Prihodnost pogonskih motorjev

Za tiste, ki verjamejo: zdajle gledata Otto in Diesel 'dol' ter se privoščljivo in ponosno smejita. Za vse druge: motorji z notranjim zgorevanjem (MNZ) dobivajo nov zagon.

7. 5. 2009

Pri analitičnem pristopu k problemu se razvojniki sučejo okrog enačb, ki popisujejo problem. Nič drugače ni pri motorjih z notranjim zgorevanjem: da bi dosegli večje vrednosti želenih količin, tuhtajo, kako bi povečali količine na desni strani enačbe.

Če povem preprosto: enačba za moč pravi, da je ta produkt navora in kotne hitrosti. Če hočete povečati moč, je treba povečati navor, kotno hitrost ali oboje.

V resnici je problem bistveno težji, a za ilustracijo in predstavo je tole povsem dovolj. V 'končni' enačbi za izboljšanje motornih zmogljivosti je namreč med drugim (posredno) tudi kompresijsko razmerje in stoletna želja motoristov je med delovanjem motorja vplivati nanj.

Enačba namreč popisuje stanje po plasteh, delovanje motorja pa je niz teh plasti – od prostega teka do največjih vrtljajev, od neobremenjenega motorja do polne obremenitve.

Ključ do izboljšanja torej tiči (tudi) v spremenljivem kompresijskem razmerju, tako za zmogljivosti kot za čistost izpušnih plinov. Na papirju so stvari že davno rešene (prvi tovrstni patenti so se pojavili že davnega leta 1928! ), mehansko pa ta reč dela preglavice.

Eden zadnjih podobnih poskusov je pokazal Saab pred kakim desetletjem na ženevskem salonu avtomobilov: njihov motor je imel spremenljivost kompresijskega razmerja izvedeno tako, da se je gornji del motornega bloka rahlo nagibal od navpičnice in tako zmanjševal kompresijsko razmerje. Zadeva je genialna, a težko izvedljiva – ker je morala vključevati gibljiv, a tesnilen del, ki je tak nagib omogočal pri vseh kotih odklona.

Medtem ko v srenji poznavalcev nobeden od alternativnih pogonov ne kotira visoko, se nam tule bolj pri tleh zdi, da so hibridi le kratek vmesni korak do elektrike, vse skupaj pa se bo zgodilo 'pojutrišnjem'. A (zelo verjetno) ni tako.

Dokler Daimler ne pove kaj več o genialni rešitvi, ki jo imenujejo Diesotto (motor, ki v praksi združuje vse dobre lastnosti bencinskih in dizelskih motorjev) in ki jo napovedujejo za leto 2011, poglejmo dejansko stanje.

BMW je prvi začel prodajati avtomobile z bencinskimi motorji, pri katerih dušilno loputo zamenjujejo kar sesalni ventili, tako da imajo ti nadzirljivo spremenljiv gib. S tem so odpravili okoli 10 odstotkov izgub, ki nastanejo zaradi črpanja – ustvarjanja podtlaka v sesalni cevi.

Vsekakor je ta tehnika stvar pravega jutri, brez narekovajev, in mirno lahko pričakujemo različne mehanske rešitve za izvedbo tega mehanizma. Pri Fiatu, denimo, pravijo, da je to tretji velik tehnični korak pri motorjih – po elektronskem vbrizgavanju goriva za bencinske motorje v 70. letih in skupnem vodu za dizelske v 90. letih.

Prav Fiat je te dni v javnost spustil prve informacije o svojem sistemu, ki je razmeroma preprost, takšen pa tudi mora biti – zaradi zanesljivosti delovanja, zaradi (nezahtevnega) vzdrževanja, zaradi (sprejemljive) cene in zaradi (zmernega) prirastka mase ter mer. Poleg tega je tudi energijsko dokaj nepotraten.

Motor torej nima dušilne lopute, klasičen sistem odmika sesalnih ventilov pa so nadgradili z dodatnim hidravličnim sistemom. Pri njem je trik preprost: dokler je hidravlični sistem zaprt, se gib odmikača zaradi nestisljivosti tekočine prenese neposredno na sesalni ventil, ko pa se odpre poseben ventil hidravličnega sistema, 'toge' povezave med odmikačem in sesalnim ventilom ni več, zato se sesalni ventil odpre manj.

Kako manj, je odvisno od izvedbe sistema oziroma od krmiljenja na osnovi znanih zahtev pri delovanju motorja.

Tehnologijo so poimenovali Multiair, obljubljajo pa do 10 odstotkov prirastka moči, do 15 odstotkov prirastka navora, 10-odstotno zmanjšanje porabe in izpusta ogljikovega dioksida, do 25 odstotkov boljši izkoristek goriva, 40 do 60 odstotkov zmanjšanja strupenih plinov (za različne pline različen odstotek) in živahnejši odziv motorja.

Napovedujejo prvi motor s tem sistemom, ki bo 1, 4-litrski Fire z in brez turbopuhala, kmalu za njim pa še dvovaljni 0, 9-litrski motorček, prav tako z in brez turbopuhala. Pri tem pa je najlepše to, da je tehnologija po njihovih besedah primerna tudi za dizelske stroje, in že napovedujejo sožitje dizelskega principa in sistema Multiair v bližnji prihodnosti.

Nedvomno gre za korak, ki ga bomo čez desetletje občudovali, saj bodo vsi motorji (če bo šel razvoj naprej po poti brez večjih pretresov) opremljeni s podobnimi rešitvami. In teh zagotovo ne bo prav veliko – spomnite se le pri Fiatu spočetega in pri Boschu skupaj z Daimlerjem dokončanega sistema skupnega voda za turbodizle: še pri Volkswagnu so na koncu pokleknili pred njim in danes ni turbodizla brez njega.

Pa vendar čaka motorje z notranjim zgorevanjem en še večji korak: spremenljivo kompresijsko razmerje. Francoski konzorcij MCE-5 Development je že na letošnjem ženevskem avtomobilskem salonu slikovito predstavil svoj motor, ki zmore med delovanjem v odvisnosti od zahtev spreminjati prostornino zgorevalnega prostora.

Njihova prednost je, da so v tem trenutku edini, ki so se predstavili javnosti, saj so z razvojem že zelo daleč. Čisto malo ima prste vmes tudi koncern PSA, a precej manj, kot bi se morda zdelo – navzven se kaže le tako, da bo prvi avtomobil s takšnim motorjem Peugeot 407.

Slabost motorja VCRi, kot se imenuje, pa je dokaj zapleten sistem: pri njem je ojnica deljena, vmes je podsistem mehanskega prenosa, ki poganja drug podsistem, vgrajen v bloku. Malo bolj v senci je še drug ponudnik podobne tehnologije iz Nizozemske: Gomecsys.

Njihova rešitev se imenuje Goengine in je na pogled preprostejša: podsistem, ki nadzira kompresijsko razmerje, je v obliki ležajnega ekscentra z nadzorovanim zasukom vgrajen kar v spodnje ojnično uho, pravijo pa, da zna poleg te naloge tudi podaljševati ekspanzijo (bolje kot pred desetletjem vznikli in hitro uveli motorji z Atkinsonovim in Millerjevim principom delovanja) in nadomestiti ventil EGR.

Zaradi mehanske preprostosti trdijo, da lahko v kratkem ponudijo tehnično rešitev za posodobitev oziroma nadgradnjo marsikaterega obstoječega motorja v motor s spremenljivim kompresijskim razmerjem.

Opisani rešitvi sta filozofsko pravzaprav rezultat tistega, kar pogosto slišimo kot 'downsizing' (zmanjševanje mer) in kjer gre za zmanjševanje prostornine motorja (in v širšem tudi števila valjev) ob hkratni uporabi prisilnega polnjenja, da bi ohranili enake zmogljivosti in porabo. Nihče se ne vpraša, kaj s tem pridobimo, saj nas navsezadnje ne zanima, kaj je pod motornim pokrovom, ampak le da ima (na primer) 100 ali 200 kilovatov.

