PRACA DOKTORSKA

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A W ^YDZIAŁ M A S ZYN R OB OC ZY CH I T RA NSP ORT U

PRACA DOKTORSKA

mgr inż. Maciej Andrzejewski

WPŁYW STYLU JAZDY KIEROWCY NA ZUŻYCIE PALIWA I EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH

W SPALINACH

Promotor:

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

Praca naukowa finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w latach 20112013 w ramach projektu badawczego promotorskiego nr N N509 562340

Poznań 2013

Spis treści

Streszczenie ... 4

Abstract ... 4

Spis skrótów i oznaczeń ... 6

1. Wstęp ... 9

2. Sposoby zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach pojazdów samochodowych ... 13

2.1. Silnikowe i pozasilnikowe układy oczyszczania spalin ... 13

2.2. Zmiany konstrukcyjne jednostek napędowych ... 19

2.3. Napędy alternatywne ... 24

2.4. Sposób eksploatacji pojazdu ... 32

3. Cel, teza i zakres pracy ... 41

4. Kryteria oceny stylu jazdy kierowcy ... 46

4.1. Wykorzystanie danych z pokładowych rejestratorów parametrów ruchu pojazdów ... 46

4.2. Zdefiniowanie stylów jazdy kierowcy ... 48

5. Metodyka badań ... 50

5.1. Obiekty badań ... 50

5.2. Aparatura do pomiarów zużycia paliwa i emisji substancji szkodliwych w spalinach ... 56

5.3. Harmonogram badań ... 63

5.4. Niepewność pomiarowa ... 66

6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania w rzeczywistych warunkach ruchu ... 70

6.1. Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję substancji szkodliwych i zużycie paliwa ... 70

6.1.1. Dynamika przyspieszania pojazdem ... 70

6.1.2. Rozpędzanie pojazdu z zastosowaniem różnej liczby biegów ... 83

6.2. Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję spalin i zużycie paliwa ... 94

6.3. Wpływ sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin i zużycie paliwa 103

7. Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję spalin w warunkach ruchu drogowego ... 117

7.1. Badania drogowe pojazdów lekkich ... 117

7.2. Badania drogowe pojazdów ciężkich ... 134

8. Propozycja zaleceń dotyczących sposobu jazdy z uwzględnieniem

wyników pracy ... 138

9. Zakończenie ... 140

9.1. Wnioski ... 140

9.2. Kierunki dalszych prac ... 144

Literatura ... 145

Streszczenie

Przedmiotem niniejszej pracy była analiza wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd samochodowy. Wykonano ją na podstawie pomiarów toksyczności spalin, przeprowadzonych przy użyciu mobilnej aparatury badawczej, w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów. Środkiem realizacji pracy była szczegółowa ocena wybranych zasad eco-drivingu.

Dążeniem autora było określenie oddziaływania zachowania kierowcy na środowisko naturalne człowieka oraz wskazanie wpływu stosowanego przez niego sposobu jazdy na ekologiczne i energetyczne aspekty eksploatacji pojazdu w różnych warunkach ruchu drogowego. Dlatego też w ramach pracy wykonano badania drogowe pojazdów: osobowych, dostawczych i ciężarowych. Pojazdy te badano na trasach o różnej długości i charakterystyce. W przeważającej części pomiary toksyczności spalin wykonywano w ruchu miejskim.

Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że stosowanie zasad jazdy ekologicznej i ekonomicznej przez prowadzącego pojazd samochodowy, powoduje znaczące zmniejszenie zawartości tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz cząstek stałych w spalinach. Ponadto stwierdzono, że zmniejszenie emisji spalin, a przy tym i przebiegowego zużycia paliwa przez pojazd, w wyniku stosowania zasad eco-drivingu, jest dostrzegalne zwłaszcza w warunkach jazdy miejskiej (przy występowaniu dużego natężenia ruchu, częstego przyspieszania i hamowania oraz postoju). Efektem było również podanie zasad dotyczących sposobu jazdy i uzyskiwania wymiernych efektów zmniejszenia emisji spalin i zużycia paliwa.

Abstract

The influence of the driving style on the fuel consumption and exhaust emissions

The subject of this dissertation was to analyze the impact of the driving style on the exhaust emissions and fuel consumption of the motor vehicle. It was done by measuring the toxicity of exhaust gases under real operating conditions of vehicles, by using the mobile research equipment. The means, which allowed to explore the problem, was a detailed evaluation of selected principles of eco-driving.

An author’s aspiration was to determine the impact of driver behavior on the

environment and to indication of the impact of his driving style on the environmental

and energy aspects of the vehicle exploitation in various traffic conditions. Therefore

under the dissertation a series of road tests of vehicles was done. The vehicles belonged

to three types: passenger cars, light duty and heavy duty vehicles. These vehicles were

tested on routes of different lengths and characteristics. For the most part the exhaust

emissions measurements were carried out in urban traffic.

The studies have shown that the use by the driver the eco-driving principles

causes a significant reduction in carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons,

nitrogen oxides and particulate matter concentration in the exhaust. It was also found

that the reduction of exhaust emissions and fuel consumption, as a result of application

of the eco-driving principles, is visible especially in urban driving conditions – heavy

traffic and frequent acceleration, braking and layover. The result was also the

presentation of the rules on driving style and obtaining measurable effects to reduce

exhaust emissions and fuel consumption.

Spis skrótów i oznaczeń

α poziom istotności

a przyspieszenie (pojazdu) [m/s

]

a

przyspieszenie średnie (tylko dodatnie) [m/s

]

ACEA European Automobile Manufacturers’ Association – europejskie stowarzyszenie producentów pojazdów

APU Auxiliary Power Unit – tzw. pomocnicza jednostka mocy (dodatkowe źródło energii)

ATMS Advanced Traffic Management System – zaawansowany system zarządzania ruchem drogowym

BRT Bus Rapid Transit – system szybkiej komunikacji autobusowej CAN Controller Area Network – szeregowa magistrala komunikacyjna

CARB California Air Resources Board – kalifornijski Urząd Ochrony Środowiska CNG Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny

CO tlenek węgla CO

dwutlenek węgla

CRT Continuous Regeneration Trap – układ oczyszczania spalin firmy HJS Emission Technology, przeznaczony do pojazdów ciężarowych

DeNO

zaawansowany reaktor katalityczny wiążący i redukujący tlenki azotu dmc dopuszczalna masa całkowita pojazdu

DOC Diesel Oxidation Catalyst – utleniający reaktor katalityczny dla silnika ZS DPF Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych

DR Dilution Ratio – stopień rozcieńczenia spalin

ECU Electronic Control Unit – elektroniczna jednostka sterująca pracą silnika spalinowego

EEV Enhanced Environmentally-friendly Vehicle – pojazd przyjazny środowisku EGR Exhaust Gas Recirculation – system recyrkulacji gazów spalinowych

EOBD European On-Board Diagnostics – europejski odpowiednik amerykańskiego systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD

EPA Environmental Protection Agency – urząd ochrony środowiska, działający na terenie Stanów Zjednoczonych

ESC European Stationary Cycle – homologacyjny europejski test statyczny wykonywany na hamowni silnikowej (dla pojazdów ciężkich)

ETC European Transient Cycle – homologacyjny europejski test dynamiczny wykonywany na hamowni silnikowej (dla pojazdów ciężkich)

FAME Fatty Acid Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych

FID Flame Ionization Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny GHG Greenhouse Gases – gazy cieplarniane

GPS Global Positioning System – system nawigacji satelitarnej

GSM Global System for Mobile communications – standard telefonii komórkowej

HC węglowodory

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition – silnik z systemem spalania mieszanki jednorodnej

HDD Heavy Duty Diesel – silnik ZS o dużej objętości skokowej HDV Heavy Duty Vehicle – pojazd ciężki

HDV1 obiekt badań – samochód ciężarowy nr 1 HDV2 obiekt badań – samochód ciężarowy nr 2

