Jan Macek: Cesta k vodíku vede přes plynové motory

Na co budou jezdit automobily v blízké i vzdálenější budoucnosti? Jaké jsou nejnovější trendy ve vývoji spalovacích motorů? A vychovávají naše vysoké školy kvalitní automobilové konstruktéry? Odpovědi jsme hledali s předním odborníkem na spalovací motory a pedagogem Janem Mackem, profesorem strojní fakulty ČVUT v Praze.

Naposledy jsme spolu mluvili před čtyřmi roky. Kam se posunul vývoj spalovacích motorů?
Přestože jde vývoj hodně kupředu, na nic kvalitativně převratného se nepřišlo. Obecně se ale hodně pracuje na zvýšení účinnosti spalovacích motorů pro osobní automobily v oblastech nízkého zatížení.

Zatímco ještě nedávno byl v popředí zájmu vznětový motor, teď jako by se vše točilo kolem zážehových jednotek. Hlavním trendem je downsizing. Zmenšují se objemy, snižují počty válců. Co si myslíte o dvouválci Twinair od Fiatu?
Já osobně s ním nemám žádné zkušenosti, ale prý se od něho čekalo trochu víc z hlediska dynamiky i spotřeby paliva. Nicméně podle mého názoru má tato koncepce v sobě velký potenciál. Jde jen o to, jak se takový motor navrhne – včetně řízení plnicího tlaku - a jaké skupině zákazníků se nabídne. Pořád platí, že z hlediska dynamiky zdvihový objem ničím nenahradíš…

A v čem je tedy jeho potenciál? Jeden vedoucí pracovník z vývojového oddělení Fiat Power Train mi řekl, že od začátku vůbec neuvažovali o tříválci. Že prý dvouválec je lepší.
Ano, tomu věřím. V rámci jednoho evropského projektu se zabýváme hodnocením motoru na začátku vývoje, když toho ještě není moc známo. Z této studie vyplývá, že když se jako kritérium vezme příčný zástavbový průřez (důležitý u příčného uložení motoru), tak při stejných omezujících parametrech, jako je střední pístová rychlost nebo střední užitečný tlak, poskytují maloválcové motory nejvyšší výkon. U příčné zástavby by tak byl ideální jednoválec, nicméně pro pohon automobilu je z hlediska vyvážení, rovnoměrnosti chodu a hmotnosti na hranici použitelnosti právě dvouválec. Když Volkswagen řešil první „litrový“ vůz, tak také zvolil jednoválec. Podobný motor s dmychadlem by byl skvělý s přeplňováním. jenže to je právě velmi problematické, pokud by se mělo použít turbodmychadlo. Také přeplňování dvouválce by bylo lepší podpořit mechanicky hnaným kompresorem, jenže ten by motor prodražil a zvětšil jak zástavbové rozměry, tak poněkud i spotřebu paliva.

 Události Rozhovor s Janem Mackem

Jakým směrem se nyní ubírá vývoj vznětových motorů?

U turbodieselů se dnes hlavně řeší další zvýšení účinnosti při vysokém i nízkém zatížení. Ukazuje se, že bude hodně důležité zvýšit účinnost turbodmychadel. V tomto ohledu jsou sice cesty známé, hodně ale záleží na velikosti, resp. momentu setrvačnosti a na ceně.

A jak lze tedy zvýšit účinnost turbodmychadla?
Vedle vhodné volby rozměrů, tedy poměru průměru vstupní a výstupní strany oběžného kola u turbíny, je to především otázka vůlí. Velmi důležité je se vypořádat s tlumením vibrací rotoru na pružném uložení. Dnes nejčastěji používaná plovoucí pouzdra ložisek se dvěma olejovými filmy sice dobře tlumí rezonanční navýšení vibrací, ale neomezují jejich amplitudu dostatečně. Konstruktér si proto vždy musí nechat rezervu, aby se mu někde nepotkaly lopatky oběžného kola se statorem.

