Trendy v poháněcích systémech (1. díl) – Quo vadis?

Od dob průkopníků spalovacího motoru a automobilu sice uplynula historicky velmi krátká doba, ale za pouhého půldruhého století se klasický automobil dostal na vrchol technických možností. 

Automobil zcela změnil obraz své doby a stal se jejím fenoménem. Na jedné straně v globálním měřítku dramaticky změnil možnosti dopravy osob a nákladů a na straně druhé rovněž dramaticky vyčerpává zásoby fosilních paliv a zhoršuje životní prostředí svými exhalacemi škodlivin a hluku. Otázkou je, co bude dále. Jak hluboce se mohou mýlit i seriózní odhady vývoje je patrno z vizí dopravy roku 2000 z pozice 60. let. Nevznikly žádné superdálnice ani dálniční obří trajekty, převážející po dálkových trasách individuální dopravní prostředky, ale obrovsky narostl počet vozidel v provozu. Příkladem je světová produkce velkých nákladních automobilů v roce 2017. Zdá se však, že současný pohled na budoucnost dopravy je reálný. Jde vlastně o dvě cesty, jednou je vývoj pohonu automobilu a druhou použitelná a dostupná paliva.

Celkovou účinnost pístového spalovacího motoru lze zlepšovat z dnešních přibližně 45 % už jen velmi málo a nikdy nemůže dosáhnout účinnosti dalšího známého pohonu, tedy elektromotoru. Jeho účinnost je a bude vždy nižší než účinnost tepelného stroje pracujícího s ideálním, ale prakticky nemožným oběhem mezi nízkou a vysokou teplotou (Carnotův cyklus). Teoreticky v reálných podmínkách by mohla být asi 65 %. Charakteristika pístového spalovacího motoru je pro pohon vozidel nevhodná a vyžaduje přídavná technická zařízení, tj. spojku, převodovku a rozvodovku. Na stranu druhou výroba pístového motoru je relativně levná, protože vrtání otvoru (válec) a soustružení pístu jsou jednoduché základní technické postupy obrábění materiálů. Nízká účinnost spalovacího motoru však přináší i významnou výhodu oproti elektromotoru. Z energie přivedené do motoru v palivu se na mechanickou práci využije 1/3 až 2/5 a zbytek je odpadní teplo odvedené mazáním, chlazením a výfukem, které se dá využít k vytápění kabiny či dokonce nákladu. 

První spalovací motor Francouze Lenoira byl stacionární dvoudobý na plynné palivo – ostatně vznikl z parního stroje. Teprve vynález karburátoru a použití benzínu, paliva kapalného s nejvyšší objemovou koncentrací energie, z něho udělal motor vhodný k pohonu automobilu. To bylo v době, kdy lidé již uměli destilovat ropu jako směs uhlovodíků na její frakce. Zajímal je však jen petrolej na svícení a olej na mazání a benzín byl téměř nepotřebný odpad. Dnes je ropa strategickou surovinou a její frakce jsou nezbytné k pohonu dopravních prostředků všeho druhu (benzín pro zážehové motory osobních automobilů, petrolej pro tryskové motory letadel, nafta pro vznětové motory nákladních automobilů a pracovních strojů, mazut pro vznětové motory velkých lodí apod). Ropná paliva však lidstvu přinesla další problém v podobě exhalací plynných, kapalných i pevných částic. Základním uhlovodíkem je metan (CH₄). Nositelem energie jsou ale jen atomy vodíku H a uhlík C se tak váže s atomy prvků ze vzduchu potřebného ke spalování. Spalováním mohou vznikat sloučeniny jako oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku NO_x, nespálené uhlovodíky CH či dokonce čistý uhlík C (saze, částice). V případě ideálního spalování uhlovodíkového paliva je zbytkem oxid uhličitý CO₂. Ostatně toho si vyprodukuje nejvíce příroda sama a my si ho nemůžeme vynachválit v podobě bublinek v pivu, sektu či obyčejné sodovce. Je evidentní, že chce-li lidstvo snížit obecně emise CO₂ z dopravy, musí snížit spotřebu uhlovodíkových paliv v motoru, nebo přejít na paliva s velmi nízkým obsahem uhlíku, nejlépe paliva bez­uhlíková, tj. vodík. Prioritou při zavádění alternativních paliv jako náhrady za paliva ropná bylo zpomalení čerpání globálních zásob ropy, potřebné i jako suroviny pro chemický průmysl a palivo pro vytápění technologických zařízení a budov. Málokdo dnes ví, že od poloviny dvacátých let do poloviny let padesátých se i u nás do benzínu povinně přidával benzen C₆H₆ (benzol) a etanol, resp. etylalkohol (líh, špiritus) C₂H₅OH, a to v různých poměrech. Hovořilo se o „dvojsměsi“, případně „trojsměsi“ BiBoLi (benzin-benzol-líh). Tehdy se to dělo z důvodu nadúrody brambor, nedostatku ropy z Rumunska a nepřipravenosti rafinerií. V zemích EU je dnes povinný podíl lihu v benzínu až 10 %. S pronikáním vznětových motorů i do osobních automobilů a rozvojem silniční nákladní dopravy se problém omezených zdrojů ropy projevil i v této oblasti. Tím nejsnadnějším řešením bylo využití procesu esterifikace rostlinných olejů k výrobě kapalného paliva  s vlastnostmi velmi podobnými naftě. U nás je to známý metylester řepkového oleje – MEŘO. Jde o biopalivo první generace získávané ze zemědělské produkce potravinářských surovin. Velkou výhodou těchto alternativ k benzínu či naftě je jejich použitelnost u stávajících motorů, a to jen s drobnými úpravami. Další možností je použití plynných paliv fosilních (zemní plyn) nebo z obnovitelných zdrojů (bioplyn), v obou případech jde o metan CH₄. Tato paliva jsou vhodná pro motory zážehové, které lze dokonce upravit pro provoz na dvojí palivo (benzín nebo plyn). Zajímavou a technicky zvládnutou možností je použití plynného paliva u motoru vznětového, kdy zážeh není jiskrou od zapalovací svíčky, ale vstřiknutím malé, tzv. zapalovací dávky nafty. V současné době nastupují biopaliva druhé generace, získávaná z biomasy, tedy odpadu. Známým procesem BTL (Biomass to Liquid) je Fischer-­Tropschova technologie (Coskata) výroby etanolu. 

V příštím pokračování se budeme věnovat dalším, zejména elektrifikovaným poháněcím ústrojím dneška a budoucnosti.

Převzato z časopisu

Fotogalerie