Spis treści

Rozdział 1

NAPĘDY HYBRYDOWE
 

WSTĘP

Wszelkie dotychczasowe próby “ulepszenia” silnika o spalaniu wewnętrznym za pomocą zmiany paliwa, tak by pozbyć się kłopotliwych emisji węglowodorów, przynoszą mierne rezultaty. Idea spalania wewnętrznego, związanego z wysokimi temperaturami, jest nieuchronnie powiązana z powstawaniem jakiegoś szkodliwego składnika, np. tlenki azotu są praktycznie nie do uniknięcia, póki źródłem tlenu jest powietrze atmosferyczne. Jeżeli dodać do tego kłopoty w dystrybucji i magazynowaniu w samochodzie nowego paliwa ciekłego czy gazowego, nie dziwi poszukiwanie innych dróg.

Kierunkiem znanym od dziesięcioleci, a w zasadzie jednym z pierwszych źródeł napędu stosowanych w samochodach, jest energia elektryczna. Zerowa emisja spalin i minimalny hałas samochodów elektrycznych oraz zalety trakcyjne tego napędu (duży moment obrotowy przy małych prędkościach itp.) przyczyniły się do osiągnięcia przez nie statusu produkcji małoseryjnej, ale zastosowanie nadal jest ograniczone. Mały zasięg, masa użyteczna zmniejszona przez ciężkie akumulatory, długie ładowanie, przesunięcie emisji spalin na elektrownie, to wady dotychczas nie przezwyciężone.

Dlatego coraz głośniej mówi się o innych źródłach napędu alternatywnych, np. takich jak napędy hybrydowe. Hybrydy, w których połączono zalety silników spalinowych wraz z zaletami pojazdów elektrycznych, to dość nowe, ale przyszłościowe rozwiązanie. Specjaliści różnych firm starając się, aby pojazd nie zatracił zbytnio swej dynamiki i szybkości oraz uwzględniając coraz bardziej zaostrzone przepisy dotyczące toksyczności spalin, stworzyli dość liczną grupę pojazdów tego typu. Niestety, na razie tylko nie liczne projekty trafią do produkcji seryjnej. Tak więc w pojazdach takich zmniejszono zużycie paliwa, emisję szkodliwych dla środowiska substancji, masę akumulatorów. Zwiększono zaś zasięg i częściowo rozwiązano problem ładowania akumulatorów. Wszystko to kosztem niewielkiego spadku mocy, a co za tym idzie także prędkości maksymalnej. Jak to mówią “coś za coś”, ale warto tak się poświęcić.

TOYOTA PRIUS

Toyota rozpoczyna w Europie sprzedaż modelu Prius - 5-osobowego sedana o napędzie hybrydowym, benzynowo - elektrycznym, charakteryzującym się niską emisją zanieczyszczeń i małym zużyciem paliwa. Jeszcze do niedawna o samochodach z takim napędem mówiło się tylko jako o wehikułach przyszłości, traktowało wyłącznie jako konstrukcje studyjne. Toyota poszła krok naprzód... Nie bez kozery nazwa samochodu - Prius - pochodzi od łacińskiego "pójdź przodem".
Według przedstawicieli Toyoty, prowadzone od trzech lat prace rozwojowe nad sprzedawanym w tym czasie w Japonii Priusem pozwoliły na osiągnięcie wymaganych standardów prowadzenia, przyczepności i osiągów, oczekiwanych przez europejskich użytkowników.
Oprogramowanie sterujące silnikiem, przełożenia skrzyni biegów oraz charakterystyka silnika zostały dostosowane do panujących w Europie warunków jazdy.

Hybrydowy zespół napędowy tworzą: 1,5-litrowy, 16-zaworowy motor benzynowy VVT-i (system zmiennych faz rozrządu) o mocy ponad 70 KM i silnik elektryczny. Wielką baterię o pojemności 6,5 amperogodzin schowano za oparciem tylnej kanapy. Silnik elektryczny z przodu, pod maską, obok jednostki benzynowej. Prius nie potrzebuje zewnętrznego źródła prądu. Serce całego zespołu - czyli komputerowy przetwornik energii sam decyduje, bez udziału kierowcy, co w danej chwili jest źródłem energii. Podczas ruszania i w trakcie jazdy pracuje silnik elektryczny. Gdy kierowca gwałtownie przyspiesza lub auto pokonuje strome wzniesienie, włącza się silnik spalinowy. Działa on także wtedy, gdy komputer wykaże zbyt duży spadek mocy baterii - nie tylko napędza samochód, lecz również ładuje akumulatory.
Energia do ładowania baterii jest odzyskiwana także podczas hamowania. W efekcie baterie zasilające silnik elektryczny nie wymagają ładownia i są zaprojektowane na całe "życie" samochodu.
Mogą też działać obydwa silniki jednocześnie - stopień ich wykorzystania jest monitorowany drogą elektroniczną i zależy od prędkości samochodu i jego obciążenia, celem utrzymania jak najbardziej ekonomicznych warunków pracy.
Prius - według producenta - zużywa w kombinowanym cyklu Euro 5,1 litra benzyny bezołowiowej na 100 km i wydala 120 g dwutlenku węgla na każdy przejechany kilometr, czyli około 40 % mniej niż podobnej klasy konwencjonalny samochód z silnikiem benzynowym i automatyczną przekładnią.
Osiągami Prius dorównuje autom z klasycznym napędem. Prędkość maksymalna wynosi 160 km/h, zaś od 0 do 100 km/h hybrydowa Toyota przyspiesza w 13,4 sekundy.

Na pierwszy rzut oka...
... czterodrzwiowa limuzyna o długości 431,5 cm, o nowoczesnej sylwetce niczym nie różni się od innych aut. Prius, który trafił do Europy, ma większe zderzaki oraz tylny spoiler. Wprowadzone zmiany zmniejszają powierzchnię czołową auta oraz poprawiają aerodynamikę (współczynnik oporu powietrza Cd = 0,29). Łatwo wsiąść do Priusa i z niego wysiąść. Sprawia to wysokość auta - 149 cm i wysokość usytuowania siedzisk - 57 cm. Przy rozstawie osi wynoszącym 255 cm zaprojektowano sporą kabinę pasażerską.
Automatyczna skrzynia biegów uruchamiana jest dźwignią umieszczoną na desce rozdzielczej. Zastosowanie "nożnego" hamulca postojowego pozwoliło na wygospodarowanie przejścia między przednimi fotelami.
Centralnie umieszczony 5,8-calowy wyświetlacz przekazuje informacje dotyczące zapasów energii elektrycznej oraz funkcji samochodu, generowane przez elektroniczny system sprawujący nadzór nad zespołem hybrydowym.
 

