Do 2020 r. przemysł motoryzacyjny musi zredukować emisję CO2 na terenie UE do 95 gramów na kilometr. Jak do tej pory jest to najostrzejsze ograniczenie emisji CO2 na świecie. Niestety, istniejące dotąd kombinacje napędów, takie jak różne rodzaje silników wysokoprężnych i benzynowych oraz niewielka część pojazdów z napędem alternatywnym, nie są w stanie spełnić takiego wymogu. Pojawia się pytanie, czy jest on w ogóle realny? A jeżeli tak, to przy zastosowaniu jakich środków?

Obniżanie emisji CO2
Największy światowy dostawca dla przemysłu samochodowego, grupa Bosch ze Stuttgartu, proponuje następującą formułę napędów przyszłości dla samochodów osobowych: im większy pojazd, tym większy poziom elektryfikacji. Dla Bernda Bohra, ustępującego prezesa samochodowej części koncernu Bosch, oznacza to, że małe samochody mogą osiągnąć docelową wartość emisji CO2 tylko przez samo podnoszenie wydajności silników wysokoprężnych i benzynowych. W klasie pojazdów kompaktowych diesel radzi sobie w zasadzie sam, silniki benzynowe wymagają już lekkiej hybrydyzacji. Jednak w klasie średniej i wysokiej wydajne systemy hybrydowe muszą stać się standardem. Przyjmując za punkt wyjścia wartości zużycia w roku 2012, dostrzegamy w klasie samochodów subkompaktowych potencjalne ograniczenie sięgające 20% – potwierdza tę prognozę Rolf Bulander, prezes Bosch Gasoline Systems. Już dziś najlepsze silniki wysokoprężne emitują 81g, natomiast najbardziej zaawansowane silniki benzynowe 99 g CO2. To dobra podstawa do osiągnięcia dalszych ograniczeń na drodze rozwiązań silnikowych. Konkretnym przykładem podanym przez Bulandera jest korzystne pod względem cenowym zautomatyzowanie manualnej skrzyni biegów (potencjalne ograniczenie rzędu 5-6%), zastosowanie turbosprężarek jako warunek zmniejszenia silników (7-8%) w połączeniu z bezpośrednim wtryskiem benzyny nawet do 15% oraz zoptymalizowanie spalania poprzez zwiększenie kompresji i chłodzona recyrkulacja spalin (10%). Powinno to obniżyć emisję CO2 silników benzynowych poniżej 85 g, podczas gdy emisje z silników wysokoprężnych powinny być jeszcze niższe. Poza tym, jak twierdzi firma Bosch, istnieje jeszcze jedna możliwość: hydrauliczny system hybrydowy, opracowywany wspólnie z francuskim koncernem PSA (Peugeot, Citroën). System ten zamienia energię hamowania w energię kinetyczną i gromadzi ją w zbiorniku ciśnieniowym wypełnionym azotem. Energia ta może być następnie wykorzystana podczas przyspieszania, w powolnym ruchu pojazdów i w sytuacjach wymagających użycia większych ilości energii. Według informacji podanych przez koncern Bosch, hydrauliczny system hybrydowy może ograniczyć zużycie paliwa w cyklu miejskim do 45%, a w cyklu mieszanym do 30%. Ponieważ system ten nie wymaga drogich i ciężkich baterii, powinien okazać się niedrogi także w klasie samochodów małych, podnosząc wagę pojazdu o zaledwie 10 0kg. PSA chce wprowadzić na rynek pierwsze modele z takim wyposażeniem do 2017 r.

48 woltów na pokładzie
Niewielka elektryfikacja będzie konieczna w klasie samochodów kompaktowych, jeżeli wymagania dotyczące emisji mają być osiągnięte w 2020r. – Zaoferujemy niedrogi i wydajny Boost Recuperation System (BRS) – mówi Rolf Bulander. – W tym segmencie rynku, gdzie cena odgrywa ważną rolę, jest to absolutnie konieczne. BRS wykorzystuje istniejące części układu elektrycznego, które wspomagają silnik mocą 10 kW/14 KM. Do tego dochodzi bateria o mocy 0,25 kWh. To względnie niewiele, ale 48 woltowa instalacja elektryczna maksymalizuje odzyskiwanie energii hamowania. Już po pięciu hamowaniach baterie litowo-jonowe będą w pełni naładowane. Bosch oczekuje, że system ten spowoduje potencjalne ograniczenie emisji CO2 rzędu 10 do 12%. BRS można uzupełnić kolejną innowacją. Sprzęgło elektryczne – Eclutch – odłącza silnik od układu przeniesienia napędu, jeżeli ruch samochodu nie wymaga dostarczania energii. To powinno nie tylko ograniczyć zużycie paliwa, lecz także podnieść komfort jazdy. Wiąże się to z tym, że na pierwszym i drugim biegu w korku można ruszać bez użycia sprzęgła. Wówczas E-Clutch funkcjonuje praktycznie jak automatyczna skrzynia biegów. Dodatkowo elektryczne sprzęgło przełącza na luz, jeżeli kierowca nie dodaje gazu. Umożliwia to oszczędzające paliwo „płynięcie“ (sailing mode).

