoudobými vznětovými motory se začalo, protože mají lepší emise než čtyřdobé. Je tam velká interní recirkulace výfukových plynů, která působí příznivě, navíc motor musí samozřejmě být vybavený filtrem pevných částic. Východoněmecké vozy, které zmiňujete, měly bohatost směsi o třetinu nižší, než by mělo být, jezdily na přebytek vzduchu 0,7. To je dávno překonané a dnes, i kdyby šlo o přímovstřikový benzinový agregát, bude pracovat s přebytkem kyslíku kolem jedničky.

Jak jsou na tom dnes a do budoucna nestandardní motory? Proč se nerozšířil například Wankelův motor?

Proti Wankelovu motoru mluví několik věcí. První je velice nevhodný tvar spalovacího prostoru. Je srpkovitý a jeho kouty špatně prohořívají. Navíc oproti pístovému motoru se spalovací prostor pohybuje vůči svíčce a vstřikovači, takže tam jsou i jiné podmínky pro tvorbu směsi.

Druhý problém je tribologický. Těsnicí lišty pracují za horších podmínek než pístní kroužky. Jistě, vše jde za nějakou cenu vyřešit, ale například Mazda se potýkala s tím, že když motor nenastartoval (což nebylo časté, ale stát se to může), nastaly problémy s rozředěním oleje na funkčních plochách benzinem. A sama automobilka říká, že v takovém případě se musí motor rozebrat, vysušit a znovu namazat.

Třetí potíž je konstrukční. Wankelův motor nesnáší vysoké pracovní tlaky. Nelze ho přeplňovat ani použít vysoký kompresní poměr, jelikož tvar kompresního prostoru je nevhodný. Ještě závažnější podle mne je, že pro vysoké tlaky není mechanismus kroužení pístu okolostojícího ozubeného kola nejvhodnější. Neexistuje dostatečně silná klika, která by takovou zátěž snesla.

Tlaky dnešních přeplňovaných zážehových motorů jsou oproti atmosférickým asi dvojnásobné, u vznětových je to dokonce čtyřnásobek. Tlaky dosahují až 250 barů, což je asi 1,5násobek tlaku v lahvi s kyslíkem pro sváření. To jen pro představu, s jakými tlaky se pracuje. A na ně musí být náležitě dimenzován klikový mechanismus a to u Wankelova motoru nejde.

Zajímavé je, že zmiňované čtyřnásobné spalovací taky znamenají rovněž čtyřnásobný výkon motoru při týchž otáčkách. Wankelův motor je lépe vyvážený a může pracovat ve vyšších otáčkách, ale rozhodně ne čtyřnásobných. To by ani nešlo, ostatně i všechny ztráty rostou s kvadrátem otáček.

Pojďme ještě k emisím. Nezbláznil se dnešní svět, když třeba Aston Martin aby dostál emisním normám, které se počítají z průměru výrobní řady vezme Toyotu iQ a udělá z ní maloobjemový úsporný model s nízkými emisemi, aby mohl vyrábět pořádné motory?

Malinko to poopravím. Emise CO2 a spotřeba se počítají jako průměr z prodaných aut. Takže Aston Martin by si emise zlepšil jen tehdy, kdyby ke každému svému velkému vozu dal jeden nebo dva tyto malé zadarmo jako bonus. (Smích.) Je to nadsázka, ale takové myšlenky se objevovaly. Každopádně automobilky mají velmi přesně spočítáno, jaké jsou pokuty za každý kus, který by překračoval oněch 95 gramů CO2 na kilometr, požadovaných pro rok 2020 v EU, což odpovídá spotřebě necelých čtyř litrů benzinu na sto kilometrů. To je na rozumně velké auto už opravdu málo. Automobilky se to snaží plnit, ale u dvoutunového SUV to prostě nejde.

Vede to k různým divočinám, které s inženýrstvím nemají pranic společného. Tak třeba výrobci pneumatik umějí dodat obutí s enormně nízkým valivým odporem, které splňují předepsané parametry. Jak se ale taková pneumatika chová na kluzkém povrchu?

Já jsem do značné míry nezávislý pozorovatel, a tak bych se nerad stavěl do pozice obhajovatele automobilek, ale když se nastaví nesmyslné předpisy a to v čemkoliv, daněmi počínaje , tak lze očekávat, že na ně dotyční postižení budou nesmyslně reagovat. A může se způsobit víc škody než užitku.