Wyposażenie

W wyposażeniu seryjnym jest m.in. regulacja kierownicy, centralny zamek, ABS z elektronicznym systemem rozdziału siły hamowania, poduszki powietrzne dla kierowcy i pasażera, elektrycznie sterowane szyby, sprzęt audio, klimatyzacja, a za dopłatą - system nawigacji satelitarnej.
Prius objęty jest w Europie 5-letnią gwarancją. Nie wiadomo jeszcze kiedy to auto trafi do naszych salonów.

rys.Przekrój zespołu napędowego

1 – silnik spalinowy, 2 – generator, 3 – przekładnia, 4 – silnik elektryczny
 

Silnik benzynowy 1.5 VVT-i 16V
Pojemność skokowa 1.497 ccm
Moc maksymalna 53 kW/72 KM - 4.500 obr./min
Maksymalny moment obrotowy 115 Nm - 4.200 obr./min
Średnie zużycie paliwa 5,1 l/100 km
Silnik elektryczny Moc 33 kW - 1.040-5.600 obr./min
Maksymalny moment obrotowy 350 Nm - od ok. 400 obr./min
Wymiary i osiągi Długość/szerokość/wysokość 431,5/169,5/149 cm
Rozstaw osi 255 cm
Masa własna 1240 kg
Prędkość maksymalna 160 km/h
Przyspieszenie 0-100 km/h 13,4 s

1. Akumulatory zasilają silnik elektryczny (rozwija on moment obrotowy 350 Nm już przy 400 obr./min


 

    2. Silnik spalinowy napędza koła i silnik elektryczny

     3. Silnik spalinowy i akumulatory zasilają odpowiednio koła i silnik elektryczny

     4. Podczas hamowania energia jest odzyskiwana i gromadzona w akumulatorach

Silnik spalinowy doładowuje akumulatory (gdy ich pojemność spadnie poniżej 60% wartości nominalnej

Hybrydowa Multipla powstała w wyniku adaptacji seryjnego minivana. Głównym celem konstruktorów było obniżenie zużycia paliwa (o ok. 20%) i emisji substancji toksycznych (o ok. 50%), przy zachowaniu funkcjonalności i łatwości użytkowania na poziomie “zwykłego” samochodu. Do poruszania się w mieście przewidziano napęd czysto elektryczny, poza nim mieszany, elektryczno spalinowy. Silnik spalinowy to benzynowa, czterocylindrowa, szesnastozaworowa jednostka z rodziny Torque, a elektryczny – asynchroniczna, trójfazowa, odwracalna maszyna prądu zmiennego. Obydwie są umieszczone z przodu. W skład układu napędowego wchodzą ponadto: transformatory, system sterowania elektronicznego nadzorujący rozdział momentu napędowego, usytuowany pod podłogą zestaw 15 wentylowanych akumulatorów NiMH o napięciu 14,4 V i zdolności gromadzenia energii 19 kWh z możliwością doładowywania ze źródeł zewnętrznych oraz czteroprzełożeniowa, mechaniczna , zautomatyzowana skrzynia biegów typu Selespeed. Nie ma pedału sprzęgła, którego obsługa odbywa się na drodze elektrohydraulicznej.
Wyboru sposobu pracy: elektrycznego, hybrydowego lub elektrycznego z doładowaniem baterii, dokonuje tylko na postoju, kierowca za pomocą pokrętła umieszczonego pomiędzy przednimi fotelami. W pierwszym przypadku silnik spalinowy jest wyłączony, a pojazd porusza tylko silnik elektryczny, co znajduje zastosowanie w ruchu miejskim. W drugim przypadku oba źródła napędu przekazują moment napędowy na koła, przy czym silnik elektryczny jest wykorzystywany np. podczas pokonywania wzniesień i gwałtownego przyspieszania. Z kolei podczas hamowania czy zjazdu ze wzniesienia silnik elektryczny funkcjonuje jako generator, przetwarzając wytraconą energię kinetyczną w energię elektryczną, doładowującą akumulatory. Rozruch silnika spalinowego następuje po osiągnięciu przez samochód prędkości 30 – 35 km. W trzecim przypadku Multipla jest napędzana przez silnik elektryczny, zaś jednostka spalinowa, pracują ze stał prędkością obrotową poprzez sprzęgło elektromagnetyczne napędza generator, który uzupełnia zasób energii w bateriach. Gdy osiąga on minimalny dopuszczalny poziom, zakres ten włącza się automatycznie. Po naładowaniu akumulatorów układ napędowy wraca do pozycji wybranej przez kierowcę. Bilans mocy jest dodatni powyżej prędkości 65 km/h. Powoduje to wzrost zasięgu pojazdu bez konieczności korzystania z zewnętrznych źródeł prądu. O aktualnym trybie działania, załączonym biegu i stanie naładowania akumulatorów użytkownik jest informowany za pośrednictwem wyświetlacza. Obecnie 10 egzemplarzy Multipli Hybrid Power porusza się po ulicach Neapolu w ramach projektu Atena, mającego na celu zbadanie możliwości stosowania napędów alternatywnych w aglomeracjach miejskich. Decyzja o wielkości produkcji seryjnej samochodu i jego cenie sprzedaży ma zostać podjęta przez Fiata pod koniec roku.
Fot. Bateria akumulatorów jest umieszczona pod podłogą; pomiędzy fotelami usytuowano elektroniczny system sterujący pracą układu napędowego.

