Błądzenie napędza

Michał Kij

Gdyby popatrzeć całościowo na rozwój motoryzacji, okaże się, że idei zapomnianych lub odłożonych na nieokreślone potem jest więcej niż tych, które się przyjęły. Ba! Oczywiste, uznane podręcznikowe rozwiązania tracą ciężar gatunkowy i przesuwają się na peryferie. Dawno temu z aut znikły dwusuwy, a lada dzień okaże się, że silniki spalinowe jako takie to boczna ścieżka ewolucji!

Leonardo przed Google

Metody nadawania napędu pojazdom wyprzedzają pojawienie się samochodu. Pouczająca w tym względzie jest wizyta w turyńskim muzeum motoryzacji. Znajduje się tam drewniany pojazd zbudowany w 2011 r. wg pomysłu Leonarda da Vinci z 1478 r. Napędza go nakręcany mechanizm ze sprężyną. Kolejną innowacją jest koło kierowane z zębatką oraz możliwość programowania w pewnym zakresie ruchu pojazdu. Leonardo wyprzedził więc Google o przeszło 500 lat i zbudował samochód autonomiczny.

Sięgając po książkę Witolda Rychtera „Dzieje samochodu”, można znaleźć więcej pomysłów na samojazdy. Mniej lub bardziej praktycznych. Jest np. wózek z napędem grawitacyjnym, poruszany kamieniem rzuconym na sznurku w przepaść. Wspominam o nim bynajmniej nie z kronikarskiego obowiązku. Taki napęd wydaje się oczywistą ślepą uliczką, tak jak samochody zasilane krwią, występujące – na szczęście – tylko w filmach: czechosłowackim „Wampirze z Feratu” z 1981 r. i amerykańskim, niszowym, ale kilkakrotnie nagrodzonym „Blood Car” z 2007 r. Jednak pomysły wyglądające na dobre i praktyczne też często mają termin przydatności do spożycia, co jest najlepiej widoczne dziś, gdy próbujemy czymś zastąpić silniki zużywające paliwa kopalne.

Niskoemisyjne

Bardzo jesteśmy w tym podobni do naszych pradziadków, choć kierują nami inne motywy. Oni szukali po prostu najlepszego źródła napędu dla powozów bez koni. My szukamy najmniej inwazyjnego: nieszkodliwego dla otoczenia i wykorzystującego zasoby odnawialne. Jednocześnie jak w początkach XX wieku zależy nam, aby było praktycznie i tanio.

I tak jak wtedy silnik spalinowy znów konkuruje z elektrycznym. Wówczas za autami na prąd przemawiała prostota konstrukcji i łatwość obsługi, w tym uruchamiania, a jedynym ograniczeniem był niewielki zasięg. Inna rzecz, że równe drogi były głównie w miastach. Dalej i tak trudno byłoby się zapuszczać. Jednak mimo hałasu i smrodu, jaki wytwarzał silnik benzynowy, oraz kłopotów wynikających z konieczności stosowania sprzęgła, skrzyni biegów oraz umiejętności posługiwania się nimi, ostatecznie zwyciężył. Przynajmniej tę rundę.

Napęd parowy, zastosowany w parowym ciągniku Cugonta w 1770 r., a praktycznie wykorzystywany w pojazdach drogowych od XIX w., także miał pod wieloma względami przewagę nad silnikiem o wewnętrznym spalaniu. Podobnie jak elektryczny nie potrzebował skrzyni biegów i był cichy. Choć kłopotliwy przy rozruchu i charakteryzujący się o połowę mniejszą sprawnością niż wczesne silniki spalinowe, był mniejszy i lżejszy. Jedyny problem, z którym zresztą satysfakcjonująco sobie poradzono, stanowił duży i ciężki kocioł. Producenci samochodów parowych, dość szybko zepchniętych w cień w Europie, funkcjonowali w Ameryce Północnej do połowy lat 20. XX wieku. Z grubsza o dekadę dłużej produkowano parowe ciężarówki, z których słynęła Wielka Brytania. Niektóre z nich pozostawały w ruchu jeszcze w latach 60. O napędzie parowym przypominano sobie okazjonalnie, a impuls dały kryzysy naftowe lat 70. Silnik parowy miał nie tylko uniezależniać od ropy naftowej, ale gwarantować niską emisję spalin.

