Ropy ubývá, což není nic nového pod sluncem. Spíš jde o to, jestli nám to v pozici motoristů bude připomínat jenom průběžně stoupající cena nafty a benzínu u čerpadel, nebo se můžeme spolehnout na to, že vývojáři přijdou s nějakým převratným řešením, které závislost na ropě zmírní a posléze vůbec odstraní.
Zdá se, že už delší dobu jsou jistá východiska z této situace nalezena, ovšem nepůjde to všechno jako po másle. Přestože se nám může zdát, že dnešní pohonná klasika ve formě spalovacího motoru by už měla odejít do důchodu, buďme rádi, že ji máme.
Žádná ekvivalentní náhrada není v současné době k dispozici, ale stále existují možnosti jak vlastnosti starého dobrého spalovacího motoru dál vylepšit. Co bychom tedy od něj požadovali? Určitě nízkou spotřebu, provoz bez škodlivých zplodin a protože už jsme si navykli, že disponuje značným výkonem, tak tady bychom ustupovat neměli. Těžko také nejspíš budeme snášet jeho hlučnost včetně nekultivovaného chodu.
Jak vyzrát na naftu?
Když se ohlédneme zhruba tak patnáct let zpátky, kraloval tehdy u osobních vozů motor benzínový, který byl sice nenasytným žroutem, ale spotřeba nás tehdy zase až tolik netrápila. Pořád lepší nežli poslouchat hlomození naftového motoru a trpět, když se mu z výfuku vyvalí mračna sazí doprovázených nevábným zápachem. Ani jeho výkon za moc nestál, takže se před svým úspěšnějším benzínovým konkurentem mohl naparovat jenom vysokým točivým momentem v nízkých otáčkách a zhruba o 15% nižší spotřebou.
Buďme v tuto chvíli rádi, že se našli tak vizionářsky myslící výzkumníci, kteří si nedali pokoj, protože byli přesvědčeni, že se naftový motor může svých nectností zbavit. Lepší zacházení s palivem naftového motoru, nežli je tomu u motoru benzínového, který má nižší tepelnou účinnost, se dalo ještě podpořit přechodem ze vstřikování do předkomůrky na vstřik přímo do spalovacího prostoru.
Aby spalování vznícením veškeré směsi naráz nebylo tak hlučné, používalo se u naftových motorů osobních vozů vstřikování do předkomůrky, odkud se hoření přenášelo úzkým kanálkem do hlavního spalovacího prostoru. A právě toto „škrcení“ znamená energetickou ztrátu, jejíž odstranění dovede snížit spotřebu paliva o dalších asi 10%. Ovšem k tomuto zásahu bylo zapotřebí změnit celou technologii vstřikování nafty tak, aby se lépe rozprášila a tedy dokonaleji vyhořela a aby bylo možné několikanásobným vstřikem rozložit hoření do delší doby.
Benzín nebo nafta?
Zrodila se tak, dnes téměř výhradně používaná technika, známá pod označením common-rail (společné potrubí), u níž vysokotlakové čerpadlo dodává palivo do sběrného potrubí, kde je drženo pod vysokým tlakem a následně se dostává k elektronikou řízeným vstřikovačům. Jejich vypiplané víceotvorové trysky ovládají elektromagnety a nejnověji piezoelektrické jednotky, umožňující využívání pěti- až sedmistupňového vstřiku během pouhých několika milisekund.
Naftový motor, který použitím přeplňovacího turbodmychadla získal vyšší výkon, si tak mohl na své plusové konto připsat ještě podstatné snížení vždy tolik kritizované hlučnosti a hlavně si polepšil v množství škodlivin ve výfuku. Spaliny naftového motoru totiž obsahují oproti motoru benzínovému, již ze samotného principu hoření, méně oxidů uhlíku a uhlovodíků (CO a HC). Vzhledem k vysokým teplotám při spalování je v nich ovšem i relativně velké množství oxidů dusíku (NOx) a navíc ještě pevné částice, které populárnější benzínový motor prakticky nevytváří. Právě životní prostředí znečišťující částice jsou nejsilnějším argumentem odpůrců naftových motorů a tak proti nim bylo vyhlášeno masivní válečné tažení.