Zašlo to už docela daleko. Vidíte cestu ven?

Jak říkám, když se dá nějaké nařízení, lze ho splnit legální cestou, a pokud legislativa má díry, proč je nevyužít. Tím nikoho nehájím. Na druhé straně jsou některé věci už za hranou. Když řídicí systém ví, že se momentálně jede test, a reaguje na to, už to jako omluvitelné nevidím. Na toto dojel kdysi dávno Pierburg. Snažil se vyvinout konkurenci vstřikovým motorům tehdy s nepřímým vstřikem v podobě elektronicky řízeného karburátoru. Ten možná ani nebyl špatný, ale doplatil na to, že se přeseřizoval, když okolní teplota byla blízká teplotě předepsané právě pro testy. Přišlo se na to a firma s karburátory skončila. Těžko říct, jestli kvůli tomuto skandálu, nebo protože karburátor na tom byl z principu z hlediska regulačních vlastností hůř než tehdy konkurenční jednobodové vstřikování. Dnes by karburátor nebyl použitelný už vůbec jedno místo na tvoření směsi u víceválcového motoru má celou řadu nevýhod. A aby jako tehdejší závodní vozy měl každý válec svůj vlastní karburátor, to tak trochu leze do peněz. (Smích.)

To jen jako příklad toho, že někdy jsou věci za hranou. Jak to bylo teď, nevím, nicméně data, která mám z oficiálních zdrojů od americké federální Agentury pro ochranu životního prostředí (Environmental Protection Agency, EPA), ukazují, že v poslední době diesely na silnici při zcela rozumných režimech nikoli sportovní jízdě a využívání maximálního výkonu emitovaly enormní množství oxidů dusíku. Což svědčí o chybě v dávkování močoviny. To jsou jistá fakta a my se můžeme dohadovat o tom, jak se k tomu dospělo, nebo jestli takové emise oxidů dusíku byly nebezpečné, nebo ne. Každopádně byly mnohonásobně přes limit.

Jaký je váš názor nezaujatého pozorovatele skončí diesely v osobních autech?

Tato otázka naráží na věci mimo výrobce. V podstatě na lidskou poctivost. Když existují firmy, které vyříznou filtr pevných částic a motor přečipují a podobně, a stanice technické kontroly to často nejsou schopny odhalit, je otázka, co by mělo být v předpisech. Takto upravený motor může totiž být výrazně nebezpečnější než motor plnící normu takříkajíc „Euro minus jedna“.

K vaší otázce. My dnes víme, že s motorem osazeným dostatečně dimenzovaným filtrem a selektivní katalytickou redukcí jsme schopni vyhovět normám ještě přísnějším, než je Euro 6. Jiná věc je, jak pohodlné pro uživatele to je a kolik to stojí. To pohodlí se týká toho, že takový motor musí používat víc močoviny, než se vejde do rozumně velké nádrže tedy aby její dávka vydržela tak dlouho, jak dlouhé jsou intervaly výměny oleje. Ty jsou navíc pořád delší a delší a taková nádrž na močovinu by zkrátka byla příliš veliká. To by pro uživatele znamenalo častější dočerpávání tohoto roztoku.

Zmiňoval jste také „že to něco stojí“. Znamená to tedy, že diesely budou dál zdražovat a že se onen bod, kdy se nafta oproti benzinu vyplatí, se posune dále doprava?

To zcela jistě ano. On se doprava posouvá neustále. Na druhé straně je to trochu psychologická záležitost, každý má rád, když k pumpě jezdí co nejméně a nepočítá, jaké má odpisy a kolik toho ročně najezdí. Když si na střechu rodinného domu člověk nainstaluje fotovoltaické panely, má také hřejivý pocit, že šetří, a nevnímá, že nakonec i s dotacemi je to zatím spíš otázka fandovství.

U všech takto komplikovaných systémů tu podle mne je ještě jedna řekněme politicko-psychologická otázka. Palubní diagnostika. Auta už dnes jsou v principu a zanedlouho budou i v každodenním životě schopná sama se objednat do servisu, sama upozornit kohosi „tam venku“, že emise asi nejsou v pořádku a že majitel na to nedbá… Pomiňme to, že takové auto zvlášť v českých poměrech asi nebude úplně dobře prodejné. (Smích.) Všichni křičí, že se ve městech nedá dýchat a že máme smog, když jde ale o každého jednotlivého člověka, snaží se najít způsob, jak to obejít.

Také zaznívají hlasy, že emisní normy nepomohly, že emise neklesají tak, jak by přísnost předpisů naznačovala řekněme při srovnání Euro 4 a Euro 6. Prokazatelné ovšem je, že se to zlepšuje. Asi ne tak razantně, jak by si politici přáli, ale zlepšuje. Je to podobné jako s radiací, všichni by chtěli slyšet, že riziko je nulové. Ale to není a nikdy nebude. Totéž s emisemi. Totéž s fotovoltaikou nebo větrnými elektrárnami. Každý z nás na to platí obrovské peníze a vlastně to nikdo nedokáže spočítat.

A ještě jeden postřeh: pokud v Evropě začne platit ten limit 95 gramů CO2 (průměr za celou flotilu osobních vozů), jako že nejspíš začne tak automobilky to bez dieselů jednoduše nebudou schopné plnit. Benzinové a plynové motory zase tak dobrou účinnost nemají, aby se do limitu vešly. U motorů na CNG je to trochu optické, protože v něm je méně uhlíku a víc vodíku, čili jejich emise CO2 jsou nižší díky tomu, že palivo má větší část energetického zisku založený na vodíku a nikoli uhlíku. Ale s jejich účinností to zas až taková sláva také není.

A není právě vodík cestou do budoucna?

Ten je samozřejmě dlouhodobě zajímavý. Německo se teď holedbá jakýmsi návratem k němu. Koncem podzimu se objevily hlasy, že elektromobily nejsou ani zdaleka všelék a že bychom se měli vrátit k vodíku. Zajímavý je proto, že je to jediná cesta akumulace přebytečného výkonu z větrných a solárních elektráren, která zcela zaručeně funguje. Byť to není jednoduché, jsou potřeba obrovské elektrolyzéry, což není věc laciná ani triviální na výrobu. A pak se vyrobený vodík musí skladovat, a to stlačený, jelikož hustota na metr krychlový je u něj strašně mizerná. Je tedy nutné ho vysoce stlačovat zkapalňování je velmi energeticky náročné. Je tu také hodně materiálových problémů, které jsou řešitelné, ale drahé. V oceli vzniká takzvaná vodíková křehkost, takže tlakové lahve na vodík nemohou být stejné jako třeba na CNG. A pak produktovody právě kvůli té křehkosti například nelze nějak významné množství vodíku přimíchávat do zemního plynu. Jak jsou na tom plastové nízkotlaké rozvody, nevím.

A další otázka je, jak vodík využít. Buď jako palivo pro zážehový motor, kde má dobré vlastnosti, ale pořád jsme na účinnosti využití kolem 35, v budoucnosti možná čtyřicet procent, což je poměrně málo. Proti tomu stojí už dnes používaná auta s palivovými články, která dosahují velice zajímavých účinností při malém zatížení i kolem sedmdesáti procent. To je mimochodem zajímavé a výhodné pro městský provoz osobních aut. Spalovací motor totiž při malém zatížení vykazuje naopak špatnou účinnost. S rostoucím zatížením to jde proti sobě a nakonec se obě alternativy potkávají v jednom bodě právě kolem těch čtyřiceti procent.

Palivové články mají ovšem ještě jeden zádrhel. Zatím se neví o žádném jiném principu než o tom, který využívá elektrody sycené platinou pro její katalytický účinek na rozdělování vodíku a kyslíku do aktivních molekul. Například profesor Matolín z Matematicko-fyzikální fakulty UK sice pracuje na snižování sycení elektrod platinou pomocí dalších sloučenin, konkrétně jde o oxid ceru, ale k aplikaci ve výkonových článcích je ještě dlouhá cesta. Palivové články jsou tedy zkrátka velice drahé, na jeden článek o výkonu řekněme padesát kilowattů jsou potřeba velké desítky gramů platiny. Tady opět čekáme na nějaký technologický převrat pokud to bude záviset na platině, cena dolů půjde těžko.

