RYCHLE SE ZBAVIT SPALOVACÍCH MOTORŮ JEDNODUŠE NEJDE

Rozhovor
BOHUMIL MAREŠ, VÝKONNÝ ŘEDITEL CENTRA VÝZKUMU UDRŽITELNÉ MOBILITY ČVUT

Pístový spalovací motor je perspektivní a ještě dlouhá léta bude, byť to řada lidí neuslyší ráda, a obzvlášť politiků. Ti by si představovali, že elektromobilita přijde mávnutím kouzelného proutku. To ale z mnoha důvodů není možné, říká v rozhovoru Bohumil Mareš. Centrum vozidel udržitelné mobility, kterému šéfuje, se však nezabývá jen vývojem spalovacích motorů. Kromě nich a nejrůznějších alternativních paliv jsou předmětem jeho výzkumu také hybridní a čistě elektrické pohony a jejich efektivní řízení.

-

HN: Jak vypadá vozidlo pro udržitelnou mobilitu?

To slovo udržitelné je už trochu zprofanované, protože udržitelné je dnes kdeco. V našem případě jde hlavně o to, vyvíjet a zdokonalovat techniku pohonu tak, aby doprava byla přátelštější k životnímu prostředí a k lidem. V současném stavu techniky doprava udržitelná není – neustále se zvyšuje počet vozidel a narůstá celkové množství emisí z dopravy. Proto potřebujeme další vývoj. Zabýváme se jak samotnými motory, ať už spalovacími, či elektrickými, tak řízením celých pohonů – spalovacích, elektrických či hybridních. Jde o to řídit celý pohon efektivně a zbytečně neztrácet energii, což je důležité především u současných bateriových pohonů.

- HN: V jakém smyslu?

Například je možné optimalizovat chování pohonu vozidla v závislosti na uvažované projeté trase. A to jak na profilu trasy, třeba z hlediska stoupání a klesání nebo křižovatek, tak na okamžité dopravní situaci. Systém sám dokáže poznat, kdy ještě má smysl zrychlovat, kdy by měl brzdit, kdy je vhodné rekuperovat a podobně. Takovým sofistikovaným řízením dokážeme zacházet s energií mnohem efektivněji. Když řidič jezdí plynule, dokáže výrazně snížit spotřebu paliva, a tím i emise. Když jezdí způsobem brzda-plyn, zvyšuje spotřebu, více namáhá vozidlo a kromě emisí z motoru zatěžuje prostředí i zvýšeným otěrem pneumatik a brzd.

- HN: Takže nejvíc by pomohlo eliminovat nešetrné řidiče?

K plně autonomnímu řízení vede ještě velmi dlouhá cesta, ať už z důvodů technických, infrastrukturních, či legislativních. Jistě by ale výrazně pomohla změna jízdního stylu velké části řidičů. Příliš agresivní, nebo naopak defenzivní jízda může být také příčinou zhoršené dopravní situace a to vede k další zbytečné produkci škodlivin. Na jedné straně tak legislativa a i sami zákazníci tlačí na výrobu co nejčistších vozidel a pohonů, ale na druhé straně pak s auty jezdí velmi nešetrným způsobem, který značně degraduje veškeré snažení techniků a legislativců. Daleko horším a velmi častým jevem jsou ovšem vozidla, u kterých je například odstraněn filtr pevných částic. Dalším aspektem je také skladba prodávaných vozidel. SUV dnes tvoří zhruba čtvrtinu nově prodávaných aut v Česku a jejich popularita stále roste. Přitom z hlediska efektivity provozu jde o snad nejhorší typ auta – ať už co do velikosti, hmotnosti, či velikosti čelní plochy. To vše zbytečně zvyšuje spotřebu, ačkoliv efektivita a sofistikovanost samotných pohonů roste.

- HN: Jaké pohony jsou tedy podle vás perspektivní?

Například v dálkové dopravě spalovací motor zatím v podstatě nemá smysluplnou alternativu, i když se různé pokusy o elektrifikaci objevují. Pro střední a kratší trasy se pak jeví jako nejvhodnější různé varianty hybridních pohonů, tedy dnes především kombinace spalovacích motorů, elektromotorů a správné velikosti baterií. U nich se tolik neprojevuje nevýhoda toho, že s sebou vozíte několik desítek či stovek kilogramů baterií jako u čistě elektrických aut. Ta tudíž přicházejí v úvahu hlavně pro městský provoz. Ale na rozdíl od toho, jaká auta jsou dnes dostupná, bude potřeba vyvíjet spíše menší městská vozidla. Auta jako Tesla, jejíž baterie i ve verzi s kratším dojezdem váží přes půl tuny, určitě nejsou preferovanou cestou pro udržitelnou mobilitu.

- HN: Takže rychlý nástup elektromobility neočekáváte?

Po nějaké přechodné období, které může trvat i dost dlouho, určitě ne. Jednoduše není možné najednou se zbavit spalovacích motorů a vrhnout se na elektromobilitu. Nemáme na to infrastrukturu ani výrobní kapacity, navíc přirozená obnova vozového parku je poměrně pomalá. V Česku jezdí zhruba 5,7 milionu osobních aut a roční prodej, byť v posledních letech roste, je něco přes čtvrt milionu vozů. Takže jen obnova vozového parku by i při uvažování prodeje pouze elektrických či hybridních aut trvala desítky let. Navíc zatím nikdo moc nezmiňuje dopady elektrifikace dopravy – třeba výrobu a následnou recyklaci baterií, případné požáry baterií při nehodách nebo obrovské nároky na rozvodnou síť i domovní rozvody elektřiny.

