Kapalné palivo a vznětový princip je pro těžké užitkové automobily stále nejvhodnější

Pomineme-li technický parní pravěk, dlouhou dobu byly pro pohon automobilů používány pouze motory zážehové, které dokonce i v zemích s dostatečnými vlastními zásobami ropy jen velice pomalu uvolňovaly pozice motorům vznětovým. Ty se však postupně prosadily díky své vyšší účinnosti – u nákladních vozidel zcela, v osobních vozidlech již téměř z poloviny.

Na počátku historie automobilismu stál Rudolf Diesel, který v roce 1892 přihlásil patent a o pět let poz ději již předvedl svůj motor o výkonu 13 kW při otáčkách 150 min-1 s celkovou účinností 26 procent. Nyní, po sto letech vývoje, mají automobilové motory účinnost až 45 procent, což je hodnota, která se již téměř nedá zlepšit. Konstrukčním standardem se stal vznětový motor s elektronicky řízeným přímým vstřikem nafty, přeplňovaný turbo-dmychadlem a s chlazením plnicího vzduchu, TDI (TurboDiesel Intercooler). Vrcholem je pak „turbokompaundní motor“, který pro zvýšení výkonu využívá i energii výfukových plynů – za turbínou pohánějící plnicí dmychadlo se nachází další turbína, spojená převodem s kapalinovou spojkou s klikovou hřídelí motoru; výkon druhé turbíny se přičítá k výkonu motoru na klikové hřídeli.

Vstřikování

Po dlouhá léta byla u automobilových motorů používána řadová vstřikovací čerpadla a u velkých průmyslových motorů samostatná čerpadla. Legislativní tlak na omezování emisí škodlivin vedl ke zvyšování vstřikovacích tlaků, které v dostatečné míře umožnily teprve sdružené vstřikovače, u nichž je do montážní jednotky sloučeno vstřikovací čerpadlo se vstřikovačem. Obchodně používaná označení jsou PD (Pumpe-Düse – čerpadlo-tryska) a UI (Unit Injektor – vstřikovací jednotka). Dalším technickým řešením je zdokonalená vstřikovací soustava PLD (Pumpe-Leitung-Düse – čerpadlo-vedení-tryska). U všech těchto vstřikovacích soustav se využívá zavádění elektronického řízení dávky a počátku vstřiku paliva (předvstřik).

V současné době se u automobilových motorů používají především dvě elektronicky řízené vstřikovací soustavy – EUI (Electronic Unit Injector) a akumulační vstřikovací soustava, pro kterou se všeobecně vžil název výraz Common Rail (CR). Princip vstřikování CR je ve své podstatě velmi jednoduchý. Vysokotlaké čerpadlo plní jistý společný (Common) akumulační objem (zásobník – Rail) palivem pod vysokým tlakem. Z této zásoby elektromagneticky ovládané ventily uvolňují potřebné množství paliva (dávku) pro každý válec motoru. Protože soustava CR je typickým příkladem mecha-troniky, tedy spojení jednoduchých základních prvků mechaniky se spolehlivou logikou elektroniky, není o budoucnosti systému Common Rail pochyby, zejména v souvislosti s dalším zpřísňováním limitů exhalací.

Technický pokrok u motorů evropských automobilů pro dálkovou dopravu je zřejmý z grafu, do kterého byly pro ilustraci vybrány nejvýkonnější automobily s odstupem pěti let. Neznamená to, že by i jiní výrobci, jako například DAF (PACCAR), IVECO a MAN, neměli ve svém tehdejším i současném výrobním programu obdobně výkonné automobily.

Výkon a točivý moment motoru

Výkon motoru je úměrný točivému momentu a otáčkám. Točivý moment je důležitý pro práci, kterou může motor vykonat, a výkon vyjadřuje, jak rychle ji lze vykonat. V řidičské hantýrce se často používá výraz „zátah“ motoru, tedy výkon při nízkých otáčkách a tomu odpovídající zrychlení. Točivý moment a jeho závislost na otáčkách je proto daleko zajímavější než nejvyšší výkon motoru při otáčkách, které jsou v provozu nereálné.

Jestliže před lety měl Mercedes-Benz 16.38 motor s točivým momentem 1550 N.m a výkonem 275 kW (375 k), současný silák Volvo FH16 má již motor 3000 N.m a 485 kW (660 k) – jedná se tedy o nárůst točivého momentu o 94 procent a výkonu o 76 procent. Zejména z důvodu snížení hlučnosti byly otáčky nejvyššího výkonu postupně snižovány z 2300 na 1900 min-1. Přeplňováním turbodmychadly s chladiči plnicího vzduchu klesla měrná spotřeba z 220 na 180 g/kWh a spotřeba paliva vozidla v silničním provozu klesla v průměru z 50 na 32 l/100 km, tedy o 36 procent.

Zúžení rozsahu provozních otáček do ekonomické oblasti (1000 až 1500 min-1) si vynutilo zvýšení počtu rychlostních stupňů až na osmnáct, přičemž nejběžnější jsou převodovky šestnáctistupňové (4×2×2), tedy osm celých a osm tzv. půlených stupňů. Není proto divu, že začínají převládat mnohostupňové automatizované převodovky, které výrazně usnadňují práci řidiče.