Hybrydowa Multipla ma masę większą o 450 kg od swego spalinowego pierwowzoru – 280 kg przypada na akumulatory, 140 kg na elektroniczne elementy sterujące, silnik elektryczny i generator. Reszta to dodatkowe wyposażenie. W samochodzie montuje się niezależną, benzynową instalację grzewczą. Zrezygnowano z koła zapasowego na rzecz środka uszczelniającego w aerozolu, pozwalającego na naprawę uszkodzonej opony. Producent zaleca częste, nawet co 24 h, doładowywanie akumulatorów z domowej sieci 22 V. W samochodzie zainstalowano ładowarkę z prostownikiem. Pełne ładowanie trwa 10 godzin, a każda bateria pobiera 3 kWh energii elektrycznej. Awaryjne, “szybkie” ładowanie, do poziomu umożliwiającego jazdę, trwa 30 – 60 min. Układ kierowniczy i hamulcowy wspomagane są urządzeniami elektrycznymi zasilanymi z pokładowej instalacji 12 V. Z tego samego źródła zasilana jest też pompa klimatyzatora. Elektroniczny system sterujący precyzyjnie kontroluje parametry pracy obu silników i czas synchronizacji podczas zmiany położeń. W trybie hybrydowym zmiana biegu I na II następuje przy prędkości 56 km/h, z II na III przy 80 km/h. Redukcja ma miejsce odpowiednio przy 40 km/h i 60 km/h. Położenie najniższe (maksymalna prędkość jazdy – 50 km/h), przydatne np. przy pokonywaniu stromych wzniesień o nachyleniu powyżej 16%, włącza kierowca dźwignią w centralnej konsoli. Zarówno na tym biegu, jak i podczas jazdy do tyłu, samochód napędza silnik elektryczny. W trybie elektrycznym wykorzystywane są tylko trzy biegi: najniższy, wsteczny i do jazdy do przodu. Zakres elektryczny z doładowaniem można wybrać, gdy akumulatory są rozładowane w 30%. Skażenie środowiska jest wówczas porównywalne z zanieczyszczeniem w przypadku pojazdu całkowicie elektrycznego, jeśli uwzględnić toksyny emitowane do atmosfery podczas produkcji elektrycznej, niezbędnej do ładowania akumulatorów.

Podobnie jak w przypadku Priusa, prowadzenie Multipli nie odbiega w istotny sposób od prowadzenia konwencjonalnego samochodu, napędzanego silnikiem spalinowym, współpracującym z automatyczną skrzynią biegów. Elektroniczny system sterujący układem napędowym ostrzega kierowcę o zbyt długim (ponad 5 min) korzystaniu z najniższego biegu. Wyłączenie silnika bez przestawienia pokrętła w pozycję spoczynkową (P) powoduje zablokowanie kluczyka w stacyjce. Na ekranie pojawia się również informacja o konieczności doładowania akumulatorów. Naczelnym zadaniem układu sterującego pozostaje minimalizacja zużycia paliwa i emisji substancji szkodliwych w spalinach.

Fot. Pokrętło między siedzeniami służy do wyboru trybu pracy.

Spośród układów wykorzystujących do napędu pojazdów prąd elektryczny systemy hybrydowe wydają się najbliższe rozpowszechnienia. Pozwalają wykorzystać zalety silnika spalinowego: dobre osiągi i zadowalający zasięg, ograniczając jego wady: niską sprawność przy częściowym obciążeniu i zatruwanie atmosfery produktami spalania. Reakcja rynku na pierwsze seryjne samochody tej kategorii będzie prawdopodobnie czynnikiem decydującym o ich dalszym rozwoju.

spis treści

Na japoński rynek został wprowadzony do sprzedaży nowy model Nissana - Tino Hybrid, zbudowany na bazie popularnego modelu Tino i wyposażony w system NEO HYBRID. Tino, który zadebiutował na rynku w grudniu 1998 roku, jest autem o doskonałych właściwościach jezdnych i komfortowo rozwiązanym, przestronnym wnętrzu.
System NEO HYBRID jest wysoko wydajnym systemem napędowym, który w sposób optymalny i efektywny wykorzystuje silnik benzynowy i elektryczny. W porównaniu z pojazdami benzynowymi tej samej klasy, nowy Tino Hybrid ma ponad dwukrotnie mniejsze zużycie paliwa, a emisja dwutlenku węgla jest zredukowana o 50%.Ponadto, w sposobie prowadzenia model ten nie różni się od aut benzynowych. Dodatkowe zalety auta to komfortowe wnętrze, przeznaczonego dla 5 osób i przestronny bagażnik.
Motor elektryczny napędza samochód w sytuacjach, w których praca silnika benzynowego jest nieefektywna takich, jak start czy jazda z małą prędkością. Silnik benzynowy jest wykorzystywany podczas jazdy ze średnią i dużą prędkością. Przy dużych przyspieszeniach pracują obydwa napędy. Napęd elektryczny ma możliwość autoregeneracji. Silnik wyłącza się automatycznie, gdy samochód zatrzymuje się.
Wykorzystanie przekładni bezstopniowej HYPER CVT pozwala na wydajniejszą pracę obu napędów, lepsze przyspieszenie i doskonale wpływa na oszczędność paliwa. W modelu Tino Hybrid zastosowano lekki, kompaktowy akumulator litowo-jonowy, specjalnie opracowany dla pojazdów z napędem hybrydowym. Akumulator umieszczono pod podłogą auta, w pobliżu jego środka ciężkości, dzięki czemu zwiększyła się jego stabilność, bez konieczności ingerencji w przestronność wnętrza.
Na wielofunkcyjnym ekranie ciekłokrystalicznym, 5,8-calowym, wyświetlane są informacje dotyczące warunków pracy silników i poziomu zużycia paliwa. Ten sam monitor wykorzystywany jest również przez zainstalowany w tym modelu system nawigacyjny.
Dzięki zastosowaniu szyb ze szkła, absorbującego promieniowanie ultrafioletowe, nie tylko poprawiają się warunki jazdy, ale także zwiększa się efektywność pracy klimatyzatora. Tylne lampy Tino Hybrid mają zainstalowane diody o niskim poborze mocy.
Nissan zdecydował początkowo ograniczyć liczbę aut, przeznaczonych do sprzedaży, do 100 sztuk. Nissan zamierza przyjmować zamówienia za pośrednictwem internetu. Od reakcji klientów na Tino Hybrid będzie zależało, czy firma zwiększy produkcję nowego modelu. W nadchodzących latach, coraz ważniejsze będą kwestie ochrony środowiska. Nissan uznaje systemy hybrid za kluczowe rozwiązanie technologiczne o znaczeniu ekologicznym i w przyszłości będzie kontynuował badania nad rozwojem tych jednostek napędowych.