Para z reaktora

Siła pary jest znana co najmniej od chwili, gdy ludzkość zaczęła gotować jedzenie. W I wieku n.e. Heron z Aleksandrii skonstruował kulę poruszaną przez wyrzucaną dwiema dyszami parę. Tzw. bania Herona, podgrzewana rozpalonym pod nią ogniskiem, długo nie miała praktycznego zastosowania. Jednak prastara idea wykorzystywania pary do wprawiania przedmiotu w ruch, przybrała nową postać w potencjalnie najbardziej zaawansowanych technicznie pojazdach, jakie kiedykolwiek budowali ludzie – w samochodach atomowych. Napęd atomowy, stosowany np. w jednostkach pływających składa się z reaktora, który w roli podgrzewacza wody zastępuje ognisko. Dalej jest już trywialnie: turbina parowa za pośrednictwem przekładni napędza wał napędowy oraz generator prądu dla urządzeń pokładowych. I znów, tak jak kocioł w samochodzie parowym, tak i tu najwięcej kłopotu sprawiłby duży i ciężki reaktor.

Samochód atomowy narodził się jedynie jako idea i model poglądowy pod postacią Forda Nucleona z lat 50. Może i lepiej? Najczarniejsze spaliny diesla rozwiewają się w ciągu kilku minut. Skażenie promieniotwórcze po wypadku auta atomowego trwałoby znacznie dłużej.

Świst!

Pierwszy kryzys z 1973 r. ostatecznie zamknął okres entuzjastycznych eksperymentów nad silnikami zapożyczonymi z innych, czołowych wytworów cywilizacji – samolotów. Silnik turbinowy budził spore nadzieje. Najdłużej i najbardziej konsekwentnie prowadził nad nim prace koncern Chryslera. Przed nim eksperymentował z tym źródłem napędu brytyjski Rover, który już w 1950 r. przedstawił auto Jet 1. Do pionierów należał również Fiat i jego Turbina z 1954 r. oraz General Motors, który w latach 50. zbudował serię trzech Firebirdów. Czwarty, stworzony w latach 60., był już tylko wizją samochodu jutra, pozbawioną silnika. Jednym z mniej znanych aut turbinowych jest Renault Étoile Filante z połowy lat 50.

Silnik turbinowy, w postaci przystosowanej do napędzania samochodów był o tyle ekologiczny, że mógł spalać praktycznie dowolne paliwo ciekłe. Był mały, lekki i upraszczał konstrukcję samochodu. W długiej trasie zużywał podobną ilość paliwa, co silnik tłokowy zapewniający podobne osiągi. Minusem było duże spalanie na biegu jałowym oraz wysoka temperatura spalin. Własności praktyczne aut turbinowych dobrze poznano. Pół setki Chryslerów Turbine było testowanych w połowie lat 60. w wyselekcjonowanych, amerykańskich gospodarstwach domowych. Użytkownicy wystawiali im dobre noty.

Turbiny stosowano nie tylko w samochodach osobowych, ale również ciężarówkach. Normy emisji spalin wprowadzane w latach 70. oraz szok spowodowany wizją wyczerpania zasobów ropy w skali globu zniechęciły producentów samochodów do dalszych prób z silnikami turbinowymi.

Zawirowania

Podobny skutek obawy te odniosły wobec silnika Wankla, niespełnionej nadziei lat 60. Pierwszym seryjnym samochodem, który go miał, był NSU Spider z 1963 r. Wkrótce kilka firm zainteresowało się tą jednostką napędową. Wśród nich Mazda, która rozwija ją do dziś.

Silnik Wankla jest stosunkowo mały, lekki i nieskomplikowany. Kłopoty sprawia uszczelnienie komór, stanowiących odpowiednik cylindrów silnika tłokowego. Jednostka stawia wysokie wymagania materiałom zastosowanym do jej budowy, co dziś wydaje się możliwe do przeskoczenia. Jednak główny zarzut dotyczy wysokiego zużycia paliwa i idącej za tym emisji spalin.

Wady te, w połączeniu z hałaśliwością, przyczyniły się również do wyeliminowania z samochodów silników dwusuwowych. Co ciekawe, ten silnik także odznacza się prostotą budowy, np. nie jest w nim niezbędny układ rozrządu, a przy tym jest tani w produkcji. Dlatego był powszechnie stosowany w popularnych, europejskich samochodach.

Walor ekonomiczny zawsze miał po naszej stronie Atlantyku istotne znaczenie. Przyspieszył wprowadzenie silnika Diesla, który na początek pojawił się w pojazdach użytkowych, a w połowie lat 30. w samochodach osobowych. Jednostki wysokoprężne wyparły szwedzki wynalazek, silnik Jonasa Hesselmana stworzony w 1925 r. Był to silnik iskrowy przystosowany do spalania cięższych frakcji ropy, m.in. oleju napędowego. Po raz pierwszy zastosowano w nim bezpośredni wtrysk paliwa. Dla ułatwienia rozruchu zwykle uruchamiany był na benzynie i później przełączany na inne paliwo.