HDV3 obiekt badań – zestaw drogowy (ciągnik siodłowy i naczepa)

ITS Intelligent Transportation Systems – inteligentne systemy transportowe I

indeks agresywności jazdy

k liczba stopni swobody, równa liczbie pomiarów n pomniejszonej o 1 LDV Light Duty Vehicle – lekki pojazd użytkowy

LDV1 obiekt badań – samochód dostawczy nr 1, wyposażony w silnik ZS LDV2 obiekt badań – samochód dostawczy nr 2, wyposażony w silnik ZS LDV3 obiekt badań – samochód dostawczy nr 3, wyposażony w silnik ZS LDV4 obiekt badań – samochód dostawczy nr 4, wyposażony w silnik ZS MPI Multi Point Injection – system wtrysku wielopunktowego

n liczba wykonanych pomiarów NCN Narodowe Centrum Nauki

NDIR Non-Dispersive InfraRed – analizator niedyspersyjny na podczerwień

NDUV Non-Dispersive UltraViolet – analizator niedyspersyjny na promieniowanie ultrafioletowe

NEDC New European Driving Cycle – homologacyjny europejski test jezdny wykonywany na hamowni podwoziowej

NO tlenek azotu NO

dwutlenek azotu NO

tlenki azotu

OBD On-Board Diagnostics – amerykański system diagnostyki pokładowej pojazdu PASS Photo Acoustic Soot Sensor – czujnik fotoakustyczny do określania stężenia

cząstek stałych w spalinach

PC Passenger Car – samochód osobowy

PC1 obiekt badań – samochód osobowy nr 1, wyposażony w silnik ZI PC2 obiekt badań – samochód osobowy nr 2, wyposażony w silnik ZS PC3 obiekt badań – samochód osobowy nr 3, wyposażony w silnik ZI PC4 obiekt badań – samochód osobowy nr 4, wyposażony w silnik ZS PC5 obiekt badań – samochód osobowy nr 5, wyposażony w silnik ZI PDE Pumpe Düse Einheit – pompowtryskiwacz

PEMS Portable Emissions Measurement System – aparatura mobilna do badań toksyczności spalin

PM Particulate Matter – cząstki stałe

Q wartość przebiegowego zużycia paliwa [dm

/100 km]

RME Rapeseed Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego

s(x) odchylenie standardowe z próbki (niepewność przypadkowa pojedynczego

pomiaru)

SAE Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji SCR Selective Catalytic Reduction – system selektywnej redukcji katalitycznej SMF Sintered Metal Filter – filtr cząstek stałych, wykonany ze spieków metali t zmienna losowa w rozkładzie Studenta

t

udział czasu jazdy na pierwszym biegu [%]

t

udział czasu jazdy na drugim biegu [%]

t

udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 1850 obr/min [%]

t

udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 2000 obr/min [%]

dokładność pomiaru

TWC Three Way Catalyst – trójfunkcyjny reaktor katalityczny dla silnika ZI u(x) niepewność standardowa (odchylenie standardowe średnich arytmetycznych) V prędkość (jazdy) [m/s], [km/h]

V

objętość skokowa silnika [dm

]

VCR Variable Compression Ratio – zmienny stopień sprężania silnika spalinowego VGT Variable Geometry Turbocharger – turbosprężarka o zmiennej geometrii

łopatek

VVT Variable Valve Timing – system zmiennych faz rozrządu

VVTL Variable Valve Timing and Lift – system zmiennych faz rozrządu

WHTC World Harmonized Transient Cycle – test dynamiczny dla pojazdów ciężkich obowiązujący od normy Euro VI

x

wartość otrzymana w i-tym pomiarze

x

dolna granica przedziału ufności dla wartości średniej x

górna granica przedziału ufności dla wartości średniej

XPI eXtra-high Pressure Injection – nowoczesny układ wtrysku paliwa firmy Scania

ZI silnik spalinowy o zapłonie iskrowym ZS silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym λ współczynnik nadmiaru powietrza []

±𝑡_𝛼,𝑘∙ 𝑠(𝑥 )

1. Wstęp

W ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost liczby pojazdów samochodowych na świecie, głównie w krajach rozwijających się (rys. 1.1). Wzrost gospodarczy w tych krajach powoduje wzrost zamożności ich mieszkańców, co przekłada się na coraz częstsze posiadanie przez wspólnoty rodzinne więcej niż jednego samochodu. Rynek motoryzacyjny staje się więc coraz większy, a każdy z koncernów motoryzacyjnych stara się mieć na nim jak największy udział (konieczność ciągłego rozwoju produkcji).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1980 1990 2000 2010 2020 2030

Liczba pojazdów [mln sztuk]

Liczba ludności [mld]

Rok Liczba ludności

Liczba pojazdów

Rys. 1.1. Prognozowany światowy wzrost liczby pojazdów na tle liczby ludności [78]

Jednym z ważniejszych czynników warunkujących charakter rozwoju techniki motoryzacyjnej w kilku najbliższych dziesięcioleciach, będzie świadomość, że bez ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin dość szybko może dojść do katastrofalnego zanieczyszczenia środowiska. Aby temu zapobiec, światowi ustawodawcy (w Europie Komisja Europejska) wprowadzają w życie coraz bardziej rygorystyczne normy emisji substancji szkodliwych z pojazdów [55, 56, 58, 85, 86].

Ograniczenia te mają na celu poprawę jakości powietrza, szczególnie w strefach o dużym natężeniu ruchu drogowego, oraz zmniejszenie uzależnienia motoryzacji od paliw kopalnych. Producenci pojazdów, chcąc spełnić coraz „ostrzejsze” normy czystości spalin, niestety są często zmuszeni do stosowania innowacyjnych, drogich rozwiązań.

Najbardziej istotne znaczenie w aspekcie ekologicznych skutków eksploatacji

pojazdów ma emisja związków toksycznych z pojazdów ciężarowych (użytkowych),

zwłaszcza tych poruszających się po zatłoczonych centrach miast (głównie autobusy

miejskie, pojazdy komunalne i dystrybucyjne), gdzie w bliskim ich otoczeniu porusza

się duża liczba osób – m.in. piesi i rowerzyści. Pojazdy ciężarowe odgrywają jednak

kluczową rolę w transporcie osób i ładunków. Obecnie w Polsce (rys. 1.2) i na świecie

eksploatowanych jest wiele typów takich pojazdów o różnej ładowności, ograniczonej

dopuszczalną masą całkowitą (dmc).

0 500 000 1 000 000 1 500 000 2 000 000 2 500 000 3 000 000 3 500 000

1995 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Liczba pojazdów [szt]

Rok

Rys. 1.2. Liczba pojazdów ciężarowych poruszających się po polskich drogach w latach 1995–2010 [96]

Transport samochodowy odgrywa znaczącą rolę w rozwoju światowej gospodarki. Jest on jednak odpowiedzialny za 20–25 % światowej emisji dwutlenku węgla (z emisją CO

bezpośrednio związane jest zużycie paliwa przez pojazdy).

Według danych pochodzących z Ministerstwa Ochrony Środowiska, w roku 2002 transport samochodowy w kraju wytwarzał 29,5 mln kg CO

i zjawisko to wykazuje tendencję wzrostową. Eksploatowane samochody przyczyniają się do zanieczyszczenia atmosfery w około 30 %, a w dużych miastach nawet w 90 %. Szacuje się również, że pojazdy silnikowe są odpowiedzialne za emisję około 12 % gazów cieplarnianych (GHG – Greenhouse Gases) w Europie [92]. Zatem wszelkie działania, polegające na ograniczeniu skali tego zjawiska są uzasadnione.