Toyota zaprezentowała kolejny po uzyskującym znakomite opinie modelu Prius samochód hybrydowy. Tym razem jest to urządzenie iście rewolucyjne – jego hybrydowość jest właściwie kompleksowa. Mamy tu bowiem zbudowany na bazie Previi wielki samochód typu MPC (duży van), zdolny przewozić siedem osób i sporo bagażu. Jest on wyposażony w potężny silnik benzynowy 2,4l (nominalnie 156 KM) oraz aż dwa silniki elektryczne. Napęd z silnika spalinowego oraz pierwszego elektrycznego przenoszony jest na przednie koła za pośrednictwem bezstopniowej skrzyni biegów CVT, tylne koła zaś napędza drugi agregat elektryczny. Funkcje wszystkich trzech jednostek napędowych są sterowane i zarządzane elektronicznie, możliwe są różne tryby jazdy – wszystkie trzy silniki przyspieszają, pracuje tylko benzynowy, elektryczne jako generatory ładują baterie, albo jeden ładuje baterie, a drugi wspomaga motor spalinowy. W trybie miejskim możliwa jest jazda wyłącznie na silniku elektrycznym.
 

Swój debiut we Frankfurcie odnotował Ford FC5, studium samochodu zasilanego ogniwami paliwowymi, który jest propozycją ekologicznego samochodu na najbliższą przyszłość. Prototyp Ford FC5 jest bardzo prawdopodobną wizją tego, jak wyglądać będzie 5-drzwiowy samochód rodzinny mniej więcej za pięć lat. Dzięki napędowi energią elektryczną wytwarzaną w ogniwach paliwowych najnowszej generacji, samochód ten będzie charakteryzować się wyjątkowo niewielkim zużyciem paliwa i niskim poziomem emisji związków szkodliwych, zachowując jednocześnie prędkość maksymalną i osiągi podobne do dzisiejszych modeli napędzanych silnikami benzynowymi.
Najnowocześniejszy jak dotąd zespół ogniw paliwowych dat zespołowi projektantów pracujących nad prototypem Forda FC5 daleko idącą swobodę w kształtowaniu przestrzeni wnętrza tego pełno wymiarowego samochodu, wygodnie mieszczącego 5 osób.

Ogniwa paliwowe zostały umieszczone pod podłogą pojazdu.

Wielu ekspertów uważa, że ogniwa paliwowe są najbardziej praktyczną propozycja wśród alternatywnych źródeł energii dla samochodów rodzinnych przyszłej generacji.
Ogniwa wytwarzają energię elektryczną na drodze reakcji elektrochemicznych, łączących tlen z powietrza atmosferycznego z wodorem pochodzącym z paliwa.
Proces ten pozwala na osiągnięcie znacznej sprawności energetycznej, jest cichy i nie wymaga spalania. W przypadku Forda FC5 wodór będzie pochodzić z metanolu, który nie tylko daje się łatwo wykorzystywać do tego celu, ale także powoduje bardzo niewielką ilość zanieczyszczeń.
Metanol jako paliwo ma tę przewagę nad benzyną spalaną w klasycznych silnikach, że układ paliwowy znacznie ogranicza emisję do atmosfery gazów przyczyniających się do powstawania efektu cieplarnianego. Oprócz tego, silnik zasilany metanolem praktycznie nie emituje zanieczyszczeń stałych, ani też tlenków azotu czy tlenku węgla, które są składnikami powodującymi powstawanie smogu w aglomeracjach miejskich.
Stosunkowo niewielkie rozmiarami, lecz bardzo przestronne nadwozie prototypu Forda FC5 nawiązuje do nowoczesnych, progresywnych kształtów, które stały się już znakiem rozpoznawczym Forda, dzięki takim modelom jak Ford Ka i Ford Focus. W przypadku eksponatu we Frankfurcie, nadwozie to unosi się nad 18-calowymi kotami o dość agresywnym wzornictwie, ukazując schemat rozmieszczenia całego układu napędowego, z niewielką rozmiarami baterią ogniw paliwowych.

ROZDZIAŁ 2

OGNIWA PALIWOWE

PIERWSZE OGNIWA PALIWOWE

Korzeni tej technologii należy doszukiwać się jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziś zaczyna ona przynosić owoce. Sir William Grove, brytyjski sędzia i uczony, skonstruował już w 1839 roku pierwsze ogniwo paliwowe.
W pierwszym ogniwie paliwowym jego wynalazca wykorzystywał reakcję łączenia wodoru z tlenem do bezpośredniego wytwarzania prądu elektrycznego. Ogniwo takie nie ma części ruchomych, działa bezszumowo, a jego jedyną substancją odpadową jest woda.
Wiele lat potem naukowcy z NASA wykorzystali tę genialnie prostą ideę i rozwinęli technologię do poziomu umożliwiającego wykorzystanie jej w pojazdach kosmicznych APOLLO, GEMINI, SKYLAB i innych, aby produkować energię elektryczną i wodę pitną.
Jeszcze pod koniec lat 80 ogniwa paliwowe lekceważono – z powodu ich wysokiej ceny. Koszt takich urządzeń był, niestety, astronomiczny i sięgał 1000000 dolarów za kilowat. Teraz ta sytuacja zmienia się w szybkim tempie, zwłaszcza dzięki istotnym zaletom ekologicznym. Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 40% - 60%, zaś emisję tlenków azotu o 50% - 90%.
Coraz częściej spotyka się informacje o komercyjnych zastosowaniach ogniw paliwowych, nawet w celach energetycznych. Firma Southern California Gas CO. Opracowała instalację o mocy 200 KW dla jednego z hoteli, trzech szpitali i paru innych instytucji publicznych. Ambitne plany przewidują budowę elektrowni o mocy 2 MW. Największe zainteresowanie przejawia jednak przemysł motoryzacyjny, a jest to spowodowane dwoma czynnikami: dążeniem do zwiększenia sprawności napędu oraz wymuszaniem przez ekologię ograniczaniem emisji zanieczyszczeń do środowiska naturalnego, w którym żyjemy.
Specjaliści renomowanego amerykańskiego Instytutu Energetyki EPRI twierdzą, że nie ma drugiej, równie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest to czarna skrzynka, do której z jednej strony doprowadza się paliwo, a z drugiej uzyskuje prąd elektryczny – przy wysokim współczynniku sprawności wykorzystania paliwa i nikłej emisji zanieczyszczeń. Jako paliwo najprościej było by wykorzystywać wodór, ale lepiej używać gazu ziemnego, którego głównym składnikiem jest metan, zaś najbezpieczniej – metanolu.
Zarówno zwykłe baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny dzięki reakcjom elektrochemicznym. W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym, cały proces zaczyna się od wydzielenia czystego wodoru w urządzeniu zwanym reformerem (1). Powstający przy tym dwutlenek węgla (2) jest usuwany na zewnątrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.
Następnie wodór trafia do właściwego ogniwa (3), wywołując kolejne reakcje chemiczne: platynowy katalizator na anodzie “wyrywa” z gazu elektrony (4), a dodatnio naładowane jony (protony) “rozpuszczają się” w elektrolicie (5). Obojętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechowuje swobodne elektrony, Powodując powstanie prądu stałego (8). Ujemnie naładowane jony tlenu reagują w elektrolicie z protonami również znajdującymi się w elektrolicie, wytwarzając wodę (7). Powstający stały prąd elektryczny zostaje w przetwornicy przekształcony na prąd zmienny (9), z którego łatwiej można korzystać.

Jak długo do właściwego ogniwa paliwowego dopływa wodór i tlen, tak długo wytwarza ono prąd elektryczny, ciepło i wodę. Siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi około 1 wolta lub mniej, a natężenie prądu elektrycznego w obwodzie zależy od powierzchni elektrod. Napięcie można zwiększyć łącząc ze sobą szeregowo wiele takich ogniw – jak plastry wafli przekładanych nieprzepuszczalnymi dla elektrolitu, lecz przewodzącymi prąd elektryczny, membranami – zwiększając w ten sposób ich wydajność. Stos kilku niewielkich ogniw może dostarczyć moc paru watów, zaś wiele ogniw o powierzchni metra kwadratowego jest w stanie generować setki kilowatów.
Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, różniących się między sobą konstrukcją, materiałem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wytwarzających energię elektryczną i wodę, przeznaczonych dla promów kosmicznych NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urządzeniami, mającymi za sobą dorobek długotrwałych prac badawczo – rozwojowych, są ogniwa wykorzystujące kwas fosforowy oraz ogniwa z membranami polimerowymi.
Elektrownia z ogniwami polimerowymi na bazie kwasu fosforowego PAFC, o mocy szczytowej 200 KW, przy sprawności wykorzystania energii zawartej w paliwie sięgającej 40% ma wielkość autobusu i kosztuje ponad pół miliona dolarów. Jeśli dodatkowo wykorzystać ciepło, powstające podczas pracy elektrowni, do ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody użytkowej, to łączna sprawność tych urządzeń wzrasta do ponad 80%. Dla porównania warto dodać, że w najlepszych elektrowniach opalanych paliwami konwencjonalnymi sprawność dochodzi do 30%. Urządzenia PAFC mogą być produkowane w różnych wielkościach. Niewielkie, przenośne 24-woltowe ogniwa paliwowe o mocy 250W, 25 kilogramowe, są w stanie pracować około 100 godzin na jednej butli z czystym wodorem. Z kolei w Tokio działa eksperymentalna elektrownia z zestawem 18 olbrzymich PAFC o łącznej mocy elektrycznej 11 MW.
Z pośród pięciu liczących się odmian technologii najbardziej interesujące są ogniwa paliwowe polimerowe, znane również jako ogniwa z membraną wymiany protonowej PEM (Proton Exchange Membrane). Dzięki niskiej temperaturze pracy, dużej trwałości i elastyczności w przystosowaniu się do zmiennego obciążenia, ogniwa PEM są bardzo obiecujące z punktu widzenia zastosowań powszechnego użytku w małych gospodarstwach domowych (np. jako zastępcze źródła prądu), czy w pojazdach mechanicznych. Postęp technologiczny rokuje nadzieje na obniżenie kosztów produkcji polimerowych ogniw paliwowych z 10000 dolarów za metr kwadratowy do zaledwie 50 dolarów.
Jednym z pierwszy aut z takim źródłem energii był “Green Car” opracowany przez firmę Florida Partners z Florydy. Dwuosobowy pojazd miał dwa polimerowe ogniwa paliwowe o mocy 10 KW, które napędzały silnik elektryczny o mocy 57 KM, wystarczający do nadania pojazdowi szybkości ponad 140 km/h. Wysoko ciśnieniowy zbiornik wodoru umożliwiał przejechanie około 200 km. Napełnienie zbiornika trwało około 4 minut (ładowanie akumulatorów trwałoby około 3 godziny).

Z kolei firma Ballard Power Systems of Canada opracowała prototyp 21 – miejscowego autobusu z baterią 5–kilowatowych ogniw paliwowych. Trwają dalsze prace rozwojowe w tym kierunku, wspierane przez Departament Energetyki USA.
Ponieważ bezpośrednie operowanie wodorem jest bardzo niebezpieczne konstruktorzy zdecydowali się jako źródło wodoru wykorzystać metanol. Reakcja w ogniwie paliwowym zachodzi w temperaturze 80 – 90 stopni Celsjusza przy ciśnieniu 3,0 bar. Ogniwo paliwowe wspomagane jest baterią akumulatorową, składającą się z 44 ogniw NiMH połączonych szeregowo. Energia elektryczna napędza trójfazowy silnik elektryczny prądu zmiennego o mocy 101 kW (137 KM), sprzężony z przednimi kołami za pośrednictwem jednobiegowej przekładni. Pojazd o masie 1377 kg osiąga 100 km/h w ciągu 10 sekund, zaś jego prędkość maksymalna dochodzi do 13 km/h. Zużycie paliwa podawane jest na 3,5 l/100 km. Zasięg pojazdu wynosi około 400 km (na samych bateriach NiMH tylko 53 km), natomiast emisja dwutlenku węgla nie przekracza 71 g/km.
Drugi model Opel – Sintra z napędem na przednie koła ma masę 1800 kg, został wyposażony w silnik indukcyjny o mocy 50 kW (68 KM) i rozwija prędkość do 150 km/h, a 100 km/h osiąga po 20 sekundach. Zbiornik paliwa mieści 40 l metanolu, a zbiornik na wodę ma 20 l pojemności.

