22 let na trhu autoopravárenství

Budoucnost je tady – 10

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 9/2018.

 

Text: Josef Gamba

Foto: autor a archiv redakce

 

Budoucnost je tady – 10 <desitka je desaty dil>

 

<mezititulek>

Nové směry ve vývoji spalovacích motorů

 

Vzdálená diagnostika, konektivita, komfortní systémy, autonomní řízení, alternativní pohony vozidel a také ekologie nebo měření emisí – to jsou oblasti, o kterých se stále více mluví i píše. Rozhodli jsme se proto, že tyto informace budeme v pravidelném seriálu přinášet i vám, našim čtenářům.

 

V souvislosti s rozvojem pohonných jednotek a modernizací výfukových traktů vozidel není problém ve stále dokonalejších představovaných systémech, ale v autoservisech. Mechanici v neznačkových servisech (pokud ještě nějací zůstanou), kteří se nevzdělávají, nebudou novým vývojovým trendům naprosto rozumět, přičemž někteří už teď mají velké problémy. Pan Josef Gamba ze společnosti P Automobil Import s.r.o. Emil Frey Group, který tento článek připravil, má spolu se svými kolegy oprávněné obavy, že nejen u nás, ale i v zahraničí tato situace pomalu nastává. Pojďme si tedy v tomto teoretickém přehledu představit, jaké vývojové směry v pohonech vozidel lze očekávat, a připravit se tak s předstihem na nové trendy. Technologický pokrok spalovacího motoru je zatím stále důležitý a nový směr v jeho vývoji jednoznačně udávají měnící se emisní předpisy.

 

Pohonná jednotka automobilu je jednou z nejdiskutovanějších oblastí současného automobilového světa. Laické veřejnosti se podbízí mnoho možností, co bude právě tou „hybnou“ silou, která zajistí bezproblémový provoz jejich vozu. Často se tak setkává s pojmy, jako jsou alternativní pohony, hybridy, elektromobily nebo palivové články. Pravda je, že všechny tyto technologie existují a rozhodně nejsou pouze jakýmisi naivními koncepty. Investice do vývoje moderních pohonů mnohdy přesahují investice do klasických spalovacích konstrukcí. To se bohužel odráží i v ceně za finální výrobek – vozidlo. Finanční otázka je parametr, který jednoznačně určuje poptávku. Dále si i výrobci vozidel kladou otázku, co s trvale udržitelnou mobilitou v následující dekádě.

 

<M> Spalovací motor je stále v kurzu

Spalovací motor je stále oblastí, která je všestranně zajímavá jak pro zákazníky, tak i pro výrobce. Pro zákazníky je to hlavně příznivá cena a infrastruktura dostupnosti paliv. Pro výrobce je to především stabilní prostředí s jasnou investicí. Nepřekonatelnou výhodou je ukrytá energie fosilního paliva, která doposud nebyla překonána ve vztahu k autonomii dojezdu vozidla a objemu palivové nádrže. Jen připomínáme, že motorová nafta skrývá energetickou hodnotu přes 42,5 MJ/kg a automobilový benzin kolem 43,5 MJ/kg. Pokud zauvažujeme a dáme příklad moderního vozu se vznětovým motorem o objemu nádrže okolo 60 l /cca 51 kg paliva, dojezd může být přes 1 100 km. Hmotnost paliva se snižuje s ujetou vzdáleností. Elektromobil je bezesporu těžkou váhou, protože jeho akumulátory ukrývají 16–22 KWh při hmotnosti od 240–300 kg s dojezdem zpravidla kolem 200 km (až na výjimky). Hmotnost „zásobníku“ paliva se v tomto případě za jízdy nemění. Kritika nepadá na výkon elektřiny, ale na „šikovnost“ aplikace. Ostatní alternativní pohony jsou na tom podobně.