A proč se nepoužívají valivá ložiska?
Protože jsou velmi drahá. Udělat totiž ložisko pro 250 000 otáček není snadné. Musejí se používat keramické valivé elementy a další speciality. Druhá věc je tloušťka lopatek. Čím tenčí, tím samozřejmě lepší. Jenže hodně tenké lopatky zas mají tendenci kmitat, což zvyšuje riziko únavového lomu. Myslím ale, že přichází čas, kdy technologie používané u větších turbodmychadel přejdou i na ta malá. Jenže u nich je zatím skoro řádový rozdíl v ceně.

 Události Rozhovor s Janem Mackem

A co vícestupňové přeplňování?

Hlavně u turbodieselů se dnes s oblibou používá variabilní geometrie turbíny. Nastavování statorových lopatek ale rozhodí celkovou účinnost turbodmychadla. Vysoké efektivity totiž dosahuje pouze při určité poloze lopatek, to ostatní lze považovat za kompromis. Proto by se mělo turbo navrhnout tak, aby mělo nejvyšší možnou účinnost přesně tam, kde je to třeba. A to jsou spíš spodní konce otáčkového spektra motoru, tedy menší průtoky. Z hlediska celkové účinnosti proto vyjde vždy lépe dvoustupňové přeplňování. Na dvoustupňovém přeplňování jsem pracoval již na konci sedmdesátých let, jenže než jsme něco dodělali, tak nás vývoj v jednostupňových turbodmychadlech vždy předehnal. Z výpočtů se jako nejlepší řešení jeví dvoustupňové přeplňování s variabilní geometrií, které by ale bylo extrémně drahé. Dvoustupňové přeplňování však nabude důležitosti v souvislosti s novými typy spalování odvozenými z původního konceptu detonačního spalování HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition.

O co přesně jde?
Je to odlišný druh hoření směsi v oblastech nízkého zatížení. Základní princip spočívá v dosažení rychlého hoření velmi chudé směsi, které probíhá za relativně nízkých teplot, takže vzniká málo oxidů dusíku, resp. díky velkému přebytku kyslíku se netvoří tolik pevných částic. Zároveň se dosahuje nižší spotřeby. Část připravené směsi se buď ponechá při zvýšené teplotě na konci sání v motoru připravit na přirozenou detonaci nebo se zapaluje další vstříknutou dávkou paliva, u zážehových dokonce i běžnou svíčkou v kombinaci s následujícím rychlým detonačním hořením. Udržet ho však za každých provozních okolností, zejména v přechodech zatížení, není snadné. Tento princip je teoreticky dlouho známý, teprve se současnou technikou ho lze ale realizovat.

Předpokládám, že to má i další úskalí, jinak bychom to už používali?
Tento druh hoření má dvě základní nectnosti. Směs nesmí po zapálení před detonací hořet příliš pomalu, aby nehasl plamen a nezůstalo příliš mnoho nespálených uhlovodíků. A pak potřebuje pro udržení dostatečně vysoké teploty masivní recirkulaci výfukových plynů a vysoký plnicí tlak, přestože výfukové plyny mají nízkou teplotu, a tudíž i energii pro turbínu. Buď tedy bude mít takový motor turbodmychadlo s vysokou účinností, nebo se použije kombinované dvoustupňové přeplňování s mechanickým dmychadlem.

U turbodieselů se snižuje kompresní poměr. Kam až?
Kompresní poměr ovlivňuje teplotu spalování a tím i tvorbu oxidů dusíku. Už dlouhá léta se ví, že hodnota kolem 16 je optimální kompromis mezi mechanickou a tepelnou účinností.

Mohou ještě u dieselů růst vstřikovací tlaky?
Mohou. Dnes už se mluví o tlacích kolem 2500 barů, dokonce se projektují věci na 3000 barů. Jenže to už se dostáváme na hranice únavových pevností ocelí, ze kterých jsou vstřikovače a potrubí vyráběny.

Neustále se zpřísňují emisní normy. Kam až to půjde?
Dnes už je obecně problém tak nízké emise vůbec změřit. Velké potíže jsou především s přípravou a stabilizací spalin pro měření toho, co případně dýcháme, tedy imisí. Ty se totiž musí zchladit zředěním se vzduchem a při tak nízkých koncentracích už opravdu může docházet k chybám i k ovlivnění měření plyny a částicemi nasávanými s okolním vzduchem.

