w pojazdach samochodowych

Dwutlenek węgla (CO2) jest gazem bezbarwnym, nietoksycznym, bez zapachu, niepalnym, cięższym 1,5 raza od powietrza. W małych stężeniach nie jest gazem szkodliwym dla ludzi. Normalne stężenie CO2 w powietrzu wynosi 0,03 (%) objętościowo – i nie powinno być większe dla normalnego funkcjonowania organizmu człowieka. Nadmierny wzrost zawartości tego gazu w atmosferze powoduje groźne zjawisko klimatycznego ocieplenia (tzw. efekt cieplarniany), także wówczas jest groźny dla życia ludzkiego.

W pojazdach samochodowych CO2 powstaje jako produkt spalania węgla (C) w komorze spalania silnika. Im wyższa procentowo zawartość CO2 w spalinach, tym efektywniej pracuje silnik. Największe wartości stężenia osiąga CO2 przy współczynniku nadmiaru powietrza l=1, a więc dla mieszanki stechiometrycznej. W pojazdach posiadających katalizator, CO2 utlenia pozostałe po procesie spalania tlenki węgla (CO) i węglowodory (HC). Powstaje zatem dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). Zakłada się, że najwłaściwsza zawartość dwutlenku węgla w spalinach dla pojazdów z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda to 14,5-16 (% vol).



Rys. 1. Schemat pojazdu hybrydowego z silnikiem wysokoprężnym i elektrycznym: 1 – silnik wysokoprężny, 2 – przetwornica, 3 – system start-stop, 4 – silnik elektryczny, 5 – akumulatory.

Komisja Europejska narzuca normę emisji CO2 producentom aut, lecz efektem tego będą na pewno większe koszty produkcji pojazdów. Średnia emisja CO2 w nowo produkowanych samochodach w latach 2012-2015 ma wynosić do 120 (g/km) - obecny poziom to 156 (g/km). Już w 2020 roku średnia emisja CO2 ma wynosić zaledwie 90 (g/km). Emisja CO2 jest proporcjonalna do zużycia paliwa, tj. osiągnięcie produkcji CO2 na poziomie 120 g/km oznacza w przypadku samochodów benzynowych średnie spalanie na poziomie 5,2 l/100 km, a w silnikach z zapłonem samoczynnym 4,5 l/100 km. Najgorzej przedstawia się sytuacja produkcji aut luksusowych wyposażonych w silniki o dużej pojemności, np.
- Lamborghini Murcielago – 495 (g/km),
- Porsche 911 (moc 325 kM) – 260 (g/km),
- BMW 540i (silnik o poj. 4 l ) – 250 (g/km).

Pojazdy, które emitują najmniej CO2 do atmosfery to:
- Toyota IQ (silnik z zapłonem iskrowym) – 99 (g/km),
- Smart Fortwo (silnik z zapłonem samoczynnym) – 88 (g/km),
- Fiat Panda (sprężony gaz ziemny CNG) – 113 (g/km),
- Toyota Prius (napęd hybrydowy) – 104 (g/km).

Nadmienić należy, że samochody osobowe i ciężarowe w całej Unii Europejskiej wydalają zaledwie 20% emisji CO2.
Głównymi (największymi) trucicielami zanieczyszczającymi atmosferę i produkującymi najwięcej CO2 są:
- przemysł paliwowo-energetyczny (ponad 50%);
- przemysł metalurgiczny (ok. 20%) – huty, kopalnie, cementownie;
- przemysł rolno-spożywczy;
- lotnictwo;
- składowanie, utylizacja odpadów i ścieków;
- gospodarstwa domowe – emitujące do atmosfery gazy powstałe w wyniku spalania węgla;
- erupcja wulkanów;
- wypalanie lasów tropikalnych itp.

Ilość CO2 emitowanego do atmosfery rośnie w bardzo dużym tempie, powodując gwałtowne zmiany klimatu. Działanie CO2 na atmosferę wywołuje efekt cieplarniany. Efekt cieplarniany natomiast powoduje anomalie pogodowe, np. susze, upały, gwałtowne burze, pożary itp.
Aby temu wszystkiemu przeciwdziałać, Komisja Europejska ustala rygorystyczne przepisy obniżenia CO2 w produkowanych samochodach.
Coraz bardziej surowe normy emisji dwutlenku węgla (CO2) powodują wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań technicznych jednostek napędowych oraz nowych (alternatywnych) źródeł napędu, np.
- napęd hybrydowy – najczęściej jest połączeniem napędu spalinowego i elektrycznego. Silnik elektryczny może wspomagać spalinowy przy niewielkich prędkościach jazdy lub stanowić jedyne źródło dostarczające moc do kół pojazdu. W praktyce występuje:
- hybryda szeregowa, w której silnik spalinowy służy wyłącznie do wytwarzania prądu. Koła pojazdu są napędzane silnikami elektrycznymi.
- hybryda równoległa – tutaj zarówno silnik elektryczny, jak i spalinowy mają możliwość przekazania napędu na koła.
- ogniwo paliwowe (wodorowe) – urządzenie wytwarzające energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Spalanie wodoru nie powoduje wydzielania szkodliwych spalin – ich jedynym składnikiem jest para wodna. Problemem, który hamuje rozwój zastosowania wodoru jako paliwa, jest jego magazynowanie w bardzo wysokich ciśnieniach (350 barów i więcej) oraz niska gęstość energii.
- akumulator litowo-jonowy – silniki elektryczne w pojazdach samochodowych to największa przyszłość motoryzacji. Jako źródło napędu dysponują ogromnym momentem rozruchowym, dając dobre przyśpieszenie pojazdu.