 

<M> Zpřísnění předpisů pro spalovací motory

Rok 2018 přináší do automobilového světa nové povinnosti v oblasti emisí spalovacích motorů. Nejpozději od 1. 9. 2018 musí všechny osobní vozy uvedené na trh plnit emisní normu Euro 6.2 (někdy uváděnou jako Euro 6. C). Jak je zvykem, lehké užitkové vozy mají povinnost plnit Euro 6.2 s ročním odkladem, tedy od září 2019. Co to znamená v praxi? Pojďme si nejprve připomenout současnou platnou normu a její limity škodlivin (tabulka 1, tabulka 2). Následně si vysvětlíme klíčové změny.

 

 

Rok/norma CO NOX HC
[g/km] [g/km] [g/km]
2014 6.1 1 0,06 0,1

Tabulka 1: Limity pro zážehové motory v emisní normě Euro 6.1.

 

Rok/norma CO NOX HC + NOX   Počet částic
[g/km] [g/km] [g/km] [g/km]
2014 6.1 0,5 0,08 0,17 0,005

Tabulka 2: Limity pro vznětové motory v emisní normě Euro 6.1.

 

Druhý stupeň normy Euro 6.2 v zásadě neupravuje limity škodlivin exhalací, pouze trvá na dodržení těchto limitů v reálném provozu vozidla, resp. požaduje co nejvíce se jim přiblížit. Doposud výrobci deklarovali své emise homologačním jízdním cyklem MVEG-b NEDC (New European Driving Cycle). Tento jízdní homologační test se praktikoval již od normy Euro 3 (2000) až doposud. Teprve až po aférách s podváděním v oblasti emisí se legislativně nastavují nová pravidla v rámci homologací nastupujících vozidel. Od tohoto září je zákonná povinnost výrobce uvádět na trh vozidla, která budou plnit emise tak, aby byly v souladu s novým homologačním cyklem WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure). Tento model jízdního cyklu se více přibližuje podobě reálného provozu (typ akcelerací, teploty komponent, celková délka testu atd.). Předpokládá se, že od roku 2019 se bude představovat test WLTP + měření CO2 a na základě homologačních výsledků se stanoví fiskální zatížení na vozidlo. Některé automobilky se rozhodly test WLTP potvrdit i „mimo laboratorní“ zkouškou RDE (Real Driving Emision). Tato zkouška spočívá v instalaci mobilního zařízení, které měří emise škodlivin v reálném provozu (obr. 1). Dalším trendem je zavedení jednoznačných limitů pevných částic pro zážehové motory, a to jak v hmotnostním vyjádření, tak i množství ve vzorku PPM.

 

<M1> Diagnostika trakčního řetězce

Výrobce vozidla je povinen zajistit správnou funkci pohonu tak, aby v případě poruchy upozornila uživatele. Jestliže nastane porucha emisního systému (zejména v oblasti regulace vzniku NOx), uživatel je vyzván k nápravě s patřičným kreditem kilometrů, který se odečítá. Pokud nerespektuje výzvu, vozidlo se po odpočtu kreditu kilometrů zablokuje pro následující start.

 

Nový emisní předpis celkově zpřísňuje pravidla EOBD (On-Board Diagnostic), kdy rozsvícení kontrolky         MIL (Malfunction Indicator Lamp) je daleko citlivější.

Dalším aspektem správné funkce pohonu je i jeho údržba. I když je stanoven pevný interval výměny motorového oleje, vozidlo si může vyžádat předčasnou údržbu. Rozhodování o předčasné údržbě závisí na matematickém modelu opotřebení oleje v závislosti na jízdních podmínkách vozidla.

 

<M> Technologie a spalovací motor současnosti

S přechodem na emisní normu Euro 6.1 a Euro 6.2 se obecně uvolnilo velké množství technologií, které zasahují do oblasti „železa“ motoru, přípravy směsi, a hlavně do úpravy emisí. Tyto technologie zároveň vyžadují nové použití technických kapalin a maziv.

 

<M1> Oblast „železa“ motoru 

Hlavní změny a požadavky na úrovni vlastního motoru jsou:

  1. Snížit tření pohybových komponent. Díky novým materiálům především na bázi uhlíkových vrstev se daří významně snížit tření, které se projeví až 10% úsporou paliva oproti konvenčním technologiím. Jako kluzné povrchy se používají technologie DLC (Diamond-Like Carbon – diamantu podobný uhlíkový povlak, obr. 2) a PTFE (teflonový povlak, obr. 3).

