11. listopadu 2009
Současný způsob života je ve velké míře závislý na silniční dopravě. Automobily ovšem představují jeden ze zdrojů znečištění životního prostředí. Nepříznivě působí zejména ve velkých městských aglomeracích, kde koncentrace škodlivin z provozu automobilů již ohrožuje zdraví obyvatel. Dalším závažným problémem spojeným s automobilovou dopravou je postupné vyčerpávání globálních zdrojů kapalných fosilních paliv, která jsou pro pohon silničních vozidel zatím stále nejvýhodnější. Není proto divu, že všichni významní výrobci automobilů všech kategorií věnují velkou pozornost výzkumu a vývoji alternativních paliv a jejich využití u automobilů s různými systémy pohonu.
V některých případech již vývoj dospěl tak daleko, že výrobci mohli zařadit do svého výrobního programu vozidla šetrnější k životnímu prostředí. V následujících odstavcích se zaměříme jen na lehká užitková vozidla, která zajišťují rozvážkovou službu v městském provozu.
Kde jinde začít než u zdroje všech potíží – spalovacího motoru, který má již z principu své činnosti velmi nízkou celkovou účinnost (35 až 45 procent), a navíc jeho výfukové plyny obsahují nebezpečné látky? U vznětových motorů představují hlavní pro-blém především emise oxidů dusíku (NOx) a pevných částic (PM), u motorů zážehových nespálené uhlovodíky (CH) a oxid uhelnatý (CO). Společným neduhem všech spalovacích motorů jsou emise oxidu uhličitého (CO2), který sice není toxický, ale významně se podílí na globálním oteplování v důsledku tzv. skleníkového efektu. V tomto případě je řešením pouze radikální snížení spotřeby paliva, protože CO2 vzniká i při ideálním spalování. Konečným řešením je nahrazení pístového spalovacího motoru jiným pohonem, ale jakým?
Alternativní paliva nabízejí řadu uplatnění
Vhodnost použití jiných než kapalných ropných paliv není dána jen jejich výhřevností, ale také rozsahem konstrukčních a technologických změn na motoru s příslušenstvím, které jejich využití vyžaduje. Kapitolou samou pro sebe je logistika, manipulace a distribuce plynných paliv. Na rozdíl od omezených zásob ropy (asi na 50 let) jsou světové zásoby zemního plynu rozsáhlejší (asi na 90 let) a jeho distribuce dálkovými plynovody je již dobře technicky i ekonomicky zvládnutá. Prioritním využitím energie ze zemního plynu zůstává však energetika a průmys-lová výroba. Dnes se odhaduje, že k vyčerpání zásob ropy dojde někdy v polovině tohoto století, což bude nutně znamenat používání syntetických paliv a paliv z obnovitelných zdrojů (bio). Podíl zemního plynu v dopravě zůstane zřejmě stabilní.
Z hlediska vozidla není využití zemního plynu jako paliva žádným technickým problémem, nicméně výhodné je pouze tam, kde je nutno omezit exhalace, především ve městech. Nevýhodou je zvýšení vlastní hmotnosti vozidla v důsledku použití těžkých tlakových zásobníků na plyn a tím i snížení užitečné hmotnosti automobilu. U malých dodávkových automobilů pro rozvážkový provoz je to však řešení poměrně jednoduché, ani další nevýhoda omezeného dojezdu (zhruba 200 kilometrů) u nich není nijak významná.
Vozidla s pohonem CNG (Compressed Natural Gas) jsou proto již ve výrobním programu téměř všech výrobců. Mezi průkopníky patří Daimler, FIAT i IVECO, Renault a další. Protože motory na CNG jsou zážehové, odvozené od motorů benzinových, platí z hlediska škodlivin nutnost ošetření emisí CO a CH, což zvládá oxidačně-redukční katalyzátor a elektronické řízení činnosti motoru. Shrnuto: čistší a zatím levnější provoz, ale širší využití i pro jiné druhy provozu rozhodně nepřichází v úvahu. Jinou možností je využití jiných než ropných kapalných paliv, pokud možno z obnovitelných zdrojů rost-linného původu. Zatím jen pro městské autobusy nabízí pohon na etylalkohol (etanol, líh) Scania. Zajímavostí je, že upravený motor je vznětový s běžnou vstřikovací soustavou. Etanolové palivo proto musí obsahovat lubrikační přísadu zaručující potřebné mazání celé soustavy.