Unia Europejska (UE) od wielu już lat podejmuje kroki związane z ograniczaniem dopuszczalnej emisji dwutlenku węgla przez pojazdy samochodowe. Dzięki określeniu rygorystycznych norm „zmuszono” przemysł motoryzacyjny do produkcji pojazdów ekonomicznych i bardziej przyjaznych środowisku (rys. 1.3 i 1.4). Przykładowo, emisja drogowa CO

o wartości 130 g/km oznacza przebiegowe zużycie paliwa ok. 5,1 dm

/100 km, a o wartości 95 g/km już tylko 3,7 dm

/100 km [12]. Sprostanie wprowadzeniu kolejnych planowanych ograniczeń odnośnie do emisji drogowej dwutlenku węgla jest – zdaniem Komisji Europejskiej – możliwe dzięki nowym konstrukcjom silników, nowym technologiom ogumienia, klimatyzacji oraz zastosowaniu tzw. biopaliw.

Niemieccy producenci, specjalizujący się w produkcji dużych pojazdów proponowali, by większa masa samochodu pozwalała na dużo większy limit emisji CO

. Inny pogląd prezentowały koncerny włoskie i francuskie – jak najmniejsze

„odchylenia” od przyjętego limitu i znaczące kary za jego przekroczenie (przekroczenie limitu emisji w 2012 r. kosztowało 35 euro za każdy 1 g nadmiarowej emisji CO

od każdego samochodu; w 2015 r. kara będzie wynosiła 95 euro) [14, 80]. Ostatecznie Komisja zaproponowała, aby nowy limit emisji drogowej dwutlenku węgla był tylko uśrednioną wartością dla całej floty pojazdów danego producenta (rys. 1.5). Stąd między innymi pojawił się trend związany z łączeniem się koncernów motoryzacyjnych w grupy producenckie oraz z posiadaniem w ofercie przez takich producentów, jak np.

Daimler czy BMW, pojazdów małych (odpowiednio: Smart i Mini).

Współcześnie dąży się nie tylko do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w spalinach pojazdów, ale do jej zmniejszenia na całej tzw. drodze od źródła do koła – from well to wheel. W tej kwestii, oprócz uregulowań prawnych, istotną rolę odgrywają też dobrowolne zobowiązania do ograniczania emisji CO

i zużycia paliwa samych producentów pojazdów, np. zrzeszonych w ACEA (European Automobile Manufacturers’ Association) – europejskim stowarzyszeniu producentów pojazdów.

CO2[g/km] plan na 2015 rok

plan na 2020 rok

Rys. 1.3. Emisja drogowa dwutlenku węgla z nowych samochodów osobowych eksploatowanych w Europie [15, 19]

Redukcja em isji CO₂ Koszt realizacji

Wskaźnik zmiany biegów Obniżenie oporów aerodynamicznych i toczenia Optymalizacja układu przeniesienia napędu Odzysk energii podczas hamowania Zarządzanie przepływem ciepła Zmienne układy pomocnicze System start-stop Bezpośredni wtrysk benzyny II generacji (HPI) Mildhybrid Fullhybrid

Rys. 1.4. Analiza zysk-koszt różnych rozwiązań zmniejszających emisję dwutlenku węgla w samochodach firmy BMW [24]

Wśród możliwości zmniejszenia zużycia paliwa przez współczesne pojazdy wyróżnić można m.in. [63]:

‒ zastosowanie silnika ZS (30 %),

‒ hybrydyzacja napędu (5‒30 %),

‒ dezaktywacja cylindrów (6‒20 %),

‒ zmienne fazy rozrządu (5‒20 %),

‒ spalanie mieszanek homogenicznych (15 %),

‒ optymalizacja przekładni (do 15 %),

‒ silnik ZI, wtrysk bezpośredni (4‒10 %),

‒ zmienny stopień sprężania (9 %),

‒ downsizing (6 %).

Rys. 1.5. Średnia emisja drogowa dwutlenku węgla dla floty pojazdów danego producenta [87]

Mimo ciągle prowadzonych prac nad rozwojem silników spalinowych, zasilanych innym rodzajem paliwa niż benzyna czy olej napędowy, klasyczne silniki są nadal podstawowym źródłem napędu pojazdów. Konstruktorzy silników i pojazdów rozwijają obecnie kilka metod konstrukcyjno-technologicznych pozwalających na znaczne zmniejszenie emisji substancji szkodliwych w spalinach i poprawę sprawności układu napędowego (uzyskania mniejszego zapotrzebowania na energię). Prace prowadzone w wielu ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych, dotyczące ww. parametrów, mają związek zarówno ze zmianami konstrukcyjnymi w samych silnikach, jak i ze zmianami w pozostałych podzespołach lub układach pojazdów. Jedną z metod, za pomocą której możliwe jest zrealizowanie określonego celu, jest również propagowanie zasad związanych z oszczędnym (ekologicznym) sposobem eksploatacji pojazdów – tzw. eco-driving.

Niniejsza rozprawa doktorska powstała w wyniku przeprowadzonych badań, które

sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN) – projekt badawczy

promotorski nr N N509 562340. Przedmiotowy projekt dotyczył oceny wpływu stylu

jazdy kierowcy, określanego jako eco-driving, na zużycie paliwa i emisję substancji

szkodliwych w spalinach.

2. Sposoby zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach pojazdów samochodowych

2.1. Silnikowe i pozasilnikowe układy oczyszczania spalin

Ze światowym rozwojem motoryzacji, zwłaszcza tym dynamicznym, obserwowanym w przypadku Chin i Indii, nieuchronnie związany jest wzrost zużycia paliw kopalnych. W wyniku reakcji utleniania paliwa (spalania) oprócz energii cieplnej powstaje również wiele substancji, także tych szkodliwych dla środowiska naturalnego.

Najbardziej znaczącymi wśród nich są: tlenek i dwutlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu oraz cząstki stałe. Aby zminimalizować udział tych substancji w spalinach emitowanych przez silnik należy ciągle (bo przepisy dotyczące emisji spalin są obecnie w szybkim tempie zmieniane i zaostrzane) pracować nad nowoczesnymi układami oczyszczania spalin [66]. Wymagane jest stosowanie coraz doskonalszych oraz efektywniejszych konstrukcji, które zapewnią maksymalne zmniejszenie ilości zanieczyszczeń emitowanych z gazami wylotowymi.

Współcześnie ograniczenie emisji szkodliwych produktów niezupełnego i niecałkowitego spalania paliwa w silnikach spalinowych zasadniczo może być osiągnięte przez realizację dwóch grup przedsięwzięć. Przedsięwzięcia te można określić jako [62]:

1) pierwotne (tzw. wewnątrzsilnikowe), które polegają na wprowadzeniu odpowiednich zmian konstrukcyjnych lub regulacyjnych w podzespołach i układach silnika, powodujących, że spaliny opuszczające cylindry zawierają mniej substancji szkodliwych. W zakres przedsięwzięć pierwotnych mogą wchodzić m.in.:

– optymalizacja faz rozrządu,

– optymalizacja strategii wtrysku (wtrysk wielofazowy, wysokociśnieniowy, itp.), – recyrkulacja spalin,

– optymalny dobór stopnia sprężania, – poprawa napełniania cylindrów,

– doskonalenie kształtu komory spalania,

– zawirowanie ładunku w komorze spalania oraz lepsze przygotowanie mieszanki palnej,

– dobór poziomu temperatury wewnątrz cylindra, – metoda wyłączania z pracy wybranych cylindrów.

2) wtórne (tzw. pozasilnikowe), w ramach których, w układzie wylotowym silnika instaluje się specjalne systemy oczyszczania spalin, np.:

– reaktory katalityczne utleniające,

– reaktory katalityczne trójfunkcyjne z regulacją stosunku nadmiaru powietrza (czujnik tlenu) w układzie sprzężenia zwrotnego,

– układy selektywnej redukcji katalitycznej,

– filtry cząstek stałych.

W zakres przedsięwzięć wtórnych wchodzą również: podgrzewanie reaktorów katalitycznych w fazie rozruchowej, izolacja układów wylotowych, doprowadzanie powietrza wtórnego do dopalania.