 

  1. Snížit hmotnost pohonné jednotky. Jednou z neustálých tendencí je snížení hmotnosti vozidla, přičemž vlastní motor tvoří významný podíl. Současné motory při zachování stejného zdvihového objemu snížily svou hmotnost až o 40 % oproti těm z 80. let. Významnou roli zde hrají slitiny hliníku a technologie vlévání ocelových prvků do nich. Dále jsou to odlehčené duté hřídele (např. trubka s lisovanými vačkami), které jsou čím dál více používány. Velký podíl snížení hmotnosti tvoří tříválcová technologie.

 

  1. Moderní úpravy chlazení motoru. Oddělení hlavy motoru a bloku válců optimalizuje pracovní teplotu motoru (vyšší než 100 °C) a tím se podílí na snížení spotřeby paliva. Řízení teploty příznivě pomáhá k výsledkům snížení emisí CO2, ale i zde je riziko, které se musí konstrukčně řešit. U zážehových motorů vyšší teploty v oblasti horní části způsobují rizika superklepání = ztráty výkonu a rizika zničení pístů (detonační hoření paliva vzníceného kompresí, nikoliv svíčkou, obr. 4). Odpařovaný olej může tvořit úsady (obr. 5) polymerové povahy, a to v oblasti sacích prostor.

 

<M1> Oblast přípravy směsi

Oblast vstřikování paliva a sání vzduchu je nedílnou součástí jakýchkoliv optimalizací a modernizací. Dynamický vývoj elektroniky (obr. 6) umožňuje okamžité sledování hodnot ze snímačů a díky rychlému vzorkování a vyhodnocení dokáže ještě přesněji reagovat prostřednictvím akčních členů na samotnou přípravu směsi. Akční členy, snímače a obecně vstřikování paliv je tvořeno z moderních materiálů a nejnovější dostupnou technologií.

 

Nelze si nevšimnout podobnosti v oblasti přípravy směsi pro zážehové a vznětové motory. Vstřikovací soustavy zážehových motorů se hodně podobají těm vznětovým. Také dlouhodobě těží ze zkušeností provozu dieselů. Pokud některá z technologických společností představí management motoru v základu HW stejný jak pro zážehové, tak i pro vznětové motory, je to veliká revoluce, která stojí za povšimnutí odborné veřejnosti.

 

<M1> Emisní systémy

Emisní systémy a současné aplikace jsou primární otázkou spalovacích motorů. I když postupně vnímáme ústup vznětových motorů, jejich emisní systémy se stále inovují a s přechodem na Euro 6.2 se neustále objevují novinky. Pro zážehové motory platí, že nové normy si stále více všímají přímých vstřikování, která oproti těm nepřeplňovaným a nepřímým verzím tvoří velké množství pevných částic. Byť se zdá problematika emisí podobná jak u dieselu, tak i u benzinu, stále musíme obě aplikace oddělovat a řešit je zvlášť.

 

<M2> Vznětové motory

 

Architektura tohoto sytému je tvořena z oxidačního katalyzátoru, SCR katalyzátoru a filtru DPF (obr. 7). Zajímavé je, že spolu s přechodem na Euro 6.2 došlo k navýšení spotřeby AdBlue u osobních vozidel na 3–4 l/1 000 km z původních 0,75 l/1 000 km. Katalytická redukce je velmi účinná metoda pro snížení NOx ve výfuku. Dá se říci, že účinnost redukce NOx tímto systémem je vyšší než 95 %. Nevýhodou je jistě cena tohoto systému, která se pomalu rovná nákladu na celý motor. Dále zde zůstává otázka, kolik zaplatí zákazník v případě poruch nebo opotřebení jednotlivých součástí. Výhodou zůstává příjemný výkon, spotřeba, relativně bezporuchový provoz a čistota motoru.