S tem pridobimo tri stvari: manjše izgube zaradi črpanja, manjše notranje trenje v motorju in daljši čas obratovanja pri nazivni obremenitvi (glej okvirček). Ker so motorji (povedano preprosto) zasnovani za dober izkoristek pri večjih obremenitvah, ostaja veeelik manevrski prostor za izboljševanje delovanja pri manjših obremenitvah; tam je izkoristek motorja borih 10 do 15 odstotkov. In če želimo doseči res najboljše rezultate, je treba nujno dodati spreminjanje kompresijskega razmerja.

Vedno je nehvaležno napovedovati prihodnost; če jutri iz pipice kapne zadnja kaplja nafte, je vse zgornje pisanje brezpredmetno. Podobno velja, če se bodo narodi ob črpališčih skregali. Če pa vzamemo v zakup, da bo nafta z manjšimi gospodarsko-političnimi pretresi še vedno pritekala iz bencinskih črpalk v obliki bencina in dizla, potem ima zgornja napoved zagotovo veliko težo.

Na vsak način tehniki potrpežljivo čakajo na mesijo, ki bo prinesel napravo, ki bo bolj učinkovito pretvarjala notranjo energijo v mehansko delo, do takrat pa bo stari dobri MNZ, pa naj bo Ottov ali Dieslov, še kar ponižno poganjal avtomobile.

Biogoriva

Če pogledamo od dovolj daleč, avtomobili v resnici delujejo na sončno energijo. Tudi nafta je milijone let nastajala pod vplivom energije s sonca in je shranjena pod zemeljskim površjem, z imenom biogoriva pa označujemo tisto sončno energijo, ki jo zbiramo prek leta in jo pridelujemo na zemeljskem površju.

Tehnični princip pridobivanja teh goriv je v vzgajanju oljne repice, ki s soncem sintetizira sladkor in maščobe, te pa potem kemično spremenimo v gorivo. Na prvi pogled krasna ideja, ki pa ima nekaj ogromnih pomanjkljivosti: uporabo pesticidov za hitrejšo in učinkovitejšo rast, monokulturno kmetijstvo (ki siromaši zemljo), krčenje gozdov (za večje pridelovalne površine) in – kar je že grozljivo – možnost svetovne lakote; redki bogati bodo v težnji za gorivom z denarjem pritiskali na pridelovalce, da bodo namesto hrane pridelovali gorivo! 'Money talks' (denar je sveta vladar)! Pri tem poglavju je torej pametna in modra politika izjemnega pomena za človeštvo.

Vodik

Vodika v naravi ni, so samo njegove spojine, kar pomeni, da ga je treba pridelati, kar spet pomeni, da za to potrebujemo energijo. Ne glede na to, ali bo služil za pogon v MNZ ali gorivnih celicah, je njegovo poslanstvo v tem, da za pridobivanje najdemo ustrezno energijo: jedrsko ali obnovljivo, kar je smiselno, če gre za primerno načrtovano proizvodnjo zelo velikih količin na enem mestu.

Toda celoten proces je energijsko vseeno izjemno potraten: najprej ga je treba izdelati, nato stisniti (ker je plin) ali utekočiniti, nato šele sledi pretvorba v mehansko delo. Vsekakor fosilnih goriv ni smiselno uporabljati za pridobivanje vodika, ampak jih je precej bolj smotrno uporabiti neposredno v MNZ. Večina strokovnjakov je mnenja, da vodik ne bo igral večje vloge pri pogonu vsaj do sredine 21. stoletja.