W konstrukcji akumulatora litowo-jonowego wykorzystano dwie elektrody, między którymi znajduje się substancja przewodząca prąd elektryczny, zawierająca sole litowe. Np. w Chevrolecie Volt energia jest zmagazynowana w ponad 220 ogniwach litowo-jonowych, co daje zasięg 60 km bez jakiejkolwiek substancji trującej z rury wydechowej. W tej konstrukcji silnik spalinowy służy wyłącznie do wytwarzania prądu. Koła natomiast są napędzane silnikami elektrycznymi. Także Tesla Roadster posiada 6831 ogniw litowo-jonowych. Czas ładowania 3,5 h. Zasięg 400 km, żywotność baterii 160 tys. km.



Rys. 2. Schemat pojazdu zasilanego wodorem (ogniwa paliwowe):1 – zbiornik ciśnieniowy zawierający wodór w postaci ciekłej lub gazowej, 2 – segment ogniw paliwowych – wytwarza prąd elektryczny w wyniku reakcji wodoru z tlenem, 3 – przetwornica energii – zamienia energię elektryczną z ogniwa paliwowego w energię mechaniczną.

- Gaz ziemny w formie sprężonej (CNG) – instalacja gazu ziemnego CNG w pojeździe samochodowym jest zupełnie podobna do LPG – różnica polega na zainstalowaniu zbiorników paliwa o ciśnieniu 10-krotnie większym, tj. 220 barów . Zbiorniki do tej instalacji są ciężkie (stalowe) oraz drogie kompozytowe. Gaz ziemny jest paliwem tanim i o wiele mniej toksycznym od benzyny. Po przejechaniu dystansu 100 km oszczędzamy ok. 20 złotych w stosunku do benzyny.

Problemem rozpowszechnienia tego paliwa w Polsce są:
- dość droga instalacja w tym pojeździe,
- słabo rozwinięta infrastruktura rozprowadzania tego paliwa (w Polsce jest tylko 31 stacji CNG, a np. w Niemczech 800),
- słabe zainteresowanie rządu o słuszności dalszego stosowania tego paliwa.

Sposoby zmniejszania emisji CO2
Wiemy już, że emisja CO2 jest proporcjonalna do zużycia paliwa. Zatem każde rozwiązanie konstrukcyjne, eksploatacyjne pozwalające zmniejszyć zużycie paliwa przyczynia się do redukcji emisji CO2.
- Downsizing – to przeniesienie cech konstrukcyjnych dużego samochodu do małego. Inaczej stosowanie mniejszych silników turbodoładowanych dających dużą moc i generalnie obniżających emisję CO2. Typowym przykładem downsizingu jest Abarth 500 z turbodoładowaniem R4 (16V). Z pojemności 1683 cm³ daje moc 135 KM. Dla przykładu Mercedes E200 CDI daje taką samą moc (136 kM), lecz z ogromnej pojemności 2148 cm³.
- Bezpośredni wtrysk paliwa – aby zwiększyć efektywność procesu spalania zarówno w silnikach z zapłonem iskrowym, jak i samoczynnym zastosowano bezpośredni wtrysk paliwa. Ciśnienie paliwa podawane do komory w denku tłoka w silnikach ZI wynosi od 11-20 MPa, natomiast w silnikach ZS w systemie Common Rail od 135 do 200 MPa. Ponadto, wprowadzono precyzyjne wtryskiwacze elektromagnetyczne i najnowsze piezoelektryczne (dające czas otwarcia 0,00001 s), co pozwala podzielić wtrysk zasadniczy na 5 faz (cykli).