Minule jsme si povídali také o fenoménu zmenšování objemu motorů. Není ale celková ekologická stopa auta řekněme z roku 2000, s 2,5litrovým atmosférickým motorem, které bez problémů ujede stovky a stovky tisíc kilometrů a vydrží dvacet let, menší než současný vůz střední třídy s malým přeturbovaným motorem, který ale doslouží po pár letech a na stejnou porci kilometrů jich tak člověk „spotřebuje“ několik?

Emise aut bez jakéhokoliv přehánění neustále a prokazatelně klesají. Vy se ale ptáte na celkové emise průmyslu od výroby až po recyklaci, od kolébky do hrobu, respektive včetně recyklace do další výroby. Upřímně řečeno emise průmyslu nejsou ani u energeticky daleko náročnějších elektromobilů zase tak velké, jak by se mohlo zdát. Ono se to samozřejmě špatně počítá. Kvalitní data jsou k dispozici v Americe, ale energetická náročnost tamního průmyslu je o dost jiná než evropského. Proto tato data nelze vztahovat na průmysl tady. A pro Evropu bohužel podobně rozsáhlé statistiky nemáme. Takže můj odhad je, že tvrzení z vaší otázky pravda není, že stará auta jsou na tom v tomto ohledu hůř. Ne o moc, ale o něco ano.

Ještě je k tomu potřeba dodat, že nové motory přestože, jak říkáte, jsou mnohem zatěžovanější mají také překvapivě dlouhou životnost. Pokrok jde opravdu rychle dopředu. Já sám pamatuji, že před třiceti lety se na pístních kroužcích velkých motorů garantovalo nějakých pět tisíc hodin provozu a u vysoce přeplňovaných motorů jsme byli nuceni to zvýšit zhruba na dvacet tisíc, u hlav motorů například na šedesát tisíc hodin. Dvacet tisíc hodin je asi milion kilometrů. Tlak v této oblasti byl obrovský, velký pokrok jsme zaznamenali v tribologii nebo v nízkocyklické tepelné únavě. Asi bych byl opatrný koupit si malý motor po 250 tisících kilometrech, je jasné, že zatížení se někde projevit musí, ale ten rozdíl není takový, že starý nepřeplňovaný motor by byl o tolik větší držák.

Co budeme dělat se všemi těmi litrovými tříválci po dvou stech tisících kilometrech, které z druhé ruky už nikdo nebude chtít?

(Dlouze přemýšlí.) Vím co. Zrovna nedávno jsme o tom s kolegy debatovali. Ta starší auta se přesouvají směrem ze Západu na Východ. Z Německa k nám, od nás dál. Asi to dobře není, ale je to tak. A bohužel s tím fakticky počítá i západní Evropa. A aby se u nás řeklo, že tu budou jezdit například jenom motory Euro 4 a výš, jednoduše reálné není.

Jsme jako automobilová společnost teď na pokraji konce fandovství do aut? Co říkáte na umírání atmosférických motorů?

Kdosi řekl, že budoucnost je to, co právě teď vytváříme, ale ne to, co si myslíme, že vytváříme. S těmi nepřeplňovanými motory to tak bohužel je. Jako jeden z mála výrobců je dělá Mazda, tam je to ale podle mne firemní image, chtějí se odlišit, být jiní. Tak dělají atmosféry, protože ostatní už ne. Vždyť turba dnes mají i základní verze Porsche 911 a takový Cayenne by se bez dieselu asi nechytal.

Benzinový motor je emisně poměrně snadno zvládnutelný. Nevýhoda velkého předimenzovaného motoru je, že se pomalu prohřívá. A to je v městském popojíždění na krátké trasy z hlediska emisí i spotřeby špatné. Myslím tedy, ať si o tom jako automobiloví nadšenci myslíme cokoliv, že tudy cesta nevede. Velké atmosférické motory se podle mne už nevrátí.

Jsme tedy na prahu úplně nové éry automobilismu, kdy nám čím dál víc začíná být jedno, čím jezdíme? A nakonec pro nás přestává být důležité i to, že automobil vlastníme? Budeme si auta už jen pronajímat a nakonec pak i objednávat pouze na jednu konkrétní cestu jako službu?