Kryzysowym rozwiązaniem były pojazdy zasilane gazem drzewnym, produkowanym w specjalnej instalacji w samochodzie, m.in. z węgla drzewnego. Rozpowszechniły się w okresie II wojny światowej, gdy zwykłe paliwa kierowano przede wszystkim do walczących wojsk. Do dziś można zaopatrzyć się w taki generator, który producenci reklamują jako metodę uzyskania niezależności energetycznej.

Do adaptacji

Niedrogim i łatwo dostępnym w miastach paliwem jest od bardzo dawna gaz ziemny. Jego stosowanie w samochodach ogranicza trudność w zgromadzeniu na pokładzie ilości gazu, która zapewniałaby pożądany zasięg. Dawniej gaz przewożono np. w wielkich balonach na dachu, potem zaczęto go sprężać (CNG), a obecnie producenci oferują również zbiorniki do transportowania skroplonego silnie oziębionego metanu (LNG). Dzięki nim samochód ma zasięg porównywalny z typowym. Metan w różnych postaciach, w tym jako biogaz pozyskiwany z fermentacji śmieci jest paliwem, które podczas spalania wytwarza mało szkodliwych substancji i nie wymaga skomplikowanych systemów uzdatniania spalin.

Oszczędnościowym i dość praktycznym rozwiązaniem jest propan-butan (LPG). Za nim przemawia głównie niska cena i powszechna dostępność gazu. Umieszczenie zbiornika bywa kłopotliwe, ale nie do tego stopnia jak przy CNG. Trzeba się liczyć z pewnym spadkiem osiągów silnika, zależnym od generacji – jednostki napędowej oraz instalacji gazowej.

Jako paliwo dla silników iskrowych stosowano również wodór. Jednak gaz ten jeszcze trudniej przechowywać niż metan. Obecnie bardziej sensowne wydaje się używanie go do zasilania ogniw paliwowych, produkujących energię dla silnika elektrycznego w pojeździe. Pionierski pojazd z ogniwami paliwowymi stworzył General Motors w połowie lat 60.

Samochodami elektrycznymi z własną elektrownią są również hybrydy szeregowe, gdzie silnik spalinowy (najczęściej diesel, ale zdarzają się i gazowe na CNG) zasila generator, który produkuje prąd dla silnika elektrycznego. W hybrydach równoległych moment obrotowy docierający do kół pochodzi zarówno z silnika elektrycznego, jak i spalinowego. Bilans energetyczny hybryd poprawia możliwość podładowania akumulatorów z sieci (złącze plug-in).

Wspomniane źródła napędu wraz z czysto elektrycznym należą do najczęściej dziś wykorzystywanych tzw. alternatywnych układów napędowych. Tworzy się je, aby ograniczyć lub całkiem wyeliminować zużywanie benzyny i oleju napędowego. Wobec nich nie mówi się o ślepych uliczkach, ale o dostosowaniu źródła napędu do warunków eksploatacji. Oznaczałoby to koniec dominacji silników o wewnętrznym spalaniu, będących przez 100 lat uniwersalnym źródłem napędu nie tylko samochodów.

Energia układu

Koniec, ale nie rychły. Wprawdzie pojawiają się pomysły zakazu sprzedaży samochodów z silnikami spalinowymi, z czego zasłynęła ostatnio Holandia, ale są to na razie tylko propozycje. Silniki o zapłonie iskrowym i samoczynnym wiele zyskały dzięki wprowadzeniu elektronicznie sterownych układów podających paliwo. Udało się w znacznej mierze opanować eksplozję następującą w cylindrze, aby wykorzystać jak najwięcej energii zawartej w paliwie i ograniczyć powstawanie szkodliwych substancji wydostających się przez rurę wydechową. Turbodoładowanie pozwala utrzymać wysokie osiągi pomimo stosunkowo małej pojemności silnika. Obecny downsizing silników kumuluje i doprowadza do skrajności wcześniejsze rozwiązania, służące polepszaniu osiągów przy ograniczeniu zużycia paliwa. Dodatkowe systemy oczyszczania spalin, których zagęszczenie jest największe przy silnikach Diesla także są rezultatem z dawna stosowanych fragmentarycznie i niekoniecznie w motoryzacji rozwiązań.

