Silniki zasilane alternatywnymi źródłami energii Jacek Biedrzycki Przemysłowy Instytut Motoryzacji 71 Forum Energia - Efekt Środowisko - Ekologiczne formy transportu Warszawa, 31.03.2015r.
Plan prezentacji Zakład Ochrony Środowiska i Wykorzystania Energii Naturalnej 1) Wstęp, Emisja substancji szkodliwych, Energia jej rodzaje, 2) Ewolucja systemów napędowych, 3) Silniki ZI i ZS, 4) Paliwa alternatywne, 5) Gaz ziemny, 6) Silniki wielopaliwowe, 7) Napędy hybrydowe, 8) Ogniwa paliwowe wodór, 9) Napęd elektryczny, 10) Podsumowanie.
Wstęp 9 6 3 1950 2000 2050 Populacja ludności 30 20 10 0 1950 2000 2050 Zasoby ropy naftowej 2 1 mld Miliardy baryłek Ilość samochodów [mld] Wymagania stawiane współczesnej i przyszłej motoryzacji: PRZEPISY: -bezpieczeństwo, -zużycie paliwa, -emisja substancji szkodliwych, -generowany hałas. Ochrona środowiska: -recykling, -zanieczyszczenia, -zasoby naturalne, -CZYSTE POWIETRZE. 0 1950 2000 2050 Przewidywana ilość pojazdów
Wstęp - Rodzaje energii OBECNE I PRZYSZŁE RODZAJE ENERGII Źródła energii Ropa naftowa Węgiel Gaz ziemny Biomasa Inne rodzaje energii słoneczna, wiatru, wodna Postacie energii Paliwa ciekłe Paliwa gazowe Energia elektryczna Wykorzystanie Siniki spalinowe ZI i ZS Silniki gazowe LPG / CNG Hybrydy szeregowe Hybrydy równoległe Pojazdy elektryczne Energia nuklearna Wodór Ogniwa paliwowe
Wstęp PROCENTOWY UDZIAŁ SAMOCHODÓW W RYNKU SAMOCHODOWYM 100 80 60 40 50 35 50 42 2015 2020 20 0 7 7 9 1 1 1 ZI Hybryda ZI Hybryda ZS ZS CNG Dominacja silników ZS i ZI w Europie
Wstęp - Emisja Ewolucja priorytetów na rzecz ekologii środków transportu Energia Emisja CO 2 Emisja spalin CO, NOx, HC, PM 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Wstęp - Emisja HC, NMHC, NOx, PM [mg/km] CO [mg/km] Ubiegłe oraz obecne normy limitów smisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach silników ZI (badania wg Regulaminu 83 OKG ONZ) 120 1200 HC NMHC NOx PM CO 100 1000 80 80 68 68 800 60 60 60 600 40 400 20 200 5 1) 4,5 1) 0 Euro 4 Euro 5 Euro 6 0 1) limit liczby cząstek stałych 6 10 11 km 1
Wstęp - Emisja CO, HC, NOx, PM [mg/km] Ubiegłe oraz obecne normy limitów smisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach silników ZS (badania wg Regulaminu 83 OKG ONZ) 600 500 CO HC + NOx NOx PM 400 300 200 300 250 230 180 170 100 0 80 25 5 1) 4,5 1) Euro 4 Euro 5 Euro 6 1) limit liczby cząstek stałych 6 10 11 km 1
CO 2 [g/km] Wstęp - Emisja CO 2 = 186 g/km (7,7 dm 3 /100 km) Limity emisji CO 2 w latach 1995-2012 -25% -35% CO 2 = 140 g/km (5,8 dm 3 /100 km) CO 2 = 120 g/km (*) (5,5 dm 3 /100 km) (*) Zwiększone limity CO 2 do 130 g/km ze względu na opory opon i napęd klimatyzacji 1995 2008 2012 Limity emisji CO 2 w latach 1995-2012
Ewolucja Systemów Napędowych DZIŚ JUTRO Wodór i Ogniwa Paliwowe Pojazdy Hybrydowe Paliwa Alternatywne Optymalizacja Silników Spalinowych
Silniki ZI i ZS NAPĘDY KONWENCJONALNE (SPALINOWE) PRZYSZŁOŚĆ?