Exhalace a životní prostředí

Nedokonalým spalováním ropného paliva v motoru vznikají plynné i pevné škodliviny. Nejzávažnější jsou oxid uhelnatý – CO, oxidy dusíku – souhrnně NOx, nespálené uhlovodíky – HC a částice – PM (saze a jiné). Nepřímo je škodlivinou i oxid uhličitý – CO2, který přispívá k poškozování atmosféry (skleníkový efekt). Ve výfukových plynech vznětových motorů jsou nejvíce zastoupeny oxidy dusíku a částice. Problém oxidů síry byl vyřešen odsiřováním nafty.

Státy Evropské unie se v otázce emisí sjednotily a od roku 1988 postupně uvádějí v platnost předpisy Euro – od Euro 0 až po současný Euro 4 a nastupující Euro 5 (2008//2009). Pro náběh nových předpisů se stanovují dvě data. První pro homologace nových typů, druhé pro přihlašování vozidel do provozu. V mezidobí od 1. října do 30. září následujícího roku lze proto prodávat a přihlašovat vozidla s motory ještě podle předchozího předpisu.

Možnosti snižování emisí

Možnosti snížení emisí škodlivin vznětových motorů jsou v zásadě dvě. Jednodušší je řízená recirkulace výfukových plynů (EGR – Exhaust Gas Recirculation) s jejich chlazením a katalyzátorem. V tomto případě se část výfukových plynů přivádí zpět do sání motoru, aby znovu prošly procesem hoření a spalování. Negativní je ovšem mírné zvýšení spotřeby paliva. S EGR mají zkušenosti výrobci, kteří prodávají svá vozidla v severoamerických zemích, kde přísnější limity platí již několik let.

Další možností je selektivní katalytická redukce (SCR – Selective Catalytic Reduction). Při použití SCR lze plnit limity Euro 5 i další, přís-nější normy, které by v budoucnu měly vstoupit v platnost. SCR využívá chemických reakcí, které vznikají při spalování uhlovodíkového paliva za účasti dodatečné látky, kterou je vodný roztok močoviny, vstřikovaný do výfuku za turbodmychadlem. V horkém prostředí se tato neškodná kapalina, obchodně označovaná AdBlue, rozkládá a v katalyzátoru mění nežádoucí oxidy dusíku na vodní páru a dusík. Ve filtru za katalyzátorem se ještě zachycují částice a redukuje zápach. Protože její bod tuhnutí je –11 oC, musí být v zimních podmínkách nádrž vyhřívána. Pokud není AdBlue vstřikována, jsou emise znatelně vyšší.

Celé zařízení tvoří katalyzátor, vstřikovací ventil, dávkovač, nádrž a řídicí elektronika a jeho hmotnost je 150 až 200 kg. O tuto hmotnost se nutně snižuje užitečné zatížení (nosnost) vozidla. Spotřeba AdBlue je asi 4 % ze spotřeby paliva u Euro 4 a 6 % u Euro 5. Doplnění je nutné asi při každém čtvrtém (Euro 4) nebo třetím (Euro 5) plnění palivové ná-drže, přibližně po ujetí osmi až deseti tisíc kilometrů. Současná cena 0,6 €/l představuje zvýšení ceny paliva zhruba o 0,2 €/l.

Vozidla s SCR však mají oproti vozům Euro 3 nižší spotřebu paliva (o 3 až 5 %) a v důsledku nižších emisí CO2 vedoucích k tzv. skleníkovému efektu jsou také šetrnější k životnímu prostředí. Systém SCR je bezúdržbový po celou dobu životnosti vozidla, nemá vliv na servisní intervaly a intervaly výměny oleje. Provozní náklady nových automobilů v dálkové dopravě, které produkují méně emisí, se tak nezvyšují. Přestože úměrně technické úrovni, kvalitě a vybavení cena vozidel neustále stoupá, na druhou stranu významně klesají přímé provozní náklady.

Alternativní paliva

V současné době vstupují do hry i nová paliva pro vznětové motory, prozatím ve formě příměsí do běžné motorové nafty. Známý je již metylester řepkového oleje (RME – Rapeseed Methyl Ester), který jako přísada v malém množství do pěti procent nevyžaduje žádné úpravy motoru a jeho palivové soustavy i distribuční sítě a výdejních stojanů. Běžná nafta s vyšším obsahem této přísady (5 až 20 %) je již označována jako biodiesel, její použití musí schválit výrobce a distribuce je oddělena. I když je možný provoz jen na RME, prozatím se toto řešení nepoužívá. Další možností je syntetická nafta, kterou lze částečně (příměs) či úplně nahradit ropnou naftu. Vyrábět ji lze ze zemního plynu CNG (Compressed Natural Gas) nebo z bioodpadu. Kapalné palivo a vznětový princip je pro těžké užitkové automobily stále nejvhodnější.

Na počátku výzkumu je i použití paliva DME (dimetyléter), které je svými vlastnostmi podobné zkapalněnému plynu LPG (Liquid Petroleum Gas). Zde však již nastává nutnost použití zážehového principu motoru podobně jako pro další plynná paliva, například bioplyn (metan) a zemní plyn.

Výrobce i ochránce životního prostředí nejvíce tíží omezenost ropných zdrojů, hlučnost provozu a ekologická zátěž, kde se dostává do popředí problém emisí CO2. Z tohoto pohledu jsou velmi perspektivní kombinované hybridní pohony, které již jsou zavedené u osobních automobilů a zaváděné u lehkých nákladních automobilů.

Ing. Branko REMEK, CSc.,

ČVUT – FS Praha