Principy statistické termodynamiky platí i pro dopravu, to je známá věc. Z hlediska individuální dopravy právě z tohoto důvodu nemůže masivní „car sharing“ neboli sdílená mobilita fungovat bez autonomního řízení. Auta se budou muset vracet do míst s největší poptávkou. Z míst, kde je velká poptávka, se auta rozjíždějí do míst s poptávkou nižší. Z pohledu lidí žijících řekněme na předměstí nebo v satelitních oblastech by sice bylo dobré, aby auto, které je přivezlo večer domů, stálo přes noc zaparkované a ráno ho zase mohli využít. Jenže to pak není sdílené auto. To bude auto pronajaté jednomu člověku. Sdílená auta by se měla vracet zpátky do centra ale kdo je bude řídit, když na okrajích měst bude poptávka po cestách malá? Taková auta musejí jezdit autonomně, aby se sama vracela.

Jak tohle bude vycházet energeticky? Rovnou mohu říct, že špatně. Kdybychom tyto elektromobily napájeli „zadarmo“ získanou energií, pak bychom o tom nemuseli uvažovat. Jenomže ono zadarmo není nic. Sdílení aut něco vyřeší, ale zdaleka ne v takové míře, na jakou se ptáte. Budu-li chtít mít jistotu, že auto ráno najdu před domem, půjde o dlouhodobý pronájem auta. Pak je otázka, nakolik je to rozdílné od stavu, kdy auto tradičně vlastním. Je to v podstatě operativní leasing. V takovém systému si třeba dokážu představit jednodušší výměnu akumulátorů nebo dokonce nabíjení akumulátorů výměnným způsobem. To totiž jinak než s pronajatými auty nejde. Představte si, že máte vlastní elektromobil a chcete si takto vyměnit vybitý akumulátor za plný. Kdo vám zaručí, že místo svého zánovního akumulátoru, který přijde na pár set tisíc korun, nedostanete starý před koncem životnosti?

Tak či tak podobný pronájem neřeší větší využití auta, když ho jeho majitel zrovna nepotřebuje.

Takový mezistupeň, který možná už i brzy může v praxi fungovat, je kombinovaná doprava. Tedy to, že člověk pojede ze satelitu jen na nějaký záchytný bod, kde auto nechá k použití dalším, a dál pojede hromadnou dopravou. Podmínkou ale je, že na druhé straně zase najde dostatek vozů, aby dojel do cíle. Hromadná doprava totiž nikdy nebude energeticky výhodná, pokud bude příliš rozptýlená. Představy o tom, že mě večer doveze elektrický mikrobus až do blízkosti mého domu, je sice hezká, ale energeticky nesplnitelná.

Možná se mýlím, ale celou kariéru se právě takovými energetickými vztahy zabývám. A málokdo v tomto kontextu dnes přemýšlí. Když přijde Amazon s tím, že bude doručovat balíky drony idea krásně namalovaná, ale asi to vymyslel někdo, kdo si myslí, že to bude stát stejné peníze jako poslat e-mail po internetu. A podstatné podle mne nejsou obavy z toho, že si dron někdo odkloní a zásilku ukradne. Podstatná je základní energetická bilance.

Tady lidstvo myslím čeká ještě velice dlouhá cesta.

, , , , ,



2 komentáře

  1. Josef Šoltes napsal:

    Zajímavý text, připadá mi mnohem lepší než ten předchozí o elektromobilech, který byl dle mého názoru dost zaujatý (pochopitelně, ale přesto…). K tomuto bych jenom dodal, že vodík v automobilech má těch problémů ještě trochu více. Třeba to, že když necháte vodíkové auto někde stát, tak po dvou týdnech neodjedete, protože se vám nádrž odpařila…

    A co se týče budoucnosti sdílení aut, tak asi největší energetické zisky se vidí v tom, že budou jezdit pokud možno plná auta. A ne jeden člověk v jednom autě. Předpoklad toho, že bude auto intenzivněji využité během celého dne je podle mého názoru nesmysl (zde souzním s autorem), protože prostě během toho dne lidé nikam jezdit nepotřebují. Jsou v práci. Uvidíme.

  2. Jan Kavik napsal:

    Článek se mi líbí, je velice fundovaný a technicky konkrétní.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Anti SPAM *

Buďme v kontaktu

Sledujte VVAutomotive na síti LinkedIn a na Facebooku – buďte v kontaktu s profesionály z oboru. Odebírejte aktuální informace a rozšiřte komunitu odborníků.

LinkedIn Facebook