Silniki ZI i ZS Zmienna długość kanałów dolotowych Zmienne fazy rozrządu Wtrysk bezpośredni Kontrolowany samozapłon Rozwiązania silników ZI mające wpływ na zmniejszenie emisji CO 2 Redukcja strat Zaawansowane sterowanie silnikiem Odzysk energii Start / Stop Hybrydyzacja Paliwa alternatywne Deaktywacja cylindrów Doładowanie: turbo, mechaniczne
Silniki ZI i ZS Współczesne silniki ZI Wady/zalety + emisja zużycie paliwa MODYFIKACJE - wyeliminowanie przepustnicy, - wtrysk bezpośredni, - doładowanie, - downsizing, - redukcja zużycia oleju, - zmiana sterowania silnikiem, - sterowanie układem chłodzenia. Współczesne silniki ZS Wady/zalety + zużycie paliwa emisja (NOx, PM) MODYFIKACJE - wtrysk bezpośredni, - poprawa procesu spalania, - homogenizacja ładunku, - turbodoładowanie, - nowa strategia sterowania, - systemy oczyszczania spalin.
Silniki ZI i ZS Nowy obieg cieplny silnika spalinowego? Połączenie zalet obydwu silników (ZI + ZS) oraz eliminacja ich wad w jednej konstrukcji DiesOtto Silnik tak ekologiczny jak silnik o zapłonie iskrowym i tak ekonomiczny jak silnik o zapłonie samoczynnym
Silniki ZI i ZS SILNIK ZS Moment obrotowy + Zużycie paliwa + - Emisja - Koszt SILNIK ZI Emisja + Moc uzyteczna + Koszt + Zużycia paliwa WSPÓLNIE: Moment obrotowy Moc użyteczna Zużycie paliwa Emisja Koszt
Paliwa alternatywne Alkohol etylowy (etanol) Biodiesel (FAME) Paliwa ALTERNATYWNE BIOPALIWA Rodzaj PALIWA 2010 2015 2020 Biopaliwa 6% 7% 8% Gaz ziemny 2% 5% 10% Sprężony gaz ziemny (CNG) Paliwo wodorowe 0% 2% 5%
Rozwój paliw i napędów a emisja CO 2 Paliwa węglowodorowe 160 140 120 100 80 60 40 CO 2 [g/km] 180 20 Hybrydy Biopaliwa: 1-Generacja Biopaliwa: 2-Generacja Ogniwa paliwowe 0
Pojazdy wielopaliwowe FFV - Flexible Fuel Vehicle Mieszanina benzyny i etanolu o dowolnych proporcjach Głównie rozpowszechnione na północnym-zachodzie USA (Kalifornia).
Sprężony gaz ziemny CNG Zalety CNG: + niższy poziom emisji CO, NO x, PM i CO 2 + niższa cena paliwa Wady CNG: - mniejszy zasięg pojazdu - słabo rozwinięta infrastruktura stacji CNG
Silniki wielopaliwowe Benzyna + Etanol Benzyna + Etanol + CNG
Napędy hybrydowe Rodzaje systemów hybrydowych: -µ-hybrid = rozrusznik + alternator + system start/stop -Mild Hybrid = silnik spalinowy wspomagany silnikiem elektrycznym -Full Hybrid =napęd silnika z spalinowego lub elektrycznego
Napędy hybrydowe parametry BMW X5 Moment obrotowy [Nm] 1000 Nm przy 1000 obr/min Łączny moment obrotowy Silnik spalinowy Silnik elektryczny n [obr/min]
Pojazdy hybrydowe
Ogniwa paliwowe - WODÓR 1 - ogniwo paliwowe; 2 - zbiornik wodoru; 3 - silnik trakcyjny; 4 - przetwornica; 5 - sprężarka 1 2 3 4 5
Ogniwa wodorowe Biomasa Woda POZYSKIWANIE WODORU Transport Wiatr Słońce Geotermia Energia nuklearna H 2 Dystrybucja Olej Węgiel Gaz ziemny
Napęd elektryczny Samochód elektryczny: Ekologiczny czy ekonomiczny?