Neposredni vbrizg goriva v bencinskih motorjih

Bencinski motorji v zadnjih letih niso doživeli tako radikalnih izboljšav kot dizelski. Tudi neposredni vbrizg ni prinesel tistega, kar so od njega pričakovali; v osnovi je neposredni vbrizg obljubljal možnost delovanja na revno zmes (kot pri dizlih), a se je njegova prednost izkazala šele v trenutku, ko so bencinski motor z neposrednim vbrizgom nadgradili s turbopuhalom, kar je vodilo v 'downsizing' (zmanjšanje mer – v tem primeru delovne prostornine motorja), ne pa tudi v bistveno zmanjšanje porabe goriva.

V tem trenutku tehniki napovedujejo lepo prihodnost tovrstnim rešitvam le v primeru, da motorju dodajo še sistem za spreminjanje kompresijskega razmerja; šele takrat naj bi se zmogljivosti motorja v celoti opazno izboljšale – od navora in moči do porabe goriva in izpusta škodljivih snovi.

MCE-5 VCRi

Ti motorji že v različnih izvedbah pridno brnijo na preizkuševalnih mizah. Ekonomisti pravijo, da bo v malih avtomobilih od sedanjih, po zmogljivostih primerljivih bencinskih motorjev dražji 'le' za 500 evrov, tehniki pa, da se bo poraba zmanjšala za 20 odstotkov. Pri velikih avtomobilih bo poraba manjša kar za 35 odstotkov.

Predstavili so številne simulacije za različne sedanje avtomobilske modele, čisto prvi avtomobil s tem motorjem pa bo prototipni Peugeot 407. V njem bo štirivaljni, 1, 5-litrski VCRi s kompresijskim razmerjem od 6 do 15 proti 1 in z dvostopenjskim turbopuhalom.

V prvi fazi bo vbrizg posredni, kasneje pa neposredni. Trenutno bo moč motorja 160 kilovatov (217 'konjev') med 4.000 in 5.000 vrtljaji v minuti, navor pa 420 njutonmetrov pri 1.500 vrtljajih v minuti. Sprva bo poraba v mešanem ciklu znašala 6, 7 litra na prevoženih 100 kilometrov, v naslednji fazi (predvidoma leta 2010) pa le še šest litrov.

Čeprav gre tu za konkreten primer, je tehnologija VCRi zasnovana tako, da na njeni osnovi lahko zgradijo motorje različnih prostornin in števila valjev. Vsekakor željno pričakujejo naročila . .

Hibridna vozila

Sliši se lepo: med delovanjem hibridni avtomobili opazno manj onesnažujejo okolje kot avtomobili z MNZ, ker njihov hibridni sistem dopolnjuje MNZ tam, kjer so ti 'šibki' – torej pri majhnih obremenitvah. Toda če pogledamo celoten krog enega avtomobila, je izpust CO2 pri hibridnih zaradi bolj zapletene izdelave večji kot pri klasičnih avtomobilih!

To je tudi vzrok za 3.000 do 6.000 evrov višje proizvodne stroške, posledica česar je tudi višja nabavna cena, zato je nesmotrno pričakovati opazno razširjenost hibridov. Če se bo izšel trik s spremenljivo kompresijo, se bodo MNZ toliko izboljšali, da bo hibridizacija povsem nesmiselna. Od vsega bo smiselna le regeneracija zavorne energije.

Goengine

Gomecsys že ponuja licenčnino za drugo generacijo motorja Goengine, kar pomeni, da so tudi tam precej daleč v razvoju. Pravzaprav v osnovi razvijajo tri motorje: dvovaljni vrstni, štirivaljni bokserski in osemvaljni V-oblike. Za prvega, ki ima specifično moč 147 kilovatov (200 'konjev') na liter prostornine, pravijo, da v primerjavi s primerljivim klasičnim motorjem prihrani 40 odstotkov goriva in za enak odstotek zmanjša vsebnost CO2.

Bokserski motor naj bi iz 2, 5 litra prostornine izvlekel 500 'konjev', porabil pa naj bi toliko kot sedanji dvolitrski motorji. Trilitrski V8 zmore 600 'konjev' in porabi kot klasični, 250-'konjski' trilitrski V6. Teorijo pa so izdelali do tolikšne mere, da ponujajo adaptacijo številnih obstoječih motorjev ali razvoj kakršnegakoli drugačnega motorja – odvisno od želja in zahtev naročnika – od enega do 12 valjev.