Wszelkie dotychczasowe próby “ulepszenia” silnika o spalaniu wewnętrznym za pomocą zmiany paliwa, tak by pozbyć się kłopotliwych emisji węglowodorów, przynoszą mierne rezultaty. Idea spalania wewnętrznego, związanego z wysokimi temperaturami, jest nieuchronnie powiązana z powstawaniem jakiegoś szkodliwego składnika, np. tlenki azotu są praktycznie nie do uniknięcia, póki źródłem tlenu jest powietrze atmosferyczne. Jeżeli dodać do tego kłopoty w dystrybucji i magazynowaniu w samochodzie nowego paliwa ciekłego czy gazowego, nie dziwi poszukiwanie innych dróg.
Kierunkiem znanym od dziesięcioleci, a w zasadzie jednym z pierwszych źródeł napędu stosowanych w samochodach, jest energia elektryczna. Zerowa emisja spalin i minimalny hałas samochodów elektrycznych oraz zalety trakcyjne tego napędu (duży moment obrotowy przy małych prędkościach itp.) przyczyniły się do osiągnięcia przez nie statusu produkcji małoseryjnej, ale zastosowanie nadal jest ograniczone. Mały zasięg, masa użyteczna zmniejszona przez ciężkie akumulatory, długie ładowanie, przesunięcie emisji spalin na elektrownie, to wady dotychczas nie przezwyciężone.
OGNIWO PALIWOWE to szansa na pogodzenie tych sprzeczności. Elektryczny silnik trakcyjny może z niego pobierać prąd przy praktycznie zerowej emisji szkodliwych składników spalin. Paliwem jest wodór, którego zasoby w naturze są wielkie i odnawialne. Ogniwo ma dużą sprawność, teoretycznie przekraczającą 80%. Nawet jeśli w praktyce można liczyć tylko na sprawność 50-60%, i tak jest ona dwukrotnie większa niż w silniku spalinowym.
Ideą działania ogniwa paliwowego jest uzyskiwanie prądu elektrycznego z wodoru i tlenu bez ich spalania. Za najbardziej obiecujące w zastosowaniach motoryzacyjnych uważa się wykorzystanie do tego procesu przegrody protonowej [Proton Exchange Membrane – – PEM]. Pomiędzy elektrodami ogniwa znajduje się folia powleczona warstewką katalizatora, obecnie głównie platyny. Katalizator przyspiesza jonizację wodoru, a przegroda przepuszcza dodatnio naładowany jon na stronę omywaną przez tlen, gdzie łączą się one ze sobą tworząc wodę. Po stronie “wodorowej” zostaje elektron i wytwarza się ładunek ujemny, po stronie “tlenowej” dodatni, mamy więc różnicę potencjałów i możemy czerpać ok. 0,6–0,9 V z każdego ogniwa; moc waha się od 0,3 do 0,6 W w zależności od producenta. Po zestawieniu w pakiet, można uzyskać moc 30– 50 kW przy wielkości urządzenia umożliwiającej pomieszczenie go w samochodzie osobowym.
BRZMI TO ŁATWO, GORZEJ JEST Z PRAKTYKĄ. Ta pokładowa elektrownia musi być podgrzana do 80 – 100˚ nim zacznie działać, później energii dostarcza reakcja powstawania wody. Obecnie jeżdżące prototypy potrzebują ok. 3 min. Na rozruch, co wskazuje na potrzebę posiadania na ten czas dodatkowego źródła energii. Bezwładność ogniwa jest znaczna, trudno uzyskać więcej prądu po wciśnięciu pedału przyspiesznika, a jej nadmiar przy hamowaniu trzeba wykorzystać – to ponownie skłania do zastosowania dodatkowych akumulatorów. Trzeba też mieć w samochodzie wodór. Nie jest trudne zmagazynowanie gazu skroplonego lub związanego w wodorkach metali w ilości zapewniającej zadowalający zasięg, ale trudno liczyć na rychłą możliwość uzupełnienia tego paliwa na najbliższej stacji benzynowej.
Przeglądając istniejące metody pozyskiwania wodoru, zwrócono uwagę na reforming metanolu. Ze względu na największą wydajność, przyjęto do zasilania samochodowych ogniw metodę, w której rozkłada się w obecności katalizatora mieszankę par wody i metanolu. Wymaga to oczywiście dodatkowego palnika do odgrzewania i odparowania mieszanki oraz przegrzania par. Są one kierowane na katalizator Cu/ZnO, przemieniając się w gaz bogaty w wodór, ale zawierający także CO i CO₂; mogą się pojawić również w nim ślady metanolu i formaldehydów. Takiej mieszanki nie znosi platynowy katalizator samego ogniwa. Jest niezbędna dodatkowa instalacja do obróbki gazu, przez dopalanie tlenku węgla, jego adsorpcję lub filtrowanie produktów reformingu przez kolejną membranę przepuszczającą tylko wodór, np. palladowosrebrową. Dodatkowe elementy, dodatkowe koszty.
Reformer musi być podgrzewany w czasie działania do 200 – 300˚. Źródłem ciepła jest palnik katalityczny spalający gazy odfiltrowane od wodoru, emitujący niewielkie ilości CO₂ i śladowe CO, na poziomie poniżej kalifornijskich przepisów EZEV.
Z tego skróconego opisu można jasno zdać sobie sprawę ze złożoności instalacji paliwowej wykorzystującej ogniwa wodorowo – tlenowe, zwłaszcza przy magazynowaniu wodoru w metanolu.