Napęd elektryczny Porównanie krzywej przebiegu momentu obrotowego oraz mocy użytecznej silnika benzynowego oraz elektrycznego. Silnik elektryczny Silnik spalinowy
Główne zalety i wady napędu elektrycznego ZALETY: cena niezależna od ceny ropy naftowej, brak emisji spalin, wysoki i stały moment obrotowy, cicha praca silnika, wysoka sprawność silnika, rozbudowa infrastruktura elektryczna WADY: bardzo wysoki koszt akumulatorów, niewielki zasięg pojazdu, parametry użytkowe zależne od temperatury, brak miejsc publicznego ładowania pojazdu, duże obciążenie emisyjne spowodowane produkcją energii elektrycznej.
Napęd elektryczny Porównanie samochodu elektrycznego z silnikiem ZS Oznaczenie EV ZS Marka Renault Renault Model Kangoo Express Z.E. Kangoo VIN VF1FW0ZBC48479937 VF1KW26B648479905 Kategoria N1 M1 Rok produkcji 2013 2013 Masa własna pojazdu [kg] 1485 1507 Typ silnika Moc maksymalna silnika [kw] Objętość skokowa silnika [dm 3 ] Silnik elektryczny, synchroniczny z uzwojeniem wzbudzenia w wirniku Silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym, z doładowaniem, rzędowy, czterocylindrowy, z układem zasilania Common Rail 44 81 1,461 Liczba miejsc 2 5 Badania przeprowadzone w PIMOT
Napęd elektryczny Średnie drogowe zużycie energii c dla badanych samochodów w testach jezdnych; v AV prędkość średnia samochodu w teście Test v AV c ZS c EV km/h MJ/km MJ/km UDC* 2,09 18,35 UDC 1,66 EUDC* 1,57 62,59 EUDC 1,42 NEDC* 1,76 33,35 NEDC 1,50 0,45 0,71 0,63 FTP-75 31,50 1,58 0,57 Stop and Go 5,84 2,14 0,90 PIMOT UT1 36,04 1,73 0,60 * test z rozruchem zimnego silnika
Napęd elektryczny c [MJ/km] Średnie drogowe zużycie energii c dla badanych samochodów w poszczególnych testach jezdnych; 2,5 ZS EV 2 1,5 1 0,5 0 UDC* UDC EUDC* EUDC NEDC* NEDC FTP-75 Stop and Go PIMOT UT1 * test z rozruchem zimnego silnika
Podsumowanie PODSUMOWANIE
Emisja CO 2 podczas całego życia pojazdu Samochód benzynowy Samochód hybrydowy Ogniwo paliwowe Samochód z silnikiem ZI = 1 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Emisja CO 2 Emisja CO2
Emisja CO 2 podczas całego życia pojazdu Pojazd z silnikiem benzynowym Pojazd napędzany ogniwami paliwowymi Jazda (72%) Inne (2%) Produkcja materiałów (12%) Produkcja pojazdu (6%) Produkcja paliwa (8%) Produkcja paliwa (54%) Inne (1%) Produkcja materiałów (32%) Produkcja pojazdu (13%) Prof. Jerzy Merkisz - Przyszłe źródła napędów jako alternatywa dla ropy Politechnika Poznańska
Prognozy rozwoju napędów Redukcja emisji związków toksycznych Redukcja zużycia paliwa Wodorowe ogniwa paliwowe Pojazdy hybrydowe i elektryczne Czyste paliwa, paliwa alternatywne Współczesne silniki spalinowe Biopaliwa Infrastruktura napełniania pojazdów wodorem Obecnie 2020 2050 Prof. Jerzy Merkisz - Przyszłe źródła napędów jako alternatywa dla ropy Politechnika Poznańska
www.pimot.org.pl recepcja : 22 7777-000 sekretariat: 22 7777-015 fax.: 22 7777-020 ul. Jagiellońska 55 03-301 Warszawa info@pimot.org.pl Dziękuję za uwagę. Jacek Biedrzycki j.biedrzycki@pimot.org.pl 22 7777-191