Přicházejí další alternativní pohony
Spalovací motor dosáhl za 150 let svého vývoje již takového stupně dokonalosti, že jeho náhrada je tvrdým oříškem. Ideální k pohonu je sice elektromotor s vhodnou charakteristikou a vysokou účinností, ale s obrovským problémem získání a skladování elektrické energie. Akumulátory jsou těžké a rozměrné nebo velmi drahé a palivové články, přímo měnící chemickou energii paliva (nejvhodnější je vodík) na elektrickou energii, jsou ještě hudbou budoucnosti. Musí se vyřešit ekonomika výroby vodíku, jeho bezpečná distribuce a skladování a samozřejmě s tím související ekonomika provozu. Při tom všem bude nutné využít i jaderné energetiky.
Přechodem mezi čistě elektrickým pohonem a pohonem spalovacím motorem je využití výhod obojího, tedy hybridní pohon. Z hlediska kombinace obou možností pohonu se rozlišuje paralelní a sériové uspořádání, případně jejich kombinace. Pouze u sériového hybridního pohonu je již zcela přerušeno mechanické propojení spalovacího motoru a poháněných kol vozidla. Spalovací motor pohání jen generátor proudu, který napájí trakční elektromotor a akumulátorové baterie.
Ve výrobních programech některých předních automobilek však již jsou i nákladní a ostatní užitkové automobily lehké a střední kategorie s paralelním hybridním pohonem. Pro malé užitkové automobily není ještě toto řešení úplně zralé (hmotnost). Jeho velkou výhodou je skutečnost, že z konstrukčního hlediska stačí vložit mezi běžný motor a převodovku vhodný elektrický točivý stroj (motorgenerátor) s další třecí spojkou. Pokud jsou obě spojky sepnuty, je vozidlo poháněno spalovacím motorem, případně i elektromotorem (paralelně).
Rozpojením první spojky se odpojí spalovací motor a vůz je poháněn jen elektromotorem napájeným z akumulátorů. Po rozpojení druhé spojky spalovací motor pohání generátor dobíjející akumulátory, případně obráceně je z akumulátorů spouštěn spalovací motor. V obou posledních případech samozřejmě vozidlo stojí. Další výhodou je využití kinetické energie vozidla při zpomalování k dobíjení akumulátorů, což se označuje jako rekuperace energie. Generátor je v tomto případě elektrodynamickou brzdou (retardérem).
V praxi se obvykle využívá čistě elektrického pohonu (s nulovými emisemi) při pomalé jízdě ve městě (do 50 km/h) a pohonu motorem při jízdě vyšší rychlostí nebo v případě nedostatečné kapacity akumulátorů (vybití). Oba pohony se propojují jen při abnormálních jízdních odporech, například při prudké akceleraci nebo při jízdě do velkého stoupání. Volba režimu je buď na vůli řidiče, nebo je nezávisle na něm řízena programem elektronické řídicí jednotky.
Širšímu využití vozidel s hybridním pohonem zatím brání jejich vyšší pořizovací cena a nižší užitkovost vozidla, ale všichni výrobci musí být a již jsou připraveni na stávající i budoucí legislativní zásahy do regulace dopravy ve velkých městských aglomeracích.
Podnikatelé v městské osobní dopravě, v zásobování prodejen a v městském a příměstském rozvážkovém provozu již mají z čeho volit a doba je vhodná k zavedení progresivních ekologických řešení. Dalším stimulem jsou různé investiční pobídky a legislativní omezení nebo naopak výhody. Pokud jsou v místě podnikání plnicí stanice CNG, je volbou rozvážkový automobil se zážehovým motorem na zemní plyn. V České republice je v nejbližších letech plánováno rozšíření počtu plnicích stanic ze stávajících asi dvaceti na dvě stě.
Je-li dodávkový automobil (kategorie N1) pro potřebnou přepravní kapacitu až příliš malý, přichází v úvahu lehký až střední užitkový automobil kategorie N2 (celková hmotnost 3,5 až 12,0 tun) s paralelním hybridním pohonem. Ve výrobním programu již v tomto nebo na příští rok ho mají téměř všichni hlavní evropští a japonští výrobci.
Domácí výrobci automobilů v tomto případě poněkud zaspali (Avia a Škoda Auto), s výjimkou výrobců autobusů (IVECO – Irisbus, SOR a Tedom), kteří jsou připraveni. Tatra vyrábí jen vozidla těžké kategorie, pro něž je hybridní pohon zatím jen hudbou budoucnosti. Nicméně všichni dohánějí zpoždění a hybridní pohony s CNG motory jsou také atraktivním tématem diplomových prací studentů technických univerzit. Nejen český automobilový průmysl, ale i české univerzity jsou dobře připraveny čelit výzvám současnosti i budoucnosti.
Ing. Branko Remek, CSc., ČVUT Praha