Obecnie w różnych ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych (B+R) na świecie prowadzi się intensywne prace nad wieloma z przedsięwzięć pierwotnych, w celu uzyskania najlepszych efektów w zakresie poprawy ekologiczności silników spalinowych. Dzięki temu poziom emisji substancji szkodliwych jest obniżany do poziomu, który pozwala wraz z przedsięwzięciami wtórnymi na spełnienie restrykcyjnych norm emisji spalin.

Zagadnienie ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin zostało do tej pory w zasadzie w sposób kompleksowy i zadowalający rozwiązane jedynie dla silników spalinowych o zapłonie iskrowym (w dalszej części pracy będzie skrócony zapis: silniki ZI). Nastąpiło to dzięki zastosowaniu w układach wylotowych trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych (TWC – Three Way Catalyst). W przypadku silników ZI o bezpośrednim wtrysku paliwa, montowanie jako układu oczyszczania spalin wyłącznie reaktora TWC staje się powoli niewystarczające, aby sprostać wymaganiom współczesnych norm emisyjnych [66]. Konieczne jest więc łączenie go z innymi dodatkowymi układami, co niestety powoduje wzrost kosztów produkcji całego pojazdu.

W związku z inną specyfiką oraz odmiennymi parametrami pracy (w tym zmienną wartością współczynnika nadmiaru powietrza λ i inną strukturą wydzielanych substancji szkodliwych) silników o zapłonie samoczynnym (ZS), nie można w nich bezpośrednio zastosować reaktorów działających na tej samej zasadzie, co reaktory trójfunkcyjne w silnikach ZI. Zmniejszenie emisji substancji toksycznych z silników ZS jest więc jednym z ważniejszych zagadnień, którymi zajmuje się wiele podmiotów z branży motoryzacyjnej. Sprzedawane na rynku europejskim, na przestrzeni ostatnich lat, samochody osobowe napędzane silnikami o zapłonie samoczynnym często wyposażano w utleniające reaktory katalityczne (DOC – Diesel Oxidation Catalyst).

Tego rodzaju reaktory montowano także w niektórych układach wylotowych silników typu HDD (Heavy Duty Diesel), służących m.in. do napędu samochodów ciężarowych.

W typowych utleniających reaktorach katalitycznych następuje dopalanie produktów niezupełnego spalania (tlenku węgla i węglowodorów) oraz frakcji organicznej cząstek stałych (jedynie częściowo). Natomiast w celu zmniejszenia emisji tlenków azotu oraz cząstek stałych (jako całości – frakcja organiczna i nieorganiczna) stosowane są odrębne przedsięwzięcia, takie jak selektywna redukcja katalityczna SCR (Selective Catalytic Reduction) oraz filtr cząstek stałych DPF (Diesel Particulate Filter).

Parametry procesu spalania w silniku ZS mogą być optymalizowane albo pod

kątem minimalizacji emisji PM albo NO

. Jeśli regulacja jednostki napędowej jest

zorientowana na uzyskanie małej zawartości tlenków azotu w spalinach (np. przez

zastosowanie układu EGR – Exhaust Gas Recirculation), wówczas niezbędne jest

zainstalowanie filtra cząstek stałych w układzie wylotowym. Natomiast, gdy

optymalizacja parametrów procesu spalania jest ukierunkowana na osiągnięcie małego

poziomu emisji PM, wówczas w celu zmniejszenia emisji NO

stosuje się najczęściej

układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR. Oba wymienione sposoby umożliwiają spełnienie norm emisji spalin Euro V oraz EEV (Enhanced Environmentally-friendly Vehicle). Aby jednak osiągnąć wymagane aktualną normą Euro VI poziomy emisji tlenków azotu i cząstek stałych, należy stosować kombinację tych dwóch sposobów.

Przykładowy, rozbudowany układ oczyszczania spalin, będący połączeniem opisywanych technik zmniejszających ilość NO

i PM w spalinach, zaprezentowano na rysunku 2.1.

Rys. 2.1. Silnik firmy Scania (Euro VI) z zaawansowanym układem oczyszczania spalin [34]

Technologia BlueTec koncernu Daimler jest przykładem zastosowania opisanych wcześniej metod ograniczania emisji tlenków azotu i cząstek stałych w samochodach osobowych. Została ona zaprezentowana przez Daimlera na rynku amerykańskim w roku 2006. W rzeczywistości nie chodziło o jedno konkretne rozwiązanie techniczne, a raczej o jeden efekt: zapewnienie zgodności z istniejącymi w Stanach Zjednoczonych, wymagającymi normami w zakresie czystości spalin (według przepisów EPA – Environmental Protection Agency lub CARB – California Air Resources Board).

Wyróżnić można dwa systemy BlueTec. Pierwszy, to stosowane powszechnie w wielu pojazdach użytkowych dawkowanie do układu wylotowego silnika preparatu mocznikowego, który uwalniając w wysokiej temperaturze amoniak, umożliwia pracę reaktora SCR. Reaktor ten rozkłada znaczną część tlenków azotu, zawartych w spalinach. Na cały układ oczyszczania spalin w systemie BlueTec składają się [3, 4, 27]:

‒ reaktor katalityczny utleniający, zabudowany razem z bezobsługowym filtrem cząstek stałych,

‒ dozownik wodnego roztworu preparatu mocznikowego AdBlue, rozkładającego się na amoniak,

‒ reaktor katalityczny SCR, przetwarzający tlenki azotu do czystego azotu.

Firma Daimler zdecydowała się również wprowadzić na rynek motoryzacyjny

system BlueTec w innej, mniej skomplikowanej technicznie wersji – bez dawkowania

roztworu mocznikowego. W zamian system wykorzystuje reaktory katalityczne DeNO

oraz SCR (ten drugi działający dzięki wytwarzaniu amoniaku w pewnych fazach pracy

reaktora DeNO

).

Nazwa BlueTec określa nie tylko wspomniany układ reaktorów katalitycznych i filtrów, ale cały system pozwalający na zminimalizowanie emisji wszelkich szkodliwych składników spalin. W jego skład bowiem wchodzą najnowsze rozwiązania osprzętu silnika z wielofazowym wtryskiem paliwa pod ciśnieniem ponad 200 MPa (wtryskiwacze piezoelektryczne), mały stopień sprężania równy 16,5, nowa konstrukcja ceramicznych świec żarowych, regulowana turbosprężarka, układ recyrkulacji spalin, wreszcie zaawansowane sterowanie elektroniczne. Zespół współpracujących reaktorów katalitycznych i filtrów jest ostatnim ogniwem tego systemu.

Drugim przykładem zaawansowanego układu oczyszczania spalin, przeznaczonym jednak do pojazdów ciężarowych, jest system CRT (Continuous Regeneration Trap). Stanowi on połączenie reaktora katalitycznego utleniającego i filtra cząstek stałych SMF (Sintered Metal Filter, wykonany z metali spiekanych), zamkniętych we wspólnej obudowie. Filtr w systemie CRT nie wymaga stosowania dodatku do paliwa, jego regeneracja zachodzi dzięki precyzyjnemu sterowaniu parametrami spalin. Układ CRT opracowano w niemieckiej firmie HJS Emission Technology (HJS); jest przewidziany do stosowania w autobusach i innych pojazdach użytkowych (rys. 2.2).

Rys. 2.2. System CRT samochodu ciężarowego Mercedes-Benz Actros (Euro V) [29]

Filtr cząstek stałych SMF, w przeciwieństwie do filtrów ceramicznych wykonano ze specjalnego spieku metalowego. Posiada on ścianki wykonane z porowatej stali chromoniklowej o dużej odporności termicznej, na które dodatkowo naniesiono ten sam materiał w postaci sproszkowanej (rys. 2.3). Ścianki te są łączone ze sobą na przeciwległych końcach, tworząc tym samym na przemian rozszerzające się i zwężające komory. Umieszczone na ściankach pory o małej średnicy (ok. 10 μm) umożliwiają przenikanie spalin z komory do komory, podczas gdy cząstki stałe zatrzymują się w skomplikowanej strukturze spieku. Sprawność filtrów SMF wynosi nawet 99 %, a jednocześnie straty ciśnienia (wywoływane przez filtr) są relatywnie niewielkie [66].