Przedstawione dotychczas, jeżdżące prototypy dokumentują wielkość i komplikację tych instalacji. Zamontowane w samochodach kombi czy miniwanach pozostawiają miejsce dla najwyżej dwóch osób. Poza objętością tego systemu zasilania, walczy się z jego masą. Obecnie, przy mocy wyjściowej na kołach ok. 45 kW, masa kompletnej instalacji pozyskiwania wodoru z metanolu, ogniwa, silnika itd. przekracza 600 kg [ok.14 kg/1 kW]. W powszechnej opinii, projektowanie systemu do nowego samochodu, zamiast dostosowania go do istniejących nadwozi, już ułatwi optymalizację objętości i masy. Liczy się na szybkie osiągnięcie masy jednostkowej 8 kg/kW, co przy wprowadzeniu dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych, jak opony o niskim oporze, lekkie i aerodynamiczne nadwozia, umożliwiłoby seryjne zastosowanie ogniw. Ten wielki wysiłek ma być na końcu uwieńczony nagrodą w postaci napędu o emisji CO i NO_X stanowiącej pojedyncze procenty w porównaniu z obecnymi silnikami spalinowymi, emisja węglowodorów zmniejszy się 10 – krotnie.

Schemat zasilania pojazdu z reformingiem metanolu jako źródłem wodoru:
1 – zbiornik metanolu, 2 – reformer, 3 – ogniwo paliwowe, 4 – przetwornica, 5 – silnik trakcyjny (schemat dotyczy fordowskiego prototypu samochodu 4X4 p2000 SUV stąd 2 silniki), 6 – sprężarka doprowadzająca powietrze do ogniwa.

Prace prowadzone są w dwóch kierunkach: nie rezygnuje się z prostszego zasilania bezpośrednio wodorem, ale bardziej obiecujący reforming metanolu, etanolu lub paliwa ropopochodnego. Prototyp Renault Fever to przykład pierwszego rozwiązania. W nadwoziu Laguny kombi zainstalowano kriogeniczny zbiornik ciekłego wodoru, mieszczący 8 kg gazu. Zestaw 135 ogniw paliwowych zapewnia napięcie 90 V i moc 30 kW, zasięg samochodu to około 400 km. W Fever zastosowano dodatkowe akumulatory NiHM dostarczające energię przy przyspieszaniu i gromadzące ją przy hamowaniu. Ogniwa paliwowe pochodzą z włoskiej firmy De Nora. Symulowany bilans, uwzględniający przemysłową produkcję wodoru, pozwolił stwierdzić, że Fever emituje 50% mniej CO₂ niż samochód z silnikiem benzynowym.
Rodzina samochodów zasilanych ogniwami z systemem reformingu jest coraz większa. Mercedes – Benz w ramach projektu NEKAR wykonał serię prototypów; do pierwszego potrzebował autobusu, drugą instalację zamieścił w samochodzie dostawczym, trzecią już w A – klasie. Opel testuje ten układ w prototypowej Zafirze. Najdalej w miniaturyzacji poszedł Ford, który zamieścił go w prototypie samochodu średniej klasy P2000. Także w tym przypadku prace są prowadzono dwutorowo: z wykorzystaniem reformingu lub niewielkich stacjonarnych instalacji uzyskiwania wodoru tą metodą, zdolnych do zapewnienia paliwa ok. 100 pojazdom. We wszystkich tych samochodach są stosowane ogniwa kanadyjskiej firmy Ballard Power System, lidera tej technologii. Poza tym działa jeszcze Siemens we współpracy z norweską firmą Haldor TopsØe.
Rezultaty tych międzynarodowych badań mają się pojawić w salonach dealerów najwcześniej w 2005 r. Poza dopracowaniem samej instalacji zasilania, pozostaje wiele problemów technicznych z nią związanych, np. zapewnienie bezpieczeństwa kolizyjnego pojazdu przewożącego wodór i zawierającego liczne “gorące” elementy.

ROZDZIAŁ 3

SILNIK SAAB SVC ZE ZMIENNYMI STOPNIAMI SPRĘŻANIA
 

WSTĘP
W Szwecji są prowadzone intensywne próby trakcyjne samochodów Saab, wyposażonych w silnik o zmiennym stopniu sprężania SVC (Saab Variable Compression). Taka jednostka napędowa została przedstawiona na ubiegłorocznym salonie samochodowym w Genewie, wzbudzając nieukrywany podziw dla nowatorskiej idei. Wydawałoby się, ze w dziedzinie podstawowych zasad działania silników nie można już nic więcej wymyślić, a tymczasem Szwedzi zaproponowali rozwiązanie, które stanowi połączenie zalet silnika z zapłonem iskrowym, pracującego według obiegu Otto, z walorami silnika wysokoprężnego Diesla.

Dzięki zastosowaniu zmiennego stopnia sprężania silnik SVC jest unikalną jednostką napędową, w której inaczej dokonano podziału pomiędzy górna i dolna częścią silnika. W porównaniu z klasycznym silnikiem o stałym stopniu sprężania płaszczyzna podziału pomiędzy dwoma zasadniczymi częściami składowymi silnika SVC znajduje się 20 cm niżej. Część górna nazywana monogłowica składa się z głowicy cylindrów na stale połączonej z tulejami cylindrowymi, natomiast część dolna - skrzynia korbowa to kadłub silnika, wał korbowy, korbowody oraz tłoki. Te obie zasadnicze części silnika są ze sobą połączone wahliwie i istnieje możliwość ich odchylania o kat 4°, co wystarcza do płynnej zmiany stopnia sprężania od 8 do 14, czyli w zakresach w których pracują silniki benzynowe i wysokoprężne. Pochylanie jest dokonywane samoczynnie przez siłownik hydrauliczny, przy czym optymalny stopień sprężania w określonych warunkach jest wyliczany przez specjalnie dostosowany system, zarządzający praca silnika Saab Trionic.
Fot. Ważnym elementem silnika SVC jest uszczelnianie pomiędzy skrzynią korbową a głowicą, wykonane w postaci miecha z gumy, odpornej na olej, wysoką temperaturą i szybkie zmiany ciśnienia

Zbiera on informacje o prędkości obrotowej wału korbowego, aktualnym obciążeniu silnika, liczbie oktanowej stosowanego paliwa i ustala wielkość optymalnego w danej chwili stopnia sprężania. Jego wartość jest więc parametrem zmiennym w sposób ciągły. W pionowym ustawieniu obu zasadniczych części silnika stopień sprężania jest największy, stopniowe odchylanie powoduje powiększanie komory spalania, a więc zmniejszanie stopnia sprężania. Uszczelnianie przestrzeni pomiędzy skrzynią korbowa a monoglowicą, w której mogą się gromadzić np. lotne elementy materiałów smarnych, jest realizowane za pomocą gumowych miechów. Interesujący jest fakt, ze Szwedzi zastosowali jako silnik bazowy pięciocylindrowa jednostkę napędową o pojemności zaledwie 1598 cm3. Taka zredukowana pojemność skokowa jest uzasadniona, jeśli weźmie się pod uwagę, ze silniki o mniejszej pojemności, aby osiągać moce zbliżone do dużych jednostek napędowych, musza pracować pod pełnym obciążeniem. Mniejsze są wówczas straty związane z zasysaniem powietrza, bowiem przy pełnym obciążeniu występuje całkowite otwarcie przepustnicy i tłok w cylindrze pokonuje mniejsze opory, związane z dostarczaniem powietrza do cylindrów. Zrozumiale tez, ze małe silniki są lżejsze i maja mniejsze opory wewnętrzne, co stanowi o ich wyższości nad większymi jednostkami.