- HN: Jaké možnosti ještě nabízí spalovací motory?

Pístový spalovací motor má před sebou v mnoha ohledech ještě dlouhou budoucnost, byť co se týče účinnosti, už se zřejmě blížíme k hranici jeho možností. Kromě zvyšování efektivity představuje další oblast jeho vývoje využití různých alternativních či směsných paliv. Jde především o stlačený zemní plyn, který při spalování v motoru – díky tomu, že jej tvoří převážně metan, tedy nejjednodušší uhlovodík – produkuje výrazně méně emisí než benzin nebo nafta. Navíc infrastruktura pro distribuci CNG je už poměrně rozvinutá a její další budování vláda podporuje. Zatím jsou běžně v prodeji převážně pohonné jednotky kombinující možnost spalování CNG a benzinu. Pokud ale optimalizujeme spalovací motor pouze na CNG, dostáváme se k ještě vyšší účinnosti a nižší spotřebě.

- HN: Jsou i další alternativy?

Zajímavou možnost představuje vodík, pro jehož výrobu by bylo možné využívat přebytky z výroby elektrické energie z větru a slunečního záření. Vodík lze buď spalovat přímo v pístových motorech, nebo využít jako palivo pro palivové články vyrábějící elektrickou energii, kde je však nutná dostatečná "čistota" vodíku. Vzhledem ke zhruba o řád vyšší ceně palivového článku na jednotku výkonu oproti spalovacímu motoru je zatím zajímavější ta první možnost. Infrastruktura pro distribuci vodíku však prakticky neexistuje. Nabízí se také možnost spalovat vodík v kombinaci s CNG, takových směsí s různými poměry obou složek se zkouší hned několik. Použití vodíku jako paliva pro spalovací motory by pak podpořilo budování infrastruktury a do budoucna rozšíření třeba právě palivových článků.

- HN: Jaké konstrukční úpravy motorů ještě mohou pomoci zvýšit efektivitu? Na čem konkrétně pracujete?

Co se týče pístových motorů, pracujeme na mnohém z toho, o čem jsme mluvili. Jde například o optimalizaci hoření ve válci, kdy sledujeme průběh hoření a hledáme ideální polohu vstřikovačů či umístění zapalovací svíčky. Máme také speciální směšovací zařízení pro zkoušky různých směsí plynných paliv. Jedním z hlavních objektů výzkumu je také způsob zapálení směsi paliva se vzduchem. Zaměřujeme se na spalování takzvaných chudých směsí, kde je výrazný přebytek vzduchu oproti optimálnímu, tzv. stechiometrickému poměru. Optimalizace spalování chudých směsí v nižších zatíženích motoru přispívá k vyšší efektivitě. Významný je v tomto ohledu výzkum spalovacího systému s vyplachovanou komůrkou. Zmínit lze rovněž řízené spalování předem připravené směsi zážehových motorů vznícením, tedy na podobném principu jako u vznětových motorů, kdy se k zapálení směsi ve válci využívá pouze komprese. Jednou z prioritních oblastí je přeplňování spalovacích motorů, pracujeme ale třeba i na snižování třecích ztrát, konstrukci variabilních ventilových rozvodů a ve výčtu bych mohl pokračovat. Věnujeme se také například převodům, především s ohledem na dosažení vyšší životnosti a nižších výrobních nákladů. To ovšem souvisí nejen se spalovacími motory, ale pohony obecně. Zabýváme se také vývojem planetových převodovek pro hybridní pohony.

- HN: Jaký vývoj probíhá u hybridních pohonů?

Těch je v současné době několik druhů. Nejméně sofistikovaný je tzv. mikrohybridní pohon, jejž řada techniků asi ani za hybridní považovat nebude – patří sem například start-stop systém. Dalším stupněm je mild hybrid, který je poháněn spalovacím motorem podporovaným elektromotorem, například při akceleraci. Při brzdění dokáže rekuperovat energii zpět do baterií. Full hybrid již může nezávisle kombinovat pohon spalovacím motorem a elektromotorem. A posledním vývojovým stupněm je tzv. plug-in hybrid, u kterého je možné nabíjet baterie i ze zásuvky a dojezd na elektřinu je pak mnohem vyšší. Optimální kombinace velikosti baterií a výkonu spalovacího motoru poté závisí na převažujícím způsobu užívání vozidla. Pro městské užívání se hodí větší baterie, pro jízdy více mimo město spíš menší, s nižší hmotností. Současný trend vývoje jde dvěma směry – jednak k plug-in hybridům, které umožňují delší, a tím levnější jízdu na elektřinu, a jednak k mild hybridům se 48V technologií, kde je naopak výhodou snadná instalace hybridního pohonu do vozidla a relativně nízká pořizovací cena. Baterie stále tvoří podstatnou část ceny hybridních a elektrických vozidel. Ideálním řešením by byla možnost volby bateriových sad podle aktuálních potřeb uživatele vozidla.

- HN: Zmiňoval jste, že se věnujete vývoji i čistě elektrických pohonů. Čemu konkrétně?

Máme tu poměrně unikátní zařízení – bateriový simulátor, který dokáže napodobit různé provozní stavy baterií při pohonu elektromotoru. Díky tomu mohou kolegové vyvíjet například řídicí algoritmy pro elektrický pohon. Zvláště výhodná je optimalizace řízení pohonu pro vozidla se stálou trasou (třeba rozvoz zboží nebo pošta), kdy lze optimalizovat velikost baterie a způsob jízdy tak, aby celkové náklady na provoz byly co nejnižší.