Promiňte, že vám skáču do řeči. Proč se tedy normy stále zpřísňují? Vždyť to stojí spoustu peněz, které nakonec zaplatí koncový zákazník, a přínos je už hodně malý?
Když se ptají jednoho mého kolegy na emisích, co vlastně dělá, tak říká, že zmenšuje bod. Když se totiž vynesou dřívější a současné emisní limity, tak to již nelze udělat bez logaritmické stupnice. Skutečně už je to jenom bod. Požadavky se stále zvyšují, neboť se nacházejí stále nová – někdy spíše tušená – zdravotní rizika. Pokud to ale vezmu cynicky z hlediska statistiky, tak průměrný věk lidí se i s ohledem na „nezdravý“ životní styl neustále zvyšuje. Takže se zas až tak špatně nemáme, jen musíme hledat rozumný kompromis mezi touhou po pohodlí a jeho následcích.

Tak proč?
Ukazuje se, že problémy mohou být s nanočásticemi, jež se dostávají hluboko do těla a mohou ovlivňovat i genetickou informaci. Podle některých katastrofických scénářů mohou mít zhoubný vliv nejen nanočástice ze vznětových motorů, stejný dopad prý mohou mít všechny nanotechnologie obecně. Nikdo totiž neví, co budou dělat dlouhodobě. Problémy s nanočásticemi se ale týkají i zážehových motorů s přímým vstřikem.

Norma Euro 6 dramaticky snižuje množství sazí u zážehových motorů. Budou tedy muset být doplněné filtry pevných částic jako diesely?
Ano, filtr se ale bude kombinovat s úpravou spalovacího procesu. O problému s tvorbou sazí u zážehových motorů se ví dávno a při vývoji spalovacího procesu se jejich tvorba minimalizuje. Netvoří vzhledem ke své velikosti viditelný kouř jako u naftových motorů. Dokud nebyly požadavky na počet malých částic v normě, nikdo z výrobců si netroufl zvyšovat cenu auta zařazením drahého částicového filtru pro benzinový motor.

Myslíte si, že by se měla změnit metodika měření spotřeby, která vůbec neodpovídá skutečnému provozu?
Tahle otázka je teď hodně v kurzu. Všeobecně se má za to, že by se mohl používat daleko dynamičtější cyklus Artemis. Tato záležitost má však zčásti politický a zčásti ekonomický rozměr. Jenom přeprogramovat všechny autopiloty pro ježdění evropského testu nebude laciná záležitost. Samozřejmě již všichni výrobci dlouho zkoušejí, co to bude znamenat. Pak je zde ale ještě jedna, tak trochu marketingová nepříjemnost. Lidé si zvykli na nějakou deklarovanou spotřebu a ta by najednou šla „papírově“ nahoru. Navíc Evropská unie si dala určitý cíl emisí CO2 pro pokutování, a také ten by se najednou změnil.
###
Proč se opomíjejí dvoudobé motory? Vždyť velké lodní motory jsou většinou dvoutakty.
Já osobně mám mnohé důvody, abych malým dvoudobým motorům nevěřil, i když na jejich vývoji pracujeme. U lodí sice mají tyto obří motory díky pomalootáčkové koncepci a obřím zdvihům fantastickou účinnost kolem 53 %. U automobilových motorů však něčeho takového dosáhnout nejde.

Když už jsme se dostali až k lodním motorům, jakou vlastně mají spotřebu? Média ráda píší o tom, proč se dělá takový povyk s CO2 u aut, když jeden tanker vypustí během plavby víc oxidu uhličitého než tisíce aut dohromady?
Měrná spotřeba lodních motorů se pohybuje kolem 165 až 170 g/kWh, motory nákladních automobilů dosahují v optimálním režimu hodnoty 190 g/kWh. Rozdíl je ale v tom, že zatímco automobilové motory pracují s výkony v řádu kilowattů, u lodí se pohybujeme v megawattech. Takže absolutní hodnoty spotřeby na jednotku jsou pochopitelně mnohem větší.