Dobre odprowadzanie ciepła i metalowa elastyczność chronią filtr przed termicznym

uszkodzeniem regeneracyjnym. Dodatkowo wyeliminowano ewentualną możliwość

emisji szkodliwych włókien ceramicznych.

a) b)

Rys. 2.3. Wkład filtra SMF [29]: a) ścianki wykonane z blachy chromoniklowej, dodatkowo pokrytej chromoniklowym proszkiem, b) fragment ścianki filtra widziany pod mikroskopem

System CRT różni się od innych rozwiązań wykorzystujących filtr cząstek stałych. Do wypalania cząstek zatrzymanych w filtrze nie wykorzystuje się bowiem cząsteczek tlenu, lecz cząsteczki dwutlenku azotu. Umieszczony przed filtrem utleniający reaktor katalityczny, powoduje m.in. utlenienie tlenku azotu (NO) do dwutlenku azotu (NO

). Jest to ważne, ponieważ tlenek azotu, w przeciwieństwie do dwutlenku, nie przyczynia się do wypalania PM i regeneracji filtra. Skuteczne działanie układu oczyszczania spalin CRT wiąże się między innymi z [66]:

‒ koniecznością stosowania paliwa o zawartości siarki ograniczonej do 50 ppm,

‒ potrzebą zapewnienia temperatury spalin w zakresie od 250 do 400 ºC.

Układ oczyszczania spalin firmy HJS może być uzupełniony o reaktor katalityczny redukujący NO

. Modułową budowę systemu CRT z dodatkowym reaktorem redukującym (system SCRT) przedstawiono na rysunku 2.4.

Rys. 2.4. Nowoczesny układ oczyszczania spalin SCRT firmy HJS [29]

Kolejnym przykładem konstrukcyjnym – tym razem z grupy przedsięwzięć

pierwotnych – zastosowania skutecznych metod ograniczania emisji NO

i PM jest

rozwiązanie szwedzkiego producenta pojazdów ciężarowych. Firma Scania, jako

pierwszy na świecie producent, zbudowała silnik spełniający normę emisji Euro V bez

konieczności oczyszczania spalin za pomocą układów pozasilnikowych. W celu

uzyskania dużych parametrów eksploatacyjnych silnika i jednocześnie małego zużycia

paliwa, wprowadzono kilka nowych technologii (w tym nowy układ wtrysku paliwa).

Dwa spośród nowej gamy silników, przeznaczone do zastosowań w transporcie miejskim, zaprojektowano również według wymagań normy emisji spalin EEV.

Nową platformę silnikową opracowano od podstaw z myślą o technologii recyrkulacji gazów wylotowych EGR oraz Scania XPI (eXtra-high Pressure Injection) – nowym układzie wtryskowym. Główny wpływ na założenia projektowe miały wymagania dotyczące parametrów użytkowych silnika i oszczędności paliwa, jak również ochrony środowiska, wytrzymałości konstrukcji i wygody eksploatacji. Między innymi dzięki układowi EGR emisja zanieczyszczeń jest utrzymywana na niskim poziomie już na etapie procesu spalania (rys. 2.5). W związku z tym nie ma potrzeby stosowania pozasilnikowych układów oczyszczania spalin i np. montowania w pojeździe zbiorników na dodatki chemiczne (jakie ma miejsce w przypadku układu selektywnej redukcji katalitycznej).

Rys. 2.5. Rozbudowany system EGR w silniku Scania – z dwustopniowym chłodzeniem (Vss = 13 dm³, Euro V) [34]

W celu zachowania kontroli nad wszystkim, co ma związek z parametrami eksploatacyjnymi silnika, szwedzki producent opracował też nową generację układów sterowania silnikiem. Układy te nadzorują dużą liczbę funkcji i systemów, takich jak np.: wtrysk paliwa, dwustopniowy układ recyrkulacji spalin, doładowanie, hamulec wydechowy, turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek (VGT – Variable Geometry Turbocharger).

Wspominany, nowy, wysokociśnieniowy układ wtryskowy typu common rail –

Scania XPI opracowano we współpracy z amerykańską firmą Cummins. Duża wartość

ciśnienia wtrysku już na etapie spalania zapewnia małą ilość powstających PM

w spalinach. Przedmiotowy układ pozwala na duże możliwości w kwestii doboru kąta

wyprzedzenia i czasu trwania wtrysku oraz ciśnienia wtrysku paliwa. Istnieje również

możliwość stosowania wtrysku wielofazowego, dzięki elektronicznej jednostce

sterującej (ECU – Electronic Control Unit). W pierwszym etapie do cylindra silnika

podawana jest niewielka dawka wstępna (pilotująca), która ma za zadanie zredukowanie

poziomu hałasu i wytworzenie odpowiednich warunków w komorze spalania, aby

zapewnić małą emisję substancji toksycznych. Dawka końcowa (tzw. powtrysk),

podawana krótko po wtrysku głównym, zmniejsza zawartość tlenków azotu i cząstek

stałych w spalinach.

2.2. Zmiany konstrukcyjne jednostek napędowych

Zaprezentowane w poprzednim podrozdziale (wybrane) układy oczyszczania spalin w największym stopniu umożliwiają zmniejszenie ilości zanieczyszczeń emitowanych z jednostek napędowych pojazdów samochodowych. W tym aspekcie prowadzi się również działania nad optymalizacją konstrukcji i pracy samych silników, by już tzw. surowe spaliny charakteryzowały się jak najmniejszą zawartością substancji szkodliwych, a zwłaszcza tych toksycznych (CO, HC, NO

, PM). Działania te wpisują się w przedsięwzięcia pierwotne, polegające na wprowadzaniu pewnych zmian konstrukcyjnych lub regulacyjnych w podzespołach silnika, mających na celu minimalizację emisji spalin z cylindrów.

Współczesne, konwencjonalne silniki ZI bez wątpienia cechują się mniejszą emisją substancji szkodliwych w porównaniu do silników ZS (jest to jedna z ich głównych zalet). Wynika to m.in. z montowania w nich bardzo skutecznych, a zarazem prostych układów oczyszczania spalin. Problemem w przypadku silników ZI jest natomiast, pozostające jeszcze na dość wysokim poziomie zużycie paliwa. Trwają jednak ciągłe prace B+R nad polepszeniem ekonomii paliwowej.

Wzrost sprawności działania (pracy) silników ZI, czyli zmniejszenie energochłonności, ich producenci starają się uzyskać na kilka sposobów. Jest to możliwe między innymi przez następujące technologie [40]:

‒ dezaktywacja cylindrów,

‒ zmienne napełnienie cylindrów,

‒ optymalizacja strat tarcia,

‒ zarządzanie cieplne silnikiem,

‒ doładowanie turbosprężarką,

‒ zmienny stopień sprężania (VCR – Variable Compression Ratio),

‒ zmienne systemy zaworowe (VVT – Variable Valve Timing, VVTL – Variable Valve Timing and Lift),

‒ bezpośredni wtrysk benzyny oraz spalanie mieszanek jednorodnych (HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition).

We współczesnych silnikach ZI stosuje się również wiele rozwiązań technicznych i technologicznych, pozwalających na polepszenie ich właściwości ekologicznych.

Zmianom podlega przede wszystkim sterowanie silnikiem. Wprowadza się także sterowanie układem chłodzenia. Ponadto eliminuje się przepustnicę, stosuje bezpośredni wtrysk benzyny do cylindrów oraz różnego rodzaju doładowanie (rys. 2.6 i 2.7).