 

To je i důvod, proč určití výrobci zkouší dosáhnout normy Euro 6.2 jinou cestou –cestou vylepšeného dvoustupňového EGR, katalyzátoru+ syceného DPF, lepšího řízení teploty výfukových plynů, VGT turba a matematických modelů vzniku NOx v motoru. Tento způsob dosažení emisí je samozřejmě levnější, ale také s větším impaktem třeba právě na čistotu motoru a degradaci oleje. Zbytkové teplo motoru je malé a jen těžce se využije třeba pro topení interiéru vozu. Diskutabilní je i spotřeba paliva oproti SRC redukci.

 

<M2> Zážehové motory (GDI – přímé vstřikování benzinu)

V zážehových motorech nastává relativní panika ohledně tvorby pevných částic ze spalování. První fáze Euro 6 řešila tuto problematiku pomocí vyspělejší technologie vstřikování, resp. zvýšením tlaku někde okolo 200 barů. Vyšší tlak benzinu zlepšil homogenizaci směsi ve válci, čímž se vylepšil parametr počtu částic (obr. 8). Současné požadavky není možné u všech přímých aplikací zajistit, proto se u vyšších výkonů aplikuje filtr pevných částic, podobně jako u vznětových motorů. Název nese GPF (Gasoline Particle Filter, obr. 9).

 

Pro aplikace, které používají většinou nepřímé vstřikování a vrstvenou směs, je otázkou kontrola NOx. V atmosférických verzích není zásadní rozdíl v konstrukci mezi normou Euro 6.1 a Euro 6.2. Jde spíš o určité zrychlení kontroly managementem motoru a vyhodnocením poruchových stavů.

 

<M> Provozní kapaliny

S nastupující normou Euro 6.2 a s požadavky pro osobní vozy dochází i k potřebám nových provozních kapalin, nebo alespoň k vyšší frekvenci doplňování.

 

<M1> Palivo

Pokud začneme mluvit o provozní kapalině vozidla, je jako první na řadě palivo. Kromě určitých aplikací (vysoké výkony zážehových motorů) není na paliva jiný požadavek, než byl doposud. Je pravda, že se neustále diskutuje zavedení požadavků na schopnost paliv „čistit a udržet v čistotě“. Nicméně jedna z významných změn ohledně této provozní náplně přece jenom je. Je to snížení objemů nádrží, a to z důvodu hmotnosti vozidla, u dieselů je to pak z pragmatických důvodů ponechání místa pro nádrže s AdBlue. Právě AdBlue (obr. 10) je druhou diskutovatelnou kapalinou, která je stále více nezbytná v dieselech. Za povšimnutí stojí zvýšení spotřeby této provozní kapaliny. Naopak s normou Euro 6.2 mizí aplikace aditivování paliv činidly určené pro funkci DPF/FAP (EOLYS POWERFLEX, INFINEUM F7995). Tyto aplikace se již nebudou používat.

 

Někteří výrobci vozidel představují nové typy chladicích kapalin, které zajistí optimální změnu tepla při vysokých výkonech a posunutých teplotách, přičemž se klade nárok na zmenšení objemu náplně. Ke zmenšení objemů dochází i na úrovni náplní ostřikovačů, což zákazníci vnímají velmi negativně. Brzdové kapaliny zůstávají bez požadavku na výrazné změny formulací.

 

<M1> Motorové oleje

Jako předposlední jsme si nechali prostor pro oleje, jejichž úloha je jasná. Nalézt takovou formulaci, která optimálně plní požadavky spojené s mazáním, chlazením, přičemž je „friendly“ k emisním systémům, ušetří palivo, zbytečně se neodpařuje a nespaluje – a ano, prosím, ať je olej viskozitně stálý. Toto je ideální balíček vlastností motorového oleje, který by si přál každý konstruktér. Současná maziva a jejich formulace tyto úkoly víceméně primárně plní (obr. 11). Bohužel zjišťujeme, že tyto parametry se mění v souladu s opotřebením motoru nebo jenom v souvislosti s jízdním profilem. Neustále hledáme souvislosti s nadměrnou spotřebou oleje, ať je to jízdní profil, opotřebení, nebo teoretické nasazení „nevhodného maziva“ v daném provozu. Některá geografická pásma vyloženě dokázala nevhodnost „multigrádových“ olejů, byť v rámci konstrukčních testů byla konformní a plně vyhovovala. Po nasazení „monográdu“ se eliminovala spotřeba oleje, tím i tvorba úsad. Celkový stav ovality válců se vylepšil, a jak se zdá, na dlouhodobou spotřebu paliva neměla záměna oleje víceméně vliv. S moderními aplikacemi maziv též přibývá efektu ředění paliva. U vznětových motorů se tento jev přisuzuje častým regeneracím DPF nebo krátkým vzdálenostem. U zážehových motorů se setkáváme s ředěním zejména v zimním období a u vozů s krátkými popojížďkami – motor nedosáhne provozní teploty (jízdní profil: 3 km do školky, 3 km ze školky, 2× denně). Doposud není přesně definována příčina těchto jevů.