Existuje v historii nějaká konstrukce motoru či typ, který je vám jako konstruktérovi hodně blízký?
Dokud jsem pracoval v praxi, tak jsem se specializoval na velké jednotky. Takže mně osobně byly velmi blízké konstrukce nákladních aut. Famózní jsou konstrukce MTU, bývalý Maybach, měl jsem rád i motory MAN, kde se ve snaze o technickou dokonalost až tak nekoukalo na peníze. Mezi automobily mám rád motory Audi a VW.

 Události Rozhovor s Janem Mackem

Čas od času se objeví nějaké unikátní konstrukce motorů. Co si třeba myslíte o jednotce Scuderi?

Na podobném motoru s oddělenými pracovními cykly, kde v jednom válci probíhá jen sání a komprese a ve druhém expanze a výfuk, jsem pracoval simulačně i v rámci své dizertační práce na konci osmdesátých let. Už tehdy jsem se potýkal se zásadním problémem. Kouzlo konvenčního spalovacího motoru tkví v tom, že umí pracovat s vysokými teplotami při spalování, ale s velice nízkými teplotami na dílech motoru. Jelikož nejsou části tepelně tak exponovány, mohou se používat konvenční materiály. U motorů s oddělenými pracovními cykly jsou však materiály v expanzní části dlouhodobě vystaveny vysokým tlakům i teplotám.

A motor OPOC s protiběžnými písty (motor, v jehož jednom válci proti sobě běhají dva písty, neplést si s motory boxer)?
Tato Junkersova konstrukce je více než sto let stará, původně se používala u velkých průmyslových ležatých dvoutaktů. Motory OPOC se musejí vypořádat s umístěním vstřikovačů, optimální uložení uprostřed u nich nepřichází v úvahu. Jsou tedy z boku a ještě musí být minimálně dva, což tento motor prodražuje. Zásadní je nemožnost využít alespoň zčásti práci na stlačení přeplňovacího a vyplachovacího vzduchu. Dnes se však vůbec často vracíme k věcem, které už někdo vymyslel. V tomto ohledu jsou velmi silní Japonci, kteří systematicky prozkoumávají staré patenty a zjišťují, co by se dalo díky současné technice znovu použít.

Jaký je vlastně v současnosti zájem o studium techniky? A jaká je úroveň našich studentů?
Na školu se pořád hlásí přibližně stejný počet lidí. Jejich úroveň kolísá, v poslední době se mi ale zdá, že jde kvalita nahoru. Stejně tak by asi rostl i jejich počet, nebýt ministerstva školství, které nám rok od roku přispívá na výuku menším rozpočtem. Tím nás de facto nepřímo nutí do snižování počtu přijatých studentů.

Má diplom z ČVUT stále vysoké renomé a zaručuje dobrou práci? Prosadili se někteří bývalí studenti do vysokých pozic u nás i v cizině? Máte být na co hrdí?
Ano, máme. Tito lidé také velmi často fungují jako takové předpolí pro navázání spolupráce a získávání průmyslových smluv. V tomto směru nám hodně pomáhají i anglicky přednášené kurzy, kde se nyní snažíme o větší rozšíření motorářské sekce. Tyto kurzy probíhají ve spolupráci s jednou nizozemskou a francouzskou vysokou školou. Snažíme se teď dostat naše lidi do prestižní školy IFP - Institut Francais du Pétrole, což je takové francouzské rodinné stříbro s omezeným počtem přijímaných studentů zaměřující se nejen na petrolejářský průmysl, ale také na spalovací motory. Letos poprvé máme možnost tam od nás dostat jednoho Čecha a Inda.

Je něco, co závidíte současným studentům? Něco, co za vašich studií nebylo?
Především možnost vyjet do ciziny. Bohužel u našich studentů stále narážíme na horší jazykovou vybavenost. Mají také obrovskou výhodu v tom, že mohou dělat diplomové práce u firem, jako jsou Škoda, Volkswagen nebo Bosch. Teď mám třeba jednoho diplomanta u firmy Sulzer, která se zabývá velkými dvoutaktními lodními motory. To je prostě úžasné.