V najširši konfiguraciji preizkušajo sisteme spremenljivega kompresijskega razmerja od 7 do 20 proti 1, navajajo pa, da je sistem spremembe kompresijskega razmerja bliskovito prilagodljiv, da je sistem že razvit tudi za dizelske motorje, da je tehnologija razmeroma poceni in da je notranje trenje enako kot pri klasičnih motorjih.

Znanih je le nekaj podatkov o prototipnem motorju: vrtina 82 milimetra, osnovni gib 88, 2 milimetra (pri sesalnem in kompresijskem gibu 85, 2, pri ekspanzijskem in izpušnem pa 91, 2 milimetra), sesalna prostornina 1, 8 litra, ekspanzijska prostornina 1, 93 litra, kompresijsko razmerje 8 do 16 proti 1, ekspanzijsko razmerje 9 do 20 proti 1 (ob upoštevanju poznega zapiranja sesalnega ventila), največji tlak polnjenja tri bare, največji navor 420 njutonmetrov in največja moč 265 kilovatov (360 'konjev') pri 6.000 vrtljajih v minuti.

Povečanje moči v primerjavi z osnovnim motorjem je 95 odstotkov, prihranek goriva pa 20; ta je, v primerjavi s klasičnim V6 s podobnimi zmogljivostmi, manjši za 40 odstotkov. Če se bo tehnično vse lepo izšlo, je tu ključ do prihodnosti.

Nafta

Spojine v nafti, ki jih pridobivamo za pogon vozil (bencin in dizel), imajo izjemno veliko energijsko vrednost in so dokaj preproste za uporabo. Nafta je rezultat evolucije narave in brez nafte avtomobila takšnega, kot je, ne bi bilo.

Pravzaprav je treba vedeti, da pri tem ni šlo za izbiro, saj primerljivega goriva ni – avtomobil se je torej razvil na osnovi edinega smotrnega goriva, ki je v naravi. Redko se tudi zavedamo, da boljšega načina spreminjanja energije iz nafte v mehansko delo, kot je motor z notranjim zgorevanjem, še nismo iznašli, čeprav je res tudi, da ima ta način izjemno slab izkoristek – najboljši izkoristek imajo še vedno ogromni (ladijski), počasi vrteči se dvotaktni dizelski stroji – okoli 50 odstotkov.

Mali bencinski motorji prilezejo največ do 30 odstotkov, kar pomeni, da dve tretjini energetskega potenciala vržemo proč. Toda zemeljska zaloga nafte je brez dvoma končna. Ne glede na to, koliko je je zares, se bo v nekem trenutku dobava pričela opazno zmanjševati. Takrat bo nastopila kriza – če se temu ne bomo z alternativnimi pogoni izognili dovolj zgodaj. Na vsak način pa lahko z znatnim zmanjševanjem porabe odložimo trenutek, ko bodo vrelci presahnili.

Dizel v avtomobilih

Dizelski avtomobili zavzemajo približno polovico prodaje novih avtomobilov v Evropi in so priljubljeni, ker so energetsko učinkovitejši (porabijo manj goriva) in ker imajo opazno večji navor pri nižjih motornih vrtljajih od bencinskih.

Znaten razvoj trga gre na račun izuma skupnega voda (Fiat, Bosch, Daimler), ki je omogočil zmanjšanje porabe dizlov za 23 odstotkov med letoma 1993 in 2000; za primerjavo: v tem času so bencinski motorji zmanjšali porabo za le osem odstotkov. Dizlom pa se je s skupnim vodom tudi precej povečal navor, zato so postali izjemno priljubljeni, opazno pa se je zmanjšal izpust CO2 avtomobilov v Evropi.