 

<M1> Převodové a hydraulické oleje

Závěrečnou významnou skupinou náplní jsou převodové oleje a oleje pro hydraulické systémy řízení. U převodových olejů docházíme k podobným požadavkům jako u těch motorových. Již neplatí, že vozidlo s automatickou převodovkou je neúsporné, právě naopak. Samočinné převodovky jsou patrně budoucností. Díky své elektronice dokážou řadit lépe (efektivněji) než řidič v manuální aplikaci, což napomáhá efektivnímu šetření paliva a tím i snížení CO2.  Proto se věnuje velká pozornost ATF olejům pro moderní mnohostupňové automaty. Pokud jde o manuální převody, i zde se používají oleje, které nastoupily již s normou Euro 6.1., např. olej GEAR 9 FE 75W – TOTAL (obr. 12).

 

Náplně pro posilovače řízení se výrazně nemění. I tady však stojí za povšimnutí rapidní úbytek elektro/hydroposilovačů. Je to z důvodu masivního nahrazení plně elektrickou konstrukcí. Výhodou je menší spotřeba elektrické energie (neběží trvale žádný motorek čerpadla) a full elektroposilovač navíc umožňuje nové funkce: autonomní řízení, vracení do pruhu v případě únavy, automatické zaparkování do řady.

 

<M> Závěr

Pohonné jednotky jsou jednoznačně kontroverzní otázkou současnosti. Nové směry vývoje spalovacích motorů nejsou zcela jasné, ale jistě budou podmíněny dalšími legislativními předpisy, které musí výrobci respektovat. Již dnes je patrné, že tento trend spíše povede k opuštění myšlenky „auto jako spotřební zboží“. Pravděpodobně dojde ke zdražení vozů a postupně se bude vytrácet pravidlo „auto pro každého“. To, co může být nebezpečné, je aspekt ztráty trvale udržitelné mobility a potom neméně rizikový obchod s dovozovými vraky z EU.

 

<popisky obr.:>

Obr. 1: Zkouška RDE (Real Driving Emision) – mobilní zařízení na vozidle, které měří emise škodlivin v reálném provozu.

 

Obr. 2a + Obr 2b: Princip technologie DLC a píst potažený vrstvou DLC.

 

Obr 3: Gufero bez pružiny a s povlakem PTFE.

 

Obr. 4: Poškozený píst superklepáním.

 

Obr. 5: Úsady v sání.

 

Obr. 6: Řídicí jednotka Bosch MD1CS/EDC17C – ukázka „univerzálního“ managementu motoru, který plní nejnovější emisní normy.

 

Obr. 7: Během několika let dojde k nárůstu již tak vysoké penetrace vozidel s katalytickou redukcí NOx pomocí katalyzátoru DeNOx a AdBlue.

 

Obr. 8: Zážehový přeplňovaný motor PSA EB2DTS s proměnlivým časováním plnící normu Euro 6.

 

Obr. 9: Funkce filtru pevných částic pro zážehové motory – GPF (Gasoline Particle Filter).

 

Obr 10: Stále důležitější kapalina pro vznětové motory – AdBlue.

 

Obr 11: Olej snižující opotřebení a tvorbu sazí (podle oficiálních testů PSA).

 

Obr 12: Olej pro manuální převodovky, který nastoupily již s normou Euro 6.1.

 

Obr 13: Jedna z možných dalších cest budoucnosti – vozidla s „ekologickýcmi“ pohony.