Máte od těchto studentů zpětnou vazbu, jak kvalitní je studium na ČVUT ve srovnání se zahraničními univerzitami?
My jsme na naše studenty dost nároční, dostávají tady dost zabrat. Na druhé straně je to ale vykoupené kvalitou. Tohle je bohužel věc, která se nikde v novinových žebříčcích nehodnotí. Z průmyslu ale víme, že naši absolventi jsou ceněni za to, jak dobře jsou připraveni. Náročností výuky se můžeme srovnávat s prestižními univerzitami RWTH v Cáchách nebo s ETH v Curychu. Například cizí studenti, kteří k nám nyní přicházejí z Francie, jsou ale připraveni o něco lépe než ti naši. Hlavně ale mají větší tah na branku, starají se o vlastní dlouhodobý rozvoj – budování kariéry, dokáží mnohem lépe shánět informace. V poslední době se nám hodně osvědčil projekt Formule student, kde si studenti sami vyvíjejí a vyrábějí závodní vůz, s nímž i závodí a vítězí ve světové konkurenci.

Daří se vám získávat vývojové projekty? Jak funguje spolupráce s průmyslem?
Vývojové centrum Josefa Božka (subjekt svázaný s katedrou spalovacích motorů na strojní fakultě ČVUT – pozn. redakce) nedávno ukončil dlouhodobý projekt dotovaný MŠMT. Pracujeme ovšem na evropských projektech a na smlouvách s průmyslem. Nyní jsme se přihlásili do dalšího dlouhodobého projektu Technologické agentury ČR, který je velmi úzce provázán s průmyslem. V tomto projektu jsou všechny čtyři české vysoké školy, které se zabývají vývojem automobilů. Vedle toho tam jsou další partneři TÜV Praha a Ricardo, kde pracuje hodně lidí z naší fakulty, a sedm dalších velkých průmyslových podniků, jako Škoda Auto, Tatra nebo ČZ a Brano.

A byly ty výzkumné projekty úspěšné? Zavedly se do praxe?
Ano. Otázka ale někdy zní, zda dílčí negativní výsledek u aplikovaného výzkumu není víc než pozitivní. Jelikož jako technici umíme hodně předvídat, tak jsme byli schopni také poslat pod vodu hodně „inovativních“ konceptů. Kdyby se měly dotáhnout do experimentu, tak by stály hodně peněz. Řada věcí, hlavně v oblasti přeplňování, se ale v praxi objevila. Nebylo to však jen v rámci České republiky.

Česko je sice automobilovou velmocí, nicméně svět nás bere pořád hlavně jako výrobní závod. Pomineme-li firmy jako Škoda Auto nebo Tatra, jak jsme na tom s vlastním vývojem?
Velké zahraniční firmy, které u nás vyrábějí součástky, sem dlouho moc výzkumu nepřinášely. Teď se to ale trochu začíná měnit. Máme práci pro firmy Porsche Engineering Services, Ricardo nebo Honeywell specializující se na turbodmychadla. Opravdu fantastické je ale otevření evropského inovačního centra firmy Eaton v našem novém výzkumném centru v Roztokách u Prahy, které se bude ve spolupráci s ČVUT zabývat vývojem energeticky účinných napájecích systémů, elektrifikace dopravy, dopravních prostředků a leteckých aplikací. Zdá se, že se blýská na lepší časy. Je to ale běh na dlouhou trať.

Funguje mezi českými technickými univerzitami spolupráce, nebo je mezi vámi spíš rivalita?
Samozřejmě si mezi sebou částečně konkurujeme, s tím se nedá nic dělat. Přesto si za ty roky každá škola našla své pole působnosti, které se snažíme dodržovat. Pokud to však jde, tak se snažíme maximálně spolupracovat, jako ve zmíněných společných projektech.

A jak to tedy máte rozdělené?
V Praze se specializujeme na termodynamiku, spalování, přeplňování a hodně děláme i do alternativních paliv, čímž trochu konkurujeme Technické univerzitě v Liberci. Samozřejmě to není oddělitelné od konstrukce motorů a jejich mechaniky, kde však působí také VUT v Brně. Vysoká škola báňská - Technická univerzita v Ostravě je dobrá v převodovkách, hodně tam pracují zejména na geometrii ozubení. Převodovky ale mají velkou tradici i u nás v Praze, my jsme ale silní v planetových převodovkách a diferenciálních ústrojích obecně. Jako jedni z mála například umíme počítat účinnosti složitých převodovek.