44krát tvrdší norma
Jestliže byl v první „nesmělé“ ekologické normě z roku 1989 pro osobní vozy s naftovými motory stanoven limit pevných částic na 1,1 g/km, současná platná norma EU4 už připouští maximálně jen 0,025 g/km, tedy čtyřiačtyřicetkrát méně, a zanedlouho by mohlo být ještě hůř (nebo lépe?).
Oxidy dusíku se nechají stlačit pod jejich limit 0,25 g/km oxidačním katalyzátorem ve výfuku, za vydatné „přátelské“ pomoci zpětného zavádění spalin do sání (recirkulace), kde pak snižují teplotu hoření.
U malých motorů se s pevnými částicemi stále ještě dovede vypořádat moderní řízení chodu motoru včetně vstřikování, motory s větším zdvihovým objemem už ale potřebují ve výfukovém potrubí filtr, který částice zachycuje. To ovšem znamená, že je ho zapotřebí čas od času „vyprášit“. Vypálení nečistot se děje krátkodobým zvýšením teploty spalin, což má na starosti změna režimu motoru. A aby se v těchto fázích nezvyšovala spotřeba paliva, napomáhá někdy k nárůstu teploty i speciální přídavná látka do paliva, aditivum.
Síra škodí katalyzátorům i lidem
Technická kouzla odborníků se vstřikem paliva budou určitě pokračovat i nadále, protože normy se bezesporu ještě zpřísní a je třeba se na ně náležitě připravit. Předně se bude muset zlepšit kvalita nafty a snížit v ní obsah nežádoucí síry, která, jak známo, katalyzátorům i lidem velmi škodí.
Blízká budoucnost by pak měla přinést taková filtrační zařízení, která se dokážou postarat o likvidaci všech škodlivin deroucích se výfukem… Tvořil by ho například katalyzátor typu SCR (Selective Catalytic Reduction – selektivní katalytická redukce), který pro rozložení oxidů dusíku pracuje se vstřikováním močoviny v kapalném stavu, a s ním propojený výkonný filtr pevných částic.
Bitva s oxidem uhličitým
V souvislosti se spalinami má naftový motor jednu velkou přednost, která se týká množství oxidu uhličitého (CO2) v nich obsažených. Oxid uhličitý sice není nikde definován jako primárně škodlivý a není tedy omezen žádnou normou, podílí se však na skleníkovém efektu Země, který zásadně ovlivňuje teplotu jejího povrchu.
Podíl CO2 ve výfukových plynech je v podstatě přímo úměrný spotřebě a ta je u moderního naftového motoru zhruba o čtvrtinu nižší nežli u porovnatelného motoru benzínového. To je zvláště dnes, kdy se u našich čerpacích stanic cena nafty téměř srovnala s cenou benzínu, dost podstatná informace pro mnohé rodinné rozpočty.
O redukci množství CO2 v ovzduší hovoří nejen Kjótský protokol (mezinárodní dohoda o snížení emisí skleníkových plynů do roku 2012), ale také chvályhodná iniciativa evropských automobilek, které se zavázaly do roku 2008 omezit podíl CO2 ve spalinách na průměrných 140 g/km (dnes podle typu motoru i o pětinu více). I když podle posledních informací je tento záměr ve skluzu, stále častěji se na trhu objevující moderní naftové motory s ještě příznivější spotřebou a jejich stoupající obliba u automobilistů by mohla tento stav výrazně změnit.
Je možné spalovat chudou směs?
Ale ani vývoj benzínového motoru nikterak neustrnul na vavřínech, spíš ho jen v poslední době převálcovalo razantní probuzení motoru naftového, který dlouhá léta viditelně podřimoval. I tady vede jeho zdokonalení přes náhradu klasického vstřiku paliva do sacího kanálu vstřikem přímo do spalovacího prostoru.
Benzín tady ochlazuje nasávaný vzduch, takže se zlepšuje plnění válců. Vysoký vstřikovací tlak (až třicetinásobek proti vstřiku do sání) pak vede k dokonalejšímu rozprášení směsi. A vnitřní chlazení při jejím odpařování umožňuje přejít na vyšší hodnoty stlačení, znamenající nárůst tepelné účinnosti. Také množství benzínu ve směsi je přesněji dávkováno, protože palivo nemůže za těchto podmínek v sacím potrubí kondenzovat.