Na ilustracji widać także elementy wykonawcze, które płynnie zmieniają położenie wałków sterujących zaworem

1. Podczas suwu pracy następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej. Wszystkie zawory pozostają zamknięte. Energia cieplna wytworzona w procesie spalania powoduje wzrost ciśnienia gazów w cylindrze. Tłok, poddany działaniu siły gazowej, przesuwa się w dół.

5. Podczas suwu ssania, wraz z ruchem tłoka w dół, następuje zamknięcie zaworów wylotowych. Przez nadal otwarte zawory dolotowe do cylindra zasysana jest reszta mieszanki spalinowo-benzynowej z kanału dolotowego.

W dotychczas stosowanych systemach bezpośredniego wtrysku benzyny problem stanowiła, bowiem zwiększoną emisja tlenków azotu, które musiały być magazynowane i okresowo wydalane do atmosfery przez specjalny dopalacz. Dodatkowym utrudnieniem była ponadto wrażliwość tego rodzaju urządzeń na siarkę zawarta w paliwie. Szwedzi postanowili zatem poprzestać na tradycyjnym konwerterze i zoptymalizować proces spalania tak, aby zachowując zalety wtrysku bezpośredniego, utrzymać stałą proporcję masowa paliwa do powietrza (mieszanka o składzie stechiometrycznym). Osiągnięto to właśnie poprzez zawracanie do cylindra gorących gazów spalinowych, wypełniających 60 - 70% objętości przestrzeni nad tłokiem (29 – 39 % to powietrze, 1 % - benzyna). Stosunek ten zmienia się wraz ze zmiana stopnia obciążenia silnika
Niejako ubocznym efektem wprowadzonych innowacji okazało się także zmniejszenie strat pompowania, występujących przy częściowym uchyleniu przepustnicy w warunkach małego obciążenia, ponieważ do cylindra powietrze jest zasysane tylko w ilości koniecznej do uzyskania współczynnika lambda równego 1.
System SCC postał w Dziale Konstrukcji i Rozwoju Silników Saaba we współpracy ze specjalistyczna australijska firma Orbital. W ramach General Motors Szwedom powierzono bowiem prace badawcze i projektowe nad turbodoładowanymi, benzynowymi jednostkami napędowymi na potrzeby całego koncernu. Według wstępnych ocen silnik z systemem SCC spełnia z zapasem zarówno amerykańskie, jak i europejskie normy emisji spalin. W porównaniu ze współczesnymi, seryjnymi jednostkami Saaba o podobnych osiągach stężenie tlenków węgla i węglowodorów jest niższe prawie o polowe, a tlenków azotu o 75%. Zużycie paliwa zmalało 0 8=10%. Odpowiada to wymaganiom stawianym w USA pojazdom typu ULEV, mającym obowiązywać od 2005 r.
Badawcze auta wyróżnia zewnętrznie jedynie symbol SVC. Wystarcza jednak krótka przejażdżka, by zorientować się, że nie mamy do czynienia ze zwykłym samochodem. Już przy ruszeniu odczuwa się imponującą moc pięciocylindrowej jednostki o pojemności 1,6 dm3 , wynoszącą 225 KM. Zapewnia ona pojazdowi nadzwyczajną dynamikę, podkreślaną sportowym odgłosem pracy silnika. Niecodziennym doznaniem jest rodzaj wyraźnego stuknięcia, które słyszy się (i nieznacznie odczuwa na kierownicy) przy nagłej zmianie pozycji pedału gazu. Przy zdecydowanym przyspieszaniu lub zwalnianiu poprzecznie umieszczony silnik zmienia bowiem stopień sprężania w granicach od 8:1 do 14:1. Przypomnijmy, że jest to realizowane poprzez przechylanie głowicy stanowiącej jeden element wraz z cylindrami.
O kącie nachylenia górnej części silnika (a więc i o stopniu sprężania) oraz o włączeniu lub odłączeniu doładowania decyduje system sterujący o nazwie Saab - Trionic. Optymalną kompresję wylicza on na podstawie prędkości obrotowej silnika, chwilowego jego obciążenia, momentu pojawiania się spalania stukowego i wielu innych parametrów. Ustalona przezeń wartość stopnia sprężania, a takie ciśnienia doładowania, jest przedstawiana na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu umieszczonym na tablicy wskaźników. Można więc obserwować jak się zmieniają. Wysokiemu obciążeniu (przyspieszanie, jazda pod górę) towarzyszy niski stopień sprężania i wysokie ciśnienie doładowania, co zapewnia wysoki moment obrotowy i dużą elastyczność silnika.
W miarę spadku obciążenia maleje wydatek kompresora i rośnie stopień sprężania. Na testowej trasie w okolicach Trollhattan, gdzie mieści się główna siedziba Saaba, miałem okazję sprawdzić doświadczalnego Saaba 9-5 SVC i porównywalny pod względem dynamiki model 9-5 z silnikiem V6 o pojemności 3 litrów. Przy takim samym stylu jazdy seryjne auto potrzebowało 12 I paliwa na 100 km, gdy SVC zadowalał się zużyciem o 30% niższym. W takim samym stopniu ograniczona tez była ilość dwutlenku węgla wydobywającego się z jego rury wydechowej. Mniej oczywiste jest natomiast, że pod względem emisji tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu auto spełniało najostrzejsze normy czystości spalin.