 Události Rozhovor s Janem Mackem

Jakému alternativnímu palivu dáváte největší budoucnost?

Obecně stojí za to dělat na plynových motorech. Jestli se totiž začne rozvíjet vodíková infrastruktura, pak bude muset být nějaký plynulý přechod. A to nemohou být palivové články, odkázané výhradně na vodík. Dokud totiž nebude všude tolik plnicích stanic, aby mohl řidič dojet kamkoliv, tak si nikdo auto s drahými palivovými články nekoupí. Cesta k vodíku vede přes plynový motor.

Myslíte plynový motor na CNG?
Mám na mysli směs zemního plynu s vodíkem, která už má dokonce své obchodní označení Hythane, což je spojení slov hydrogen a methane. Toto palivo totiž velmi dobře hoří a má lepší emise i účinnost než běžný motor na zemní plyn. Nevýhodou je nutnost dimenzovat materiály všech zařízení motoru proti vodíkové křehkosti a pak také snížený rádius, přestože toho vodíku s nízkou hustotou je ve směsi poměrně málo. Tohle ale považuji za správnou cestu, jak se dostat k vodíku. I samotný zemní plyn je dobrý, protože má při spalování nízké emise a navíc se všemi úvahami o těžbě břidličného plynu jsou jeho zásoby, zdá se, hodně veliké.

A co kapalná paliva?
Tak tady je každá rada drahá. Že zklamou biopaliva první generace, bylo jasné všem, kromě úředníků v Bruselu. Je to drahé, nemorální a zabírá to velké množství plochy, které se dá použít pro pěstování potravin. Otázkou zůstává, jak dlouho bude trvat, s prominutím, evropská přežranost v tom, že se zemědělství pěstuje víc jako prostředek na údržbu krajiny než jako zdroj potravin. A to zejména v době, kdy ve světě stále panuje hlad. Dělat z obilí nebo brambor technický etanol, to už tu bylo za první republiky. Tudy ale cesta nevede. Totéž se týká i řepkového oleje, kde jsou ještě ekologické dopady, protože řepka potřebuje hodně chemického ošetřování.

Velké naděje se vkládaly do celulózy.
V poslední době už jsem četl několik článků, že biotechnologie zkvašování dřevných produktů nefungují tak, jak se očekávalo. Ale já v tomto oboru moc silný nejsem na to, abych pronášel rozhodnutí. Ze strany motorářů mohu tvrdit, že motory spálí ledacos. Třeba i plynný dimetyléter, který se dá vyrábět z metanolu.

Hledíte na automobily kolem sebe jako běžný uživatel, nebo jako profesionál?
Zas až tak deformovaný nejsem, nicméně přece jenom člověk přemýšlí, co se tam děje a jestli tomu autu neubližuji.

Takže přesně dodržujete servisní intervaly výměny oleje.
Ano, vím totiž, co dokáže udělat s motorem starý olej. Naštěstí dneska už jsou intervaly poměrně dlouhé.



JAN MACEK (63)
Prof. Ing. Jan Macek, DrSc., absolvoval fakultu strojní ČVUT v Praze v roce 1972. V roce 1986 zde získal titul docenta a o sedm let později i titul profesora.

 Události Rozhovor s Janem Mackem

Od roku 1991 vede Ústav automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel. V letech 1997 až 2000 byl děkanem fakulty strojní ČVUT, od roku 2006 je proděkanem pro vědu a výzkum. V roce 2007 se stal vedoucím Výzkumného centra Josefa Božka.

Jeho hlavní odborností je vývoj přeplňovaných motorů, výzkum automobilových, stacionárních a dráhových motorů, a to naftových a plynových. Věnuje se vědě a výzkumu v oblasti teorie motorů a aplikace experimentů a simulací. Má velké zkušenosti s řízením výzkumných projektů, a to i mezinárodních. Je také členem Akademického sněmu Akademie věd ČR.

Vydáno: 02. 05. 2012

Autor: Michal Štengl (Motor-Presse Bohemia)

Zdroj: autopruvodce.cz