Współcześnie podstawowymi źródłami energii na świecie są węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny. Około 9 % wykorzystywanej energii pochodzi z tych źródeł. W pojazdach jako źródło energii wykorzystywane są produkty otrzymywane z ropy naftowej. Według pesymistycznych prognoz produkcja paliw w oparciu o wydobywaną ropę naftową może być kontynuowana bez kłopotów jeszcze przez około 43 lata. Tego rodzaju prognoza stanowi jedną z przyczyn podjęcia działań zmierzających do ograniczenia zużycia ropy naftowej poprzez wykorzystywanie innych źródeł energii w pojazdach oraz poprzez wprowadzanie rozwiązań poprawiających sprawność wykorzystania energii w drodze od szybu naftowego do koła pojazdu. Innym równie istotnym zagadnieniem jest emisja CO2, wynikająca ze spalania paliw w silnikach pojazdów. W ciągu roku pojazdy generują około 17 proc. globalnej produkcji CO2. Jest to jedna z przyczyn powstawania efektu cieplarnianego. Zmniejszenie produkcji CO2 przez pojazdy wymaga wprowadzenia nowych rozwiązań technicznych zarówno w silnikach, jak i w układach napędowych. Na rys. 1. przedstawiono względną wartość emisji CO2 dla różnych źródeł energii stosowanych we współczesnych pojazdach. Jeżeli przyjąć za 1 wartość emisji CO2 przez pojazdy z silnikami spalającymi benzynę, to zastosowanie napędu hybrydowego pozwala uzyskać wartość emisji równą 0,5. Zastosowanie ogniw paliwowych może również, w zależności od sposobu uzyskiwania wodoru, znacznie ograniczyć emisję CO2. O ile w skali globalnej istotna jest sprawność wykorzystania energii oraz ograniczenie emisji CO2, to w skali regionalnej, szczególnie w dużych aglomeracjach miejskich, problemem jest ilość gazów spalinowych emitowanych przez pojazdy. Aby doprowadzić do zmniejszenia ilości spalin, przygotowywane są nowe przepisy ograniczające ich ilość (SULEV - Super Ultra Low Emission Vehicle) lub wymagające nawet, by pewien procent nowych, wprowadzanych na rynek pojazdów nie był napędzany silnikami spalinowymi (ZEV - Zero Emission Vehicle).

Rys.1. Porównanie emisji CO₂ dla różnych paliw i typów pojazdów

    Wszystkie przedstawione powyżej przyczyny wpłynęły na bardzo szybki rozwój i wprowadzanie do produkcji nowych rozwiązań technicznych w dziedzinie konstrukcji silników spalinowych, układów napędowych oraz przygotowywanie zupełnie nowych koncepcji układów napędowych pojazdów początku XXI wieku. Najmniejsze zmiany w konfiguracji samochodu, powodujące, że układ napędowy pojazdu nadal przypomina dotychczas stosowane układy, to wprowadzenie elektronicznie sterowanych skrzyń przekładniowych zapewniających ciągłą zmianę przełożenia (CVT). Zastosowanie w skrzyniach systemu przekładni pasowych lub toroidalnych (rys. 2, 3) pozwoli na taki dobór przełożenia, który zapewni pracę silnika spalinowego napędzającego pojazd przy minimalnym zużyciu paliwa dla danego obciążenia.

Rys.2. Przekładnia pasowa

Rys.3. Przekładnia toroidalna

    Rozwiązaniem technicznym, pozwalającym na znaczne obniżenie emisji CO2 przez pojazd, jest zastosowanie napędu hybrydowego. Propozycję handlową przedstawiła Toyota, rozpoczynając sprzedaż na rynku amerykańskim samochodu Toyota Prius. Układ napędowy tego pojazdu posiada dwa źródła mocy - silnik spalinowy i silnik elektryczny - tworząc w ten sposób “równoległy system hybrydowy”. W tym systemie siły napędowe silnika elektrycznego i spalinowego napędzają pojazd niezależnie. Cztery typowe sytuacje związane z ruchem tego pojazdu zostały przedstawione na rys. 4. Ruszanie z miejsca, ze względu na niewłaściwą pracę silnika spalinowego na małych obrotach, odbywa się tylko z wykorzystaniem silnika elektrycznego. W czasie normalnej jazdy wykorzystywany jest silnik spalinowy i elektryczny, przy czym energia elektryczna jest wytwarzana w prądnicy. Podczas ekstremalnego przyspieszania wykorzystywana jest energia elektryczna zmagazynowana w akumulatorze. Hamowanie lub zwalnianie pojazdu jest wykorzystywane do ładowania akumulatora.

Rys.4. Działanie układu hybrydowego w różnych sytuacjach ruchowych pojazdu

    W obecnym stuleciu za całkowicie “czysty” należy uznać pojazd, w którym jako źródło energii będą wykorzystywane ogniwa paliwowe. Pojazdy tego typu są wprowadzane przez wiele koncernów samochodowych, przy czym jednym z podstawowych problemów jest paliwo dla samochodowych ogniw paliwowych. Ponieważ ogniwa paliwowe mogą pracować na czystym wodorze lub na gazie bogatym w wodór, istnieje konieczność magazynowania lub wytwarzania wodoru w pojeździe. Trzeba wziąć pod uwagę dostępność paliwa, jego koszt, sprawność wytwarzania energii elektrycznej, emisję CO2 oraz kompatybilność z paliwami do silników spalinowych. Jedną z propozycji jest zastosowanie metanolu jako paliwa, z którego zostanie uzyskany wodór dla ogniwa paliwowego. Schemat zasady działania ogniwa paliwowego został przedstawiony na rys. 5, a schemat układu napędowego samochodu w którym paliwem dla ogniw paliwowych jest metanol, na rys. 6.

Rys.5. Zasada działania ogniwa paliwowego

Rys.6. Schemat układu napędowego dla ogniwa paliwowego

    Obecnie musimy zmierzyć się z problemem, w jaki sposób wykonać pojazd z ogniwem paliwowym, czyli źródłem energii przyszłości, aby mógł współzawodniczyć z ciągle rozwijanym i ulepszanym silnikiem spalinowym, i jak zapewnić mu przewagę nad pojazdami hybrydowymi i elektrycznymi. Wydaje się, że niestety upłynie jeszcze dużo czasu, zanim pojazdy tego typu będą powszechnie używane, jednak należy kontynuować badania i prace rozwojowe nad tym źródłem energii przyszłości i nad sposobami jego upowszechnienia.

Dr hab. inż. Witold Grzegożek – Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych WM, PK