Různými složitými zásahy do tvaru spalovacího prostoru a vhodným prouděním rozprášeného paliva je možné spalovat chudou směs, upravenou z běžného poměru benzín/vzduch 1:14,7, platícího pro takzvanou homogenní směs, až na neuvěřitelných 1:60. Aby takto ochuzená směs byla vůbec schopná zážehu, její část s největším podílem benzínu se musí dostat k zapalovací svíčce.
Aby zůstal jen dusík a vodní pára…
Spalováním chudé směsi pochopitelně klesá spotřeba (cca až o 10%) a klesá také podíl škodlivých plynných složek CO a HC ve spalinách. Zato se ale zvyšuje množství oxidů dusíku (NOx). Běžný tříkomponentní katalyzátor není schopen nárůst NOx zvládnout, protože jeho účinnost při odklonu od směšovacího poměru 1:14,7 prudce klesá.
Částečným řešením je zde opět zavádění spalin zpět do sání motoru, kdy až 40% spalin posouvá teplotu hoření do oblastí, kde NOx vznikají v omezeném množství. Přesto je třeba tento problém řešit speciálním katalyzátorem zásobníkového provedení. Ten během dílčího výkonu motoru, kdy se pracuje s chudou směsí, váže NOx prostřednictvím další látky (bývá to barium). Krátkodobým obohacením směsi pak s oxidy dusíku reagují její nespálené komponenty a zůstává neškodný dusík a vodní pára.
Kamenem úrazu ale je, že vysoce účinný zásobníkový katalyzátor (patentovaný automobilkou Toyota) je háklivý na podíl síry v benzínu, která ho ničí. Jeho větší rozšíření odborníci předpokládají až po celoplošném zavedení distribuce benzínu bez síry.
Pokud dnes některé osobní vozy motory s přímým vstřikem benzínu používají, většinou se spokojují se zásadními výhodami, které přímý vstřik přináší a o spalování výrazně chudé směsi se nepokoušejí. Navenek se tak projevují spíš růstem výkonu nežli nižší spotřebou.
Změní se vztah k naftě?
V příštích letech tlak na úsporu ropy ještě zesílí, ale jen těžko se dá směřování vývoje spalovacího motoru odhadnout. Odborníci se obávají toho, že připravovaná ekologická norma EU5 už nebude k naftovému motoru tak benevolentní a tak osud tohoto výrazně úsporného motoru záleží na výsledcích dalšího vývoje v ovlivňování hoření nafty a technologie čistění spalin ve výfuku.
Naftový motor je bohužel proti benzínovému výrobně dražší. Musí mít robustnější konstrukcí, která je schopna zvládnout větší tlaky na pracovní píst a jeho vstřikovací soustava, pracující výhledově s tlakem až 2000 barů, vyžaduje neuvěřitelnou přesnost ve výrobě. K motoru navíc přibylo turbodmychadlo s chladičem stlačeného vzduchu. V neposlední řadě je třeba investovat do odhlučnění celého agregátu a náročnějším uložením eliminovat jeho zvýšené vibrace.
Udává se, že náklady na výrobu naftového motoru vycházejí až na dvojnásobek motoru benzínového. V konečné ceně se to ale projevuje zpravidla pouze mírně, protože automobilky výrobu naftových motorů dotují.
Jak se celá záležitost v budoucnosti vyvine bude hodně záležet na tom, zda se v USA změní tradičně negativní vztah k motorové naftě, a to nejen u automobilistů ale také ze strany olejářských koncernů. Velké vozy se silnými benzínovými motory určitě nejsou v dnešní napjaté energetické situaci tím nejvhodnějším dopravním prostředkem. Možná, že zabere slib dodavatelů severoamerické nafty, že konečně zlepší její kvalitu (cetanové číslo, mazací schopnosti a obsah síry) tak, aby odpovídala požadavkům moderních dieselů.
Limity škodlivých složek
(dnes platná norma EU4)
benzín nafta
CO 1,0 0,5
HC 0,1 –
NOx 0,08 0,25
HC+NOx – 0,3
Pevné částice – 0,025
Hodnoty jsou udávány v g/km