Planowany nowy cykl jazdy
Podobny efekt osiąga się już dzisiaj, kiedy kierowca na przykład wrzuca luz jadąc w dół po pochyłym terenie, pozwalając, aby auto „toczyło się” samo. Według informacji podanych przez Bosch, już samo nowe sprzęgło ma możliwość ograniczenia zużycia paliwa o 7%. Jednak w miarę wzrostu rozmiarów a przede wszystkim ich masy własnej, wszystkie te środki nie pomogą w osiągnięciu wymaganego poziomu emisji CO2. Wówczas samochód rzeczywiście musi zostać wyposażony w prawdziwy napęd hybrydowy. Podobnie jak wielu dużych producentów, także Bosch stawia na system hybrydowy typu plug-in. Teoretyczne wartości liczbowe robią wrażenie: Już dzisiaj na jednym ładowaniu można przejechać do 60 kilometrów używając tylko energii elektrycznej. To wystarcza na większość podróży, pod warunkiem, że pojazd zostanie zaraz potem podłączony do gniazdka. Na dłuższych odcinkach zasięg zapewnia silnik spalinowy. Jak twierdzi Bosch, z systemem plug-in można zaoszczędzić 50% paliwa, co obliczono przyjmując aktualnie obowiązujący „nowy europejski cykl jazdy“ (NEDC). Jednak tutaj producenci i dostawcy mogą napotkać trudności.

Sposób badania emisji
Politycy i ludzie związani z branżą zastanawiają się bowiem, jak lepiej dopasować zużycie normatywne do realnego. Zmiana zasady pomiaru europejskiego cyklu jazdy mogłaby spowodować znaczne podniesienie wartości zużycia paliwa a tym samym emisji CO2 do atmosfery. Wówczas osiągnięcie progu 95g do 2020r. byłoby jeszcze trudniejsze a wszystkie technologie musiałyby zostać udoskonalone i przetestowane. Poza koncernem Bosch także dwaj pozostali najwięksi dostawcy, Continental i ZF, działają aktywnie na rynku technologii hybrydowych i napędów elektrycznych. W pewnym momencie w przeszłości oba przedsiębiorstwa rozpoczęły nawet współpracę, mającą na celu połączenie ich największych atutów – techniki w zakresie przekładni i silników z jednej strony i elektroniki sterowania oraz baterii z drugiej. Obecnie ZF sam oferuje wszystkie komponenty zelektryfikowanego układu przeniesienia napędu: od silnika elektrycznego przez moduły hybrydowe, sterowniki i elektronikę energetyczną po kompletne napędy hybrydowe. Elektryfikacja układu przeniesienia napędu w pojeździe nie jest dla ZF celem samym w sobie. Istotnym celem jest ograniczenie w ten sposób zużycia paliwa a co za tym idzie obniżenie emisji CO2. Na bazie napędów zasadniczych, które można by shybrydyzować, można zbudować konstrukcje o różnych mocach i parametrach. Komponentem podstawowym jest silnik elektryczny Dynastart o różnych mocach. Na potrzeby tzw. pełnych hybryd posiada on zintegrowane sprzęgło rozłączne – warunek wstępny czysto elektrycznego napędu.

Swoje doświadczenie w zakresie elektryfikacji układu przeniesienia napędu firma ZF wykorzystuje teraz w napędzie elektrycznym. Funkcjonuje on jako kompletny napęd pojazdów napędzanych elektrycznie aż po klasę samochodów kompaktowych: Najważniejszym komponentem jest asynchroniczny silnik elektryczny, który nie wymaga do budowy magnesów zastosowania metali ziem rzadkich, takich jak neodym lub dysproz. Dzięki dwustopniowej przekładni i koncepcji wysokich prędkości obrotowych (silnik elektryczny osiąga 21 000 min-1) udaje się osiągnąć wysokie moce z dobrym współczynnikiem sprawności. Charakteryzujący się kompaktową budową napęd już podczas ruszania osiąga moment obrotowy o wartości 1700 Nm na osi pojazdu. Maksymalna dostępna moc to 90 kW na oś. Planuje się dalszą rozbudowę systemu. Continental umieścił już technologię o podobnych osiągach w samochodach elektrycznych marki Renault i również oferuje kompletne rozwiązanie dla aut hybrydowych typu plug-in. Jednak liczba pełnowartościowych elektrycznych i hybrydowych pojazdów wciąż jest niewielka.
– Dziś istnieje duża przepaść miedzy względnie niedrogimi 12-woltowymi systemami start-stop a znacznie bardziej kosztownymi rozwiązaniami hybrydowymi o wysokich napięciach rzędu 200 do 400 V – mówi José Avila, dyrektor Powertrain Division i członek zarządu spółki Continental. – Elektryfikacja dopasowana do potrzeb daje producentom samochodów możliwość hybrydyzacji istniejących pojazdów na poziomie napięć od 12 do 400 V przy przejrzystym stosunku kosztów do zysków. Jak tylko potencjał istniejącej w pojeździe sieci 12-woltowej zostanie wyczerpany, Continental stawia na dodatkowy 48-woltowy obwód elektryczny. Umożliwia on funkcje, które dzisiaj są możliwe tylko w kosztownych „umiarkowanych” hybrydach przy 120 V napięcia. Zaletą względnie niskiego napięcia jest to, że nie są przy nim potrzebne zabezpieczenia wymagane w przypadku technik wysokonapięciowych.
Wniosek: Jeżeli nadal chcemy produkować i jeździć samochodami powyżej klasy kompaktowej, napęd hybrydowy jest nieunikniony. Jednak nie musi to być koniecznie technika wysokonapięciowa. Ze względnie niewysokim napięciem 48 V lub nawet hydraulicznym zbiornikiem ciśnieniowym zamiast baterii można zbudować wysokowartościowe samochody hybrydowe, umożliwiające znaczne oszczędności paliwa oraz zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery.