A holnap járművei A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai Kisdeák Lajos Kenéstechnikai Szolgáltatás vezető MOL-LUB Kft. Tel: +36 20 945 4695 E-mail: lkisdeak@mol.hu 1
Tartalom A legfőbb hajtóerő: a szén-dioxid kibocsátás csökkentésének kényszere Járműfejlesztési irányok Az aerodinamikai ellenállás csökkentése A gumiabroncsok gördülési ellenállásának csökkentése A hajtáslánc veszteségeinek csökkentése A kenőanyagok fejlesztése Az egyéb veszteségek csökkentése Az üresjárati idő csökkentése A járművek tömegének csökkentése Alternatív motorhajtóanyagok fejlesztése A belsőégésű motorok fejlesztésének irányai Downsizing Downspeeding Szerkezeti anyagok és bevonatok fejlesztése Az égésfolyamat fejlesztése Új konstrukciós megoldások Hőmérséklet-menedzsment A motorolaj okozta veszteségek minimalizálása A nanotechnológia szerepe 2
A közúti járművek fejlesztésének mozgatórugói és irányai A kezdetek Az első benzinmotoros autó. Karl Friedrich Benz, 1886 Forrás: Wikipédia 3
Az első benzinmotoros autó megszületése után 125 évvel, 2011. július 21-én befejeződött a Space Shuttle program (Atlantis) CÍM Antagonisztikus ellentét? Annak látszik. Ha ezt a kérdést nem oldjuk meg, komoly problémáink lesznek Forrás: ESA 4
Rossz hírből nincs hiány Az IPCC új klímajelentést publikál (AR5) A tudományos alapokkal foglalkozó fejezete 2013. szeptember 27-én jelent meg, további részei 2014-ben kerülnek nyilvánosságra Két szalagcím a megelőző híradásokból (a New York Times nyomán) Minden eddiginél ijesztőbb klímajelentés A visszafordíthatatlan változások küszöbén...... és néhány, már napvilágot látott információ... a Föld légkörének szén-dioxid-tartalma az ipari forradalom óta 41 százalékkal nőtt, az elmúlt 800.000 évben soha nem volt ilyen magas... az 1983-2012. időszak az elmúlt 1400 év legmelegebb időszaka volt... csaknem teljes, legalább 95 százalékos bizonyossággal kijelenthető, hogy a földi átlaghőmérséklet emelkedését az elmúlt évtizedekben több mint felerészben az emberi tevékenység okozza... az évszázad végére 4,8 C átlaghőmérséklet emelkedés, és 91 centiméteres tengerszint-emelkedés is elképzelhető 5
CO 2 milliárd tonna/év Rossz hírből nincs hiány A szén-dioxid kibocsátás növekedése dinamikus Global CO 2 emisszió Az emisszió kiheverte a globális gazdasági válságot Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012. 6
CO 2 milliárd tonna/év Rossz hírből nincs hiány Dél-kelet Ázsia CO 2 kibocsátása óriásira nőtt Dél-kelet Ázsia USA Európa CO 2 emisszió Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012. 7
CO 2 milliárd tonna/év Rossz hírből nincs hiány A világ más tájain is hasonló a helyzet Afrika Közép- és Dél-Amerika Közel-Kelet CO 2 emisszió Forrás: http://www.energytrendsinsider.com Publikálta: Robert Rapier, Consumer Energy Report, 2012. 8
CO 2 koncentráció, ppm Rossz hírből nincs hiány A CO 2 koncentráció 2013-ban elérte a 400 ppm-et CO 2 koncentráció a Mauna Loa Obszervatóriumnál (Hawaii szigetek) Forrás: Scripps Institution of Oceanography Publikálta: Bloomberg, 2013. 9
CO 2 koncentráció, ppm Rossz hírből nincs hiány A jelenlegi helyzetre nem ismerünk példát Forrás: Scripps Institution of Oceanography Publikálta: Bloomberg, 2013. Kiugróan magas érték Az elmúlt 800.000 év 10
A járműfejlesztés irányai Az aerodinamikai ellenállás csökkentése Van még mit keresni! A MIT (Massachusetts Institute of Technology) szerint a könnyű haszonjárművek aerodinamikai ellenállása 25%-kal csökkenthető* Forrás: http://www5.mercedes-benz.com *Massachusetts Institute of Technology (2008), On the Road in 2035: Reducing Transportation s Petroleum Consumption and GHG Emissions 11
A járműfejlesztés irányai A gumiabroncsok gördülési ellenállásának csökkentése 10% csökkentés a mai ismereteink szerint is megvalósítható, ami további kutató-fejlesztő munkával várhatóan 33%-ig lesz növelhető* Ehhez jó utak is kellenek A gördülési ellenállás ~60%-át a futófelület deformációja okozza *Massachusetts Institute of Technology, 2008: On the Road in 2035: Reducing Transportation s Petroleum Consumption and GHG Emissions Forrás: http://vetteweb.com 12
A járműfejlesztés irányai A hajtáslánc (motorok és hajtóművek) veszteségeinek csökkentése A belsőégésű motorok fejlesztése később részletezzük A hajtóművek fejlesztése, jó hatásfokú konstrukciók alkalmazása Hibrid hajtások fejlesztése, elektromos hajtású autók fejlesztése Forrás: Daimler AG Hátsó differenciálmű Mellső differenciálmű Motor Osztóhajtómű központi differenciálművel Sebességváltó XXV. Nemzeti Veszprémi Közlekedési Karbantartási Napok Konferencia, 2013. november 2013. június 5-7. 3-5. 13
A járműfejlesztés irányai Gondolatok a hajtóművek fejlesztéséhez A mechanikus hajtóművekre veszteségforrásként kell tekinteni, a hatásfokukat növelni kell. A hatásfoknövelés konstrukciós változtatásokkal (pl. a hidrodinamikus nyomatékátvitel mellőzése, hat-hét mechanikus fokozat alkalmazása), Osztóhajtómű központi differenciálművel Forrás: Daimler AG Mellső differenciálmű Forrás: Daimler AG jó tribológiai tulajdonságokkal rendelkező szerkezeti anyagok és felületi bevonatok alkalmazásával, valamint továbbfejlesztett kenőanyagokkal lehetséges. A MIT szerint könnyű haszonjárművek esetében kb. 5% hatásfokjavulás érhető el. 14
A járműfejlesztés irányai Gondolatok a hajtóművek fejlesztéséhez Leáldozóban van a klasszikus automata hajtóművek csillaga. A hidrodinamikus nyomatékváltók hatásfoka ugyanis rossz. A Deere & Company DSG váltós traktort mutatott be (6R sorozat). Korszerű DSG (DCT) (kéttengelykapcsolós) sebességváltó Forrás: VWAG 15
A járműfejlesztés irányai Gondolatok a hibrid hajtásokhoz Félmegoldást jelentenek, de várhatóan hosszú időn keresztül lesz létjogosultságuk. Nagy előnyük a fékezési energia visszatáplálásának lehetősége. Hátrányaik Magasabb ár Nagyobb tömeg (a villamos forgógépek és akkumulátorok járulékos tömeget jelentenek) A gyártásuk nagyobb ökológiai lábnyommal jár, mint a hagyományos belsőégésű motoros járműveké Mit küszöbölne ki a kerékagy-hajtómű? A sebességváltót Az osztóhajtóművet A differenciálműveket EV, HEV, PHEV Mercedes-Benz E-Class Hybrid Technology Project 2012 Forrás: http://newcarseries.com 16
A járműfejlesztés irányai Gondolatok az elektromos hajtásokhoz Mi hiányzik a képről? Például: Akkumulátorok Üzemanyagcellák Hidrogéntároló eszközök Szuperkondenzátorok Ezek még nem léteznek megfelelő (versenyképes) technikai színvonalon Elektromos hajtómű fronthajtású jármű számára Forrás: Ford 17
A járműfejlesztés irányai A kenőanyagok fejlesztése A súrlódás csökkentése A viszkozitás csökkentése révén A SAE (Society of Automotive Engineers, USA) 2013. áprilisában vezette be a SAE 16 viszkozitási osztályt. Megjelennek a SAE 0W-16, SAE 5W-16 viszkozitási osztályú motorolajok. A hibridekhez és start-stop üzemmódú motorokhoz alacsony viszkozitású motorolaj kell. Súrlódáscsökkentő adalékok alkalmazása (?) Határ- és vegyes kenésállapotban újszerű adalékok segítségével Szilárd adalékolású motor- és hajtóműolajokat fejlesztenek. A szilárd adalékok lehetnek pl. IF-WS2 (IF, Inorganic Fullerenlike), vagyis nanotechnológiai úton előállított többhéjú wolfram-diszulfid részecskék A kémiai stabilitás növelése A motorvédelem mértékének fokozása robust jellegű motorolajok erősen feltöltött motorokhoz A C60 fullerén modellje IF TiS 2 részecskék TEM (Transmission Electron Microscopy) felvétele Forrás: Weizmann Institute of Science 18
A járműfejlesztés irányai Az egyéb veszteségek csökkentése A járművek kiegészítő berendezései mind-mind energiafogyasztók, így végső soron a járművek szén-dioxid kibocsátását növelik. Hűtő- és klímaberendezések A teljesítményigényük csökkenthető a raktár- és utasterek jobb hőszigetelésével. Ehhez rendelkezésünkre állnak pl. rendkívül kis sűrűségű és kiváló hőszigetelő képességű aerogélek. A hűtőközegek erős üvegházhatású gázok, amelyek kijuthatnak a környezetbe. Sajnos a gyengén üvegházhatású R1234yf hűtőközeg a tűzveszélyességének nem egyértelmű megítélése miatt még nem terjedt