Samochód postrzegany jest jako układ przetwarzania energii. Zaprzęgnięto w jej racjonalne wykorzystywanie urządzenia peryferyjne, np. inteligentny alternator, który nie pracuje bez przerwy i nie produkuje prądu na darmo, lub takie drobiazgi jak energooszczędne oświetlenie złożone z diod LED. W ciężarówkach rozważa się wprowadzenie urządzeń odzyskujących energię spalin. Już dziś pracują w nich systemy sterujące układem napędowym tak, aby zminimalizować zużycie paliwa przy wykorzystaniu bezwładności pojazdu. Służy do tego tempomat, który w harmonii ze zautomatyzowaną skrzynią biegów dopasowuje prędkość i przełożenie do ukształtowania drogi przed ciężarówką, aby maksymalnie wykorzystać rozpęd i pokonywać wzniesienia jak najtaniej. Położenie pojazdu rozpoznaje na podstawie sygnału GPS i wgranych w pamięci map topograficznych. Z tempomatem współgra wolne koło, które odłącza napęd w sprzyjających warunkach, tzn. gdy przyniesie to korzyść w postaci niskiego spalania i jest bezpieczne.

Duży potencjał zmniejszenia zużycia energii tkwi w pojazdach o różnym stopniu autonomii: od ustawiających się w kolumny, w której pierwszy prowadzi resztę jadącą na elektronicznym holu (tu znów pionierem są długodystansowe ciężarówki) po samochody w pełni samodzielne w każdych warunkach, które opracowuje m.in. Google, Tesla, Volvo i koncern Daimler. Przyjmuje się, że pojazdy autonomiczne zachowywałyby się bezpiecznie i racjonalnie. Unikałyby zatem gwałtownych manewrów i jechały oszczędnie, choć Google w ramach licznej floty samochodów autonomicznych testowało również egzemplarze agresywne.

W zależności

Problem ślepej uliczki w rozwoju napędu samochodów sam jest ślepą uliczką. Nowoczesne silniki spalinowe o małej pojemności i wysokich osiągach wyglądają obiecująco – w laboratorium. W rzeczywistości trudno wydobyć z nich deklarowane przez producentów niskie zużycie paliwa. Chyba że jechać nieszybko i bardzo spokojnie, ale to uniwersalna recepta na małe spalanie. Do ich zbudowania zużywa się mało materiału, co jest korzystne dla producentów. Trwałość takich silników stoi jednak pod znakiem zapytania, co pokazały jedne z pierwszych tego rodzaju jednostek, niechlubne 1,2 i 1,4 TSI Volkswagena. Na przeciwnej szali są tradycyjne, amerykańskie V8 o dużej pojemności i nie mniejszym potencjale remontów, które raz wyprodukowane starczają na kilkadziesiąt lat (przyjemnej) jazdy, a w stosunku do pojemności okazują się nader ekonomiczne, choć w liczbach bezwzględnych spalanie jest spore.

Intuicja podpowiada, że najprostsze rozwiązania są najlepsze. Silnik elektryczny, który po cichutku oddaje do dyspozycji potężny moment obrotowy, jest nieskomplikowany i do tego trwały, wydaje się bliski ideału. Wystarczy znaleźć dla niego odpowiednie źródło energii. Z tym jest jednak tak duży problem, że plączemy się w rozwiązaniach kompromisowych, ciężkich i zajmujących miejsce, takich jak hybrydy. Kto jednak tęskni za naturalną prostotą, powinien pamiętać o endemitach, gatunkach doskonale dostosowanych do warunków panujących lokalnie i niekiedy tak dziwacznie skonstruowanych jak australijski dziobak.

Sytuację zaognia różnica interesów między producentami aut i kierowcami. Pierwsi chcą zarobić, drudzy nie chcą stracić. M.in. dlatego koncerny dążą do zmonopolizowania usług serwisowych, przyznając mimowolnie, że trwałość to mit, liczy się prawidłowa obsługa. Na przebieg rozwoju układów napędowych mają wpływ dostawcy paliw i energii w ogóle, różnej maści ekolodzy oraz poddające się naciskom obu grup rządy. Dbałość o środowisko i racjonalne korzystanie z zasobów globu też jest biznesem. Warunkuje konstrukcję samochodów w sposób niekiedy nieoczywisty. Współczesne układy napędowe są głęboko zakorzenione w tych zależnościach.

Czekając na przełom, nie należy lekceważyć ślepych uliczek. Nigdy nie wiadomo, która z nich niespodzianie się udrożni i okaże doskonałym skrótem.