Toda dizel je pri proizvodnji okoli 1.000 evrov dražji od bencinskega motorja primerljivih zmogljivosti, kar na koncu pomeni dodatnih 2.000 evrov pri tržni ceni. A glavni problem dizlov se bo pojavil v Evropi leta 2015 z novimi predpisi o onesnaževanju (dušikovi oksidi! ), zaradi katerih bo treba dizle opremiti z dodatnimi sistemi za čiščenje, ki bodo še dvignili njihovo ceno. Tako pa se bo zmanjšal ekonomski smisel nakupa dizla, razen če kakšni novi tehnologiji ne bo uspelo zmanjšati stroška izdelave in hkrati bolje očistiti izpuha.

CO2 in bližnja prihodnost

Zgorevanje enega kilograma goriva proizvede okrog 3, 12 kilograma ogljikovega dioksida, ki je plin in gre v atmosfero. Kriv je za tako imenovan toplogredni učinek, torej za splošno segrevanje ozračja. Potrjeno dejstvo je, da se je vsebnost tega plina od začetka industrijske revolucije do danes povečala z 280 na 380 ppm ('parts per milion', delcev na milijon delcev zmesi), trenutni trend naraščanja pa znaša dva ppm na leto, kar je štirikrat hitreje kot leta 1960.

Različne analize predvidevajo različne scenarije, od optimističnih do skrajno črnogledih, zagotovo pa velja, da pretiran izpust tega plina v zrak ni koristen. Evropa se je na to odzvala tako, da za leta 2012 predvideva uvedbo omejitve izpusta CO2 iz vozil na 130 gramov na kilometer. Vsak nadaljnji gram bo obdavčen z 20 evri pri nakupu avtomobila, od leta 2015 pa kar s 95 evri. To bo zagotovo pripeljalo do večjih ekonomskih premikov v avtomobilski industriji, kar bo imelo zagotovo posledice širšega pomena.

Elektromobili

Zakaj resno razmišljamo o elektromobilih? Odgovor tiči v izkoristku: energija, ki pride do kolesa, je enaka energiji, ki je shranjena v pogonskem gorivu, pomnoženi z izkoristkom. V bencinu in v dizlu je ogromno energije, toda povprečen izkoristek pogonskega sistema je le 20-odstoten. Na drugi strani je pretvorba električne energije kar 95-odstotna. Do tu vse lepo.

Toda kilogram bencina vsebuje 300-krat več energije kot kilogram svinčeve baterije in 70-krat več kot kilogram litijeve baterije. Na koncu to pomeni krepko manjši domet elektromobila v primerjavi z vozili z MNZ. Zmotno je tudi mišljenje o čistosti elektromobilov; elektrika namreč v osnovi ni energetski vir, je šele 'izdelek' elektrarn, ki jih v 67 odstotkih (na svetu) poganjajo fosilna goriva.

V celem krogu smo pri proizvodnji CO2 torej približno tam kot z vozili z MNZ. Projekcija ima torej dve veliki omejitvi: za proizvodnjo elektrike je treba najti smotrne načine (jedrski viri ali obnovljivi), elektromobili pa bodo, kot kaže, ujeti v mestih.

Nazivna obremenitev

Ena glavnih težav današnjih motorjev je, da lahko odlično delujejo pri enih vrtljajih ter eni obremenitvi (povedano preprosto: pri enem položaju stopalke plina), že nekaj sto vrtljajev više ali niže oziroma pri drugi obremenitvi pa niso več tako učinkoviti; še dlje od te nazivne obremenitve je še slabše. Zato so tehniki prisiljeni v kompromise med navorom, močjo, porabo in izpustom škodljivih snovi.

Nekateri dajejo v prvi plan motorni navor, drugi moč, tretji porabo (škodljive snovi že nekaj časa zelo učinkovito uničujejo katalizatorji in dodatni sistemi), nihče pa ne more enakega poudarka dati vsem trem. Dobra stran je, da za to ni treba 'zaposliti' mehanike, ampak le nadzorno elektroniko, tu pa tiči zajec v grmu različnih tunerjev.

Vinko Kernc, foto: Tovarne