Obecnie wielu producentów znacznie zmniejsza produkcję silników

charakteryzujących się dużą objętością skokową i masą. W ich miejsce wprowadzają

nowe jednostki napędowe o małej objętości skokowej (także z mniejszą liczbą

cylindrów), często przewyższające swoimi parametrami eksploatacyjnymi jednostki

większe gabarytowo. Tym sposobem z 1 dm

objętości skokowej silnika uzyskuje się

znacznie więcej mocy użytecznej. Nowe konstrukcje silników spalinowych, oprócz

mniejszych wymiarów, charakteryzują się także większą sprawnością. Oznacza to

lepsze wykorzystanie energii chemicznej zmagazynowanej w paliwie – mniejsze przebiegowe zużycie paliwa [52, 72]. Te dążenia obserwowane wśród producentów silników, noszące miano downsizingu, dotyczą zarówno silników ZI, jak i ZS (rys. 2.8 i 2.9). Należy przy tym wspomnieć, iż podobną popularność w przemyśle motoryzacyjnym zyskuje tzw. downspeeding [60, 84]. Trend ten polega na odpowiednich zmianach w konstrukcji silnika, w celu umożliwienia używania mniejszych prędkości obrotowych. Obie te technologie mają na celu spowodowanie by praca silnika odbywała się w bardziej korzystnych, pod względem emisji spalin i zużycia paliwa, obszarach jego charakterystyk.

pe[bar]

Prędkość obrotowa [obr/min]

ge[g/(kW·h)]

Rys. 2.6. Zmiany podstawowych parametrów pracy doładowanych silników ZI na przestrzeni ostatnich lat [23]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Emisja CO2w teście europejskim[%]

ZI-silnik bazowy

> - 35%

Elektro- magnet.

napęd zaworów

ZI DI Turbo,

„down- sizing”

ZI DI Turbo,

VCR VVT/

VVTL

ZI DI NA (mieszanki

ubogie)

ZI DI Turbo, VCR, przekładnia

hybrydowa Rys. 2.7. Możliwości zmniejszenia emisji CO2 na przykładzie zmian konstrukcyjnych,

wprowadzanych w silnikach o zapłonie iskrowym [40]

a) b)

Rys. 2.8. Prognoza udziału procentowego silników ZI o różnej objętości skokowej w ogólnym ich rynku: a) rok 2009, b) rok 2016 [93]

a) b)

Rys. 2.9. Prognoza udziału procentowego silników ZS o różnej objętości skokowej w ogólnym ich rynku: a) rok 2009, b) rok 2016 [93]

Silnik SGE (Small Gasoline Engine) firmy FIAT jest dobrym przykładem zastosowania technologii downsizingu w motoryzacji. Jest to silnik dwucylindrowy o objętości skokowej 0,9 dm

, przeznaczony do napędu samochodów osobowych (rys.

2.10). Układ zasilania stanowi elektronicznie sterowany, pośredni, wielopunktowy wtrysk paliwa (MPI – Multi Point Injection).

W omawianym silniku zastosowano innowacyjny system MultiAir (rys. 2.11).

Technologia MultiAir to zintegrowany układ sterowania zaworami dolotowymi.

Zawory te są napędzane od krzywek wału rozrządu za pośrednictwem specjalnych

siłowników hydraulicznych, których pracę korygują elektrozawory sterowane przez

zintegrowany sterownik elektroniczny silnika (ECU). Można dzięki temu

optymalizować czas początku otwarcia, końca otwarcia oraz wznios zaworów

dolotowych. Układ zmiennego wzniosu zaworów działa szybko, czas odpowiedzi

systemu jest krótki, a straty mocy systemu mechanicznego są małe. System sterowania

zapewnia płynne przejścia pomiędzy poszczególnymi trybami pracy i całkowicie

zastępuje przepustnicę tradycyjnego silnika ZI.

Rys. 2.10. Silnik FIAT SGE MultiAir [28]

Główną zaletą silnika SGE jest znaczna redukcja emisji dwutlenku węgla, w stosunku do obecnie produkowanych silników o zapłonie iskrowym. Poziom emisji CO

, napędzanego tym silnikiem samochodu FIAT Panda, wynosi w teście jezdnym NEDC (New European Driving Cycle) około 100110 g/km. Jest to wartość mniejsza od uzyskiwanej przez ten pojazd napędzany silnikiem ZS (113 g/km) [28].

Rys. 2.11. Technologia MultiAir zastosowana w silniku FIAT SGE [28]

W przypadku współczesnych, konwencjonalnych silników ZS należy wskazać na jedną z ich głównych zalet w postaci małego zużycia paliwa. Mimo tego, ciągle trwają prace badawczo-rozwojowe nad dalszym zmniejszeniem wartości zużywanego przez te silniki paliwa oraz, bezpośrednio związanym z tym, obniżeniem poziomu emisji dwutlenku węgla z pojazdów napędzanych tymi silnikami. Główną wadą silników ZS jest natomiast duża emisja tlenków azotu oraz cząstek stałych.

W celu sprostania ciągle zaostrzanym normom dotyczącym emisji substancji szkodliwych, prowadzi się prace badawcze nad spalaniem niskotemperaturowym.

Ponadto stosuje się zaawansowane systemy doprowadzania ładunku do cylindra oraz

sterowanie silnikiem w pętli zamkniętej. Producenci silników pracują też nad

polepszeniem sprawności redukcji tlenków azotu (konieczność opracowywania

nowoczesnych systemów oczyszczania spalin). Pomimo stosowania bezpośredniego

wtrysku paliwa oraz doładowania – najczęściej turbosprężarkowego – nadal wykonywane są też prace nad poprawą procesu spalania paliwa, w tym także nad systemami spalania ładunków homogenicznych (HCCI). Aby tego dokonać między innymi opracowuje się nowe strategie sterowania silnikiem.

W pojazdach samochodowych napędzanych silnikami o zapłonie samoczynnym rozwija się obecnie także następujące technologie [40]:

‒ wtrysk wielofazowy,

‒ downsizing i downspeeding,

‒ ograniczanie strat tarcia,

‒ zintegrowany układ chłodzenia,

‒ zastosowanie paliw syntetycznych,

‒ system recyrkulacji spalin,

‒ system doładowania silnika,

‒ system wtrysku common rail,

‒ system diagnostyki pokładowej OBD (On-Board Diagnostics),

‒ filtry cząstek stałych bez dodatków regenerujących.

Technologie stosowane w silnikach ZI i ZS stopniowo się łączą – następuje swoista unifikacja konstrukcyjna tych silników (rys. 2.12). Rozwój obu typów silników prowadzi do uzyskania wspominanego spalania niskotemperaturowego, co wpływa na zmniejszenie emisji tlenków azotu. W przypadku silnika ZI zwiększa się jego stopień sprężania, w celu poprawy jego sprawności, co przekłada się na zmniejszenie zużycia paliwa. Natomiast w przypadku silnika ZS zmniejsza się stopień sprężania, aby obniżyć maksymalną temperaturę procesu spalania i ograniczyć tym samym emisję NO

. Pośredni wtrysk paliwa, stosowany obecnie tylko w silnikach ZI, zastępowany jest przez wtrysk bezpośredni (taki, jak w silnikach ZS). Dąży się ponadto do uzyskania wtrysku kompleksowego, przy zastosowaniu w silniku dużego stopnia recyrkulacji spalin.

Rys. 2.12. Silnik ZI i ZS serii SKY firmy Mazda [31]

2.3. Napędy alternatywne

Układ napędowy ma znaczący wpływ na aspekty ekologiczne i ekonomiczne pojazdu, czyli emisję substancji szkodliwych oraz zużycie paliwa. Jego głównym elementem jest silnik spalinowy. W skład układu napędowego wchodzą również m.in.

przekładnia główna, skrzynia przekładniowa, wał napędowy oraz mechanizm różnicowy. Od sprawności poszczególnych elementów tego układu zależy w jakim stopniu, do napędu pojazdu, zostanie wykorzystana energia chemiczna paliwa i w jakim stopniu będzie on oddziaływał na środowisko naturalne.