Ten wielokrotny wtrysk paliwa umożliwia dalsze zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin.
- Mniejsze opory tarcia – zmniejszono masę tłoka poprzez zmianę jego konstrukcji, tj. wycięto dwustronnie płaszcz tłoka oraz zastosowano pokrycie zewnętrzne teflonem. Zmniejszono wysokość pierścieni tłokowych zgarniających z 4-5 mm do 2 mm. Wprowadzono obróbkę cieplno-chemiczną, tj. fosforanowanie oraz napylenie gazowe azotkiem chromu w celu zmniejszenia tarcia bieżni pierścieni tłokowych. Zmniejszono napęd popychaczy hydraulicznych zamiast ślizgowych – stosuje się dźwigienki rolkowe. Ponadto, wałki rozrządu coraz częściej stosuje się drążone.
- Obniżenie masy pojazdu – duża masa pojazdu to duże zużycie paliwa. Obecnie koncerny samochodowe starają się obniżyć masę pojazdu (nadwozia), zachowując wymagany poziom bezpieczeństwa. Współczesne nadwozia są wykonane z lekkich wytrzymałych blach kształtowanych na gorąco. Ponadto, lekkie stopy aluminium stosuje się zarówno na nadwozia, części silników, zawieszenia hamulców itp. Także stopy magnezu – bardzo lekkie i wytrzymałe – wykorzystuje się na kierownicę, obudowę foteli, felgi itp. Tworzywa sztuczne, włókna węglowe używane są na błotnikach i zderzakach itp.
- Skrzynie biegów – najlepiej stosować skrzynie biegów o dużej liczbie przełożeń, np. 6-biegowe. Tę rolę spełniają obecnie produkowane ‘’automaty’’ i przekładnie bezstopniowe, w których przełożenie zmienia się płynnie w zależności od obrotów silnika. W dwusprzęgłowej automatycznej skrzyni (DSG) jedno sprzęgło współpracuje z zespołem kół zębatych biegów parzystych, a drugie nieparzystych i wstecznego. Gdy włączony jest bieg 1, wtedy 2 wstępnie już wybrany pozostaje w gotowości. Przełączenia pomiędzy nimi dokonuje elektroniczny sterownik.
W wymienionych skrzyniach biegu zużycie paliwa jest nieco niższe niż w pojazdach wyposażonych w klasyczną, sterowaną ręcznie skrzynię mechaniczną.
- System wyłączający silnik pracujący na biegu jałowym tzw. stop – and – go (Stop-Start) – system ten gasi silnik, gdy pojazd zatrzyma się, np. przed światłami, i włącza go ponownie, gdy kierowca chce jechać dalej. W systemie tym za uruchomienie silnik odpowiada wzmocniony rozrusznik. System ten pozwala zmniejszyć w ruchu miejskim ok. 6% zużycie paliwa.



Rys. 3. Tesla Roadster – silnik elektryczny 3-fazowy 375 Volt. Akumulatory – 6831 baterii litowo-jonowych. Żywotność akumulatorów określa się na pięć lat lub 160 tys. km przebiegu.

Inne elementy konstrukcyjne wpływające na zmniejszenie zużycia paliwa:
- układy rozrządu ze zmiennymi fazami rozrządu;
- stosowanie olejów energooszczędnych;
- poprawa właściwości aerodynamicznych pojazdu;
- automatyczna kontrola ciśnienia w oponach;
- optymalizacja klimatyzacji;
- napędy elektryczne, np. pompy wodnej.

Normy toksyczności spalin
Dopuszczalna zawartość szkodliwych składników spalin – samochody użytkowe do 3,5 tony [g/km].
Silniki (ZI) - wskazania na analizatorze spalin od 07.1995 r. (pojazdy z katalizatorem)
- wolne obroty biegu jałowego
- CO – do 0,5 (%)
- HC – do 100 (ppm)
- obroty 2000-3000 (obr./min)
- CO – do 0,3(%)
- HC – do 100(ppm)
- l – 0,97-1,03 (współczynnik nadmiaru powietrza lambda )
- l – f (CO, CO2, HC, O2)

Dla pojazdów rejestrowanych po raz pierwszy od 1.5.2004 r.
CO – do 0,3 (%) na wolnych obrotach biegu jałowego i do 0,2 (%) na obrotach 2000-3000. HC – nie są wymagane
l → l = 0,97 – 1,03 na obrotach 2000-3000

Silniki ZS – zadymienie spalin – przyrząd dymomierz
- silniki wolno ssące (bez doładowania) do 2,5 (m-¹)
- silniki doładowane i turbodoładowane do 3,0 (m-¹)
Zadymienia dla pojazdów wyprodukowanych po 30.06.2008 r. nie mogą przekroczyć 1,5 (m-¹).
Analizując normy toksyczności spalin, można zauważyć, że CO2 występuje jako składnik współczynnika nadmiaru powietrza l, tj. l = f (CO, CO2, HC, O2), który sprowadzamy na 4-składnikowym analizatorze spalin na podwyższonych obrotach (2000-3000).



Rys. 4. Spalinowo elektryczny Chevrolet Volt: 1 – silnik elektryczny, 2 – silnik spalinowy Ecotec (1-litrowy), 3 – rama przestrzenna, 4 – pakiet akumulatorów litowo-jonowych, 5 – zbiorniki paliwa.

Np. Volkswagen Polo 1,4 (ZI) katalizator
- C0 – 0,14(%)
- HC – 22 (ppm)
- 02 – 0,00 (%)
- CO2 – 15,20 (%)
- l – 0,99

Powyższe wyniki świadczą o prawidłowym działaniu dopalacza katalitycznego i sondy lambda. Ponadto, współczynnik nadmiaru powietrza l mieści się w wymaganym zakresie 0,97-1,03. Reasumując całość stwierdzam, że za 10-15 lat nastąpi dalszy rozwój (udoskonalenie) już jeżdżących jednostek napędowych na paliwo-wodorowe (ogniwa paliwowe) oraz pojazdów z napędem elektrycznym. To spowoduje, że z rury wydechowej nie będzie wydzielał się dwutlenek węgla.

Opracował:
mgr inż. Edward Rymaszewski