Możliwość długiej eksploatacji pojazdów wiąże się między innymi z dobrze skonstruowanym układem napędowym. Przy jego projektowaniu, oprócz dużej wytrzymałości, bierze się pod uwagę także wspominane względy ekologiczne i ekonomiczne. Producenci pojazdów muszą więc w tych kierunkach ciągle prowadzić prace, aby sprostać uregulowaniom prawnym, dotyczącym ekologii eksploatacji pojazdów, oraz oczekiwaniom klientów (użytkowników). Z powodu istnienia dużej konkurencji wśród producentów, obserwuje się obecnie szybko postępującą ewolucję w układach napędowych, która jest procesem pozytywnym (rys. 2.13). Powoduje ona bowiem poprawę bezpieczeństwa i efektywności transportu oraz wpływa na zmniejszenie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne.

dzisiaj jutro

Wodór i ogniwa paliwowe

Paliwa alternatywne

Optymalizacja silników spalinowych Pojazdy hybrydowe

Rys. 2.13. Perspektywy rozwoju systemów napędowych pojazdów [11]

Mimo prognozowanego dość znaczącego wzrostu udziału poszczególnych

napędów alternatywnych w rynku motoryzacyjnym, rola konwencjonalnego silnika

spalinowego w najbliższych latach będzie nadal dominująca (rys. 2.14). Postępująca

coraz szybciej ewolucja systemów napędowych jest jednak w pewnym stopniu

ograniczona: brakiem odpowiedniej infrastruktury (stacje tankowania wodoru i innych

paliw alternatywnych, punkty ładowania pojazdów elektrycznych itp.) oraz większymi

kosztami tych rozwiązań. Stąd bardziej racjonalnym rozwiązaniem jest dalsza praca nad

optymalizacją silników zasilanych paliwami ropopochodnymi, co czyni się w wielu

ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych.

Rys. 2.14. Przewidywany udział poszczególnych typów napędów w nowych samochodach osobowych na terenie Unii Europejskiej [10, 50]

Dobrym przykładem na doskonalenie konstrukcyjne i funkcjonalne konwencjonalnych jednostek napędowych jest adaptowanie w nich układów lub napędów mechatronicznych (rys. 2.15). Można nawet zauważyć dość szybkie tempo wzrostu udziału tego typu układów we współczesnych konstrukcjach. Coraz częściej bowiem, do napędu wielu podzespołów silnika i urządzeń w pojeździe, wykorzystuje się napęd elektryczny połączony z jednostką sterującą pojazdu. Zaczynają się pojawiać choćby takie podzespoły zasilane elektrycznie, jak elektromechaniczne zawory oraz elektryczna pompa cieczy chłodzącej. Stosuje się także elektryczne doładowanie oraz elektryczną klimatyzację.

Napęd mechatroniczny pozwala zmniejszyć zużycie paliwa przez pojazd, jednak znacznie wzrasta w nim zapotrzebowanie na energię elektryczną. Konieczne staje się więc często stosowanie dodatkowego źródła energii (APU – Auxiliary Power Unit), które niewątpliwie powoduje m.in. wzrost masy pojazdu oraz kosztu zakupu. Ponadto zajmuje ono dodatkowe miejsce w pojeździe.

Rok 5

Zapotrzebowanie mocy elektrycznej[kW] 0 10

Elektryczna klimatyzacja

1995 2000 2005 2010 2015

Elektromechaniczne zawory Zintegrowany rozrusznik/generator

System start-stop

Dodatkowe źródło mocy (APU) Elektroniczne sterowanie

Elektryczne doładowanie

Wprowadzenie

Rys. 2.15. Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przy wzroście udziału napędu mechatronicznego w pojazdach [40]

W ewolucji układów napędowych pojazdów dużą rolę odgrywają obecnie paliwa alternatywne. Chociaż większość współcześnie produkowanych pojazdów napędzanych silnikami ZS zasilana jest konwencjonalnym olejem napędowym, coraz powszechniej spotyka się jednak pojazdy zasilane innym rodzajem paliw. Mały udział pojazdów zasilanych paliwami alternatywnymi w ogólnym rynku pojazdów wynika ze słabo zorganizowanej infrastruktury – mała liczba stacji tankowania.

Paliwami alternatywnymi, które aktualnie mają już dość ugruntowaną pozycję w środowisku motoryzacyjnym i mają szansę na dalsze zwiększanie swego udziału w światowym rynku paliw są:

‒ sprężony gaz ziemny (CNG – Compressed Natural Gas),

‒ bioetanol – używany jako samoistne paliwo lub jako biokomponent, zarówno w silnikach ZI, jak i ZS,

‒ estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych (FAME – Fatty Acid Methyl Esters), a zwłaszcza estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (RME – Rapeseed Methyl Esters) – stosowane jako biokomponenty w oleju napędowym lub jako samodzielne paliwo – tzw. biodiesel.

Współcześnie gaz ziemny w postaci sprężonej (CNG) stosuje się najczęściej do zasilania silników autobusów miejskich. Gaz ziemny jest naturalnym wysokokalorycznym paliwem występującym samodzielnie lub towarzyszącym pokładom ropy naftowej. Po wydobyciu wymaga jedynie osuszenia oraz, w niektórych przypadkach, odsiarczenia. Głównym jego składnikiem jest metan, którego zawartość wynosi od 85 do 98 %. Pozostałe składniki to: etan, propan i butan oraz w mniejszych ilościach dwutlenek węgla, tlen, azot i niekiedy hel [51]. Do zasilania silników pojazdów wykorzystuje się wyłącznie gaz ziemny zawierający powyżej 90 % metanu (tzw. wysokometanowy). Wielu producentów przystosowało silniki do zasilania tego rodzaju paliwem. Można je spotkać m.in. w autobusach marki Solaris, Volvo, MAN oraz Scania (rys. 2.16).

Rys. 2.16. Autobus MAN Lion’s City CNG [30]

Aby rozwiązać problem małej dostępności na rynku paliwa gazowego CNG,

firma Bosch Automotive Technology (Bosch) opracowała system DG-Flex. System ten

umożliwia podwójne zasilanie: olejem napędowym oraz gazem ziemnym. W tym

samym czasie wykorzystywane są obydwa paliwa w różnych proporcjach,

z maksymalnie 90-procentowym udziałem gazu. Parametry eksploatacyjne silnika oraz jego prędkość obrotowa pozostają niezmienione, w porównaniu do zasilania samym olejem napędowym. Użycie gazu ziemnego zmniejsza koszty eksploatacyjne (nawet o 30 %) a przy okazji chroni środowisko naturalne. System DG-Flex firmy Bosch przeznaczony jest głównie dla autobusów miejskich oraz lekkich pojazdów użytkowych [25].

Innym paliwem alternatywnym, które znalazło zastosowanie przede wszystkim w autobusach miejskich jest bioetanol. Jest ono produkowane z roślin zawierających cukier (buraki, trzcina, proso cukrowe), skrobię (zboża, ziemniaki) oraz celulozę.

Używane jest jako samoistne paliwo oraz jako biokomponent. Najpopularniejsze paliwa oparte na bioetanolu to: E10, E20, E85, E95, E100 [91].

Producentem pojazdów ciężarowych, który przystosował silniki do zasilania paliwem E95 jest Scania (rys. 2.17 i 2.18). Jest to biopaliwo do silników o zapłonie samoczynnym, będące mieszaniną składającą się z 95 % obj. bioetanolu i 5 % obj.

dodatków poprawiających jego parametry. Paliwo E95 ma zastosowanie wyłącznie w dużych silnikach ZS, wykorzystywanych do zasilania odpowiednio przystosowanych samochodów ciężarowych i autobusów. Paliwo to jest produktem oferowanym na małą skalę. W Europie paliwo E95 stosowane jest głównie w Szwecji.

Rys. 2.17. Silnik firmy Scania zasilany paliwem E95 [34]

Rys. 2.18. Autobus miejski Scania OmniCity podczas tankowania bioetanolu [34]

Po zastosowaniu paliw alternatywnych w pojazdach, kolejnym krokiem w ewolucji układów napędowych tych pojazdów było zastosowanie napędu hybrydowego. Coraz częściej można zaobserwować na ulicach miast, gdzie racjonalne jest stosowanie układu hybrydowego, pojazdy różnych kategorii homologacyjnych, wyposażone w silnik spalinowy w połączeniu z maszyną elektryczną. Jest to obecnie najpopularniejsza konfiguracja, na różny sposób rozwijana w ośrodkach badawczych (swoistym pierwowzorem obecnych rozwiązań był samochód Toyota Prius I generacji z 1997 roku). Głównymi zaletami pojazdów z napędem hybrydowym są [51]:

‒ możliwość odzysku energii podczas hamowania (tzw. hamowanie rekuperacyjne) – mniejsze straty energetyczne,

‒ silnik spalinowy dobierany jest do średnich obciążeń – mniejsza masa silnika,

‒ duży wzrost sprawności przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji substancji szkodliwych.

System start-stop, czyli rozwiązanie techniczne pozwalające na samoczynne wyłączanie się i włączanie silnika podczas postoju pojazdu (np. na czerwonym świetle lub podczas występowania zjawiska kongestii drogowej), jest pewną odmianą pełnego układu hybrydowego. Układ ten jest zaliczany do tzw. mikro-hybryd (micro-hybrids).

Aby podołać potrzebom częstego uruchamiania silnika pojazdu, jego rozrusznik i alternator muszą być odpowiednio wzmocnione. Często pojazdy posiadające system start-stop mają zblokowany układ rozrusznika-alternatora (rys. 2.19).

Rys. 2.19. Silnik ze zintegrowanym rozrusznikiem-alternatorem [25]

Z pewnością do bardzo korzystnych zastosowań systemu start-stop należy jego montaż w autobusach miejskich. Przykładem takich działań jest skonstruowany przez firmę Solaris Bus & Coach S.A., we współpracy z amerykańską firmą Eaton, autobus Urbino 12 Hybrid (rys. 2.20). Dzięki temu autobus w rejonie przystanków – chwilowe wyłączenie jednostki napędowej – radykalnie zmniejsza emisję substancji szkodliwych.

Rys. 2.20. Autobus miejski Solaris Urbino 12 Hybrid z systemem start-stop [36]

Pełny napęd hybrydowy w pojazdach ciężkich (o masie własnej powyżej 2610 kg) jako pierwsza postanowiła zaadaptować firma Volvo Trucks. Początkowo były to samochody ciężarowe wykorzystywane w transporcie komunalnym (rys. 2.21), a w szczególności śmieciarki. Z upływem czasu również inni producenci pojazdów użytkowych zaprezentowali swoje konstrukcje z segmentu średniego. Były nimi między innymi firmy: Renault Trucks (samochód Premium Distribution Hybrys Tech) i Daimler (Mercedes-Benz Econic BlueTec Hybrid).

Napęd hybrydowy zastosowany w tych pojazdach umożliwia jazdę z wykorzystaniem tylko silników elektrycznych, co pozwala zmniejszyć hałas emitowany przez te pojazdy (korzystne zwłaszcza w ścisłych centrach miast). Jest to w pełni funkcjonalny układ hybrydowy w konfiguracji równoległej (obecnie najczęściej stosowany), pozwalający na napęd pojazdu przez silnik spalinowy i/lub elektryczny.

Główne zalety równoległego układu hybrydowego to [51]:

‒ pojazd ma do dyspozycji większą moc niż zainstalowany silnik spalinowy, ponieważ oba silniki mogą dostarczać energię jednocześnie,

‒ nie jest konieczne zabudowanie generatora do ładowania akumulatorów,

‒ większa sprawność energetyczna niż w przypadku konfiguracji szeregowej.

Rys. 2.21. Układ napędowy samochodu Volvo FE Hybrid [38]: 1 – silnik spalinowy Volvo D7, 2 – sprzęgło, 3 – silnik elektryczny I-SAM, 4 – zautomatyzowana skrzynia przekładniowa I-Shift,

5 – elektroniczna jednostka sterująca PMU, 6 – akumulatory, 7 – konwerter prądu

Napęd hybrydowy został również zaadaptowany w publicznym transporcie osób.

Autobusy miejskie cechuje znacząco inny charakter ruchu niż autobusów kursujących w komunikacji międzymiastowej oraz autokarów.

Jak dotąd napęd hybrydowy w autobusach miejskich upowszechnił się głównie w Stanach Zjednoczonych i Japonii. W Europie udział autobusów miejskich z napędem hybrydowym, w ogólnej liczbie eksploatowanych autobusów, jest obecnie mały.

Miejskie przedsiębiorstwa komunikacyjne, głównie dla celów testowych (badawczych),

kupują pojedyncze egzemplarze. Pierwszym europejskim autobusem miejskim

o napędzie hybrydowym, który trafił do produkcji seryjnej, był Solaris Urbino 18

Hybrid firmy Solaris. Premiera tego autobusu odbyła się podczas targów IAA

w Hanowerze w roku 2006. Inni europejscy producenci autobusów (np. MAN Bus,

Volvo Buses) również mogą poszczycić się wyprodukowaniem autobusów,

wyposażonych w napęd hybrydowy (rys. 2.22).

a) b)

Rys. 2.22. Dwunastometrowe autobusy miejskie z napędem hybrydowym [30, 38]:

a) MAN Lion’s City Hybrid, b) Volvo 7700 Hybrid

Aktualnie największe zainteresowanie użytkowników jest skierowane na samochody o napędzie hybrydowym, wykorzystywane w transporcie dystrybucyjnym (rys. 2.23 i 2.24). Dotyczy to zwłaszcza właścicieli dużych flot pojazdów, dla których (ze względu na efekt skali) najbardziej zauważalne mogą być korzyści ze stosowania układów hybrydowych w pojazdach. Pojazdy przeznaczone do transportu dystrybucyjnego, podobnie jak autobusy, muszą często ruszać i zatrzymywać się (pomijając warunki ruchu na drodze). Wynika to z istnienia sieci dość gęsto rozmieszczonych punktów odbioru towarów.

Akumulatory Skrzynia przekładniowa

Silnik elektryczny Silnik spalinowy

Rys. 2.23. Napęd hybrydowy w samochodzie Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid [32]

Rys. 2.24. DAF LF45 Hybrid, wykorzystywany w transporcie dystrybucyjnym [26]

Przyszłość w ewolucji systemów napędowych wiąże się z zastosowaniem do napędu pojazdów wodoru, jako bezpośredniego paliwa do silników lub wykorzystywanego do zasilania ogniw paliwowych. Największym problemem do rozwiązania jest sposób przechowywania tego paliwa w pojeździe oraz obecnie duży koszt jego wytwarzania. W przyszłości wzrośnie też udział napędu elektrycznego stosowanego w pojazdach. Pojazdy te mogą być zasilane z akumulatorów (ciągle trwają prace nad polepszeniem ich parametrów eksploatacyjnych) lub z ogniw paliwowych (rys. 2.25).

Rys. 2.25. Elektryczny autobus miejski napędzany ogniwami paliwowymi [27]

Mimo różnych problemów i niedogodności związanych z eksploatacją pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi, pojawia się coraz więcej konstrukcji takich pojazdów. Wynika to m.in. z korzyści ekologicznych jakie przynosi stosowanie takiego właśnie rodzaju napędu. Dzięki ogniwom paliwowym pojazd porusza się z wykorzystaniem silników elektrycznych. Taki cichy rodzaj napędu jest szczególnie korzystny w centrach miast.

Widząc słuszność stosowania napędu elektrycznego, a chcąc uniknąć problemów związanych z eksploatacją pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi, pracuje się nad pojazdami w pełni elektrycznymi (źródłem napędu są akumulatory ładowane z sieci elektrycznej; rys. 2.26a). Nowością wśród elektrycznych autobusów miejskich są autobusy wykorzystujące do napędu energię elektryczną pochodzącą z ogniw słonecznych (rys. 2.26b).

a) b)

Rys. 2.26. Autobus miejski [89, 94]: a) w pełni elektryczny, podczas szybkiego ładowania, b) zasilany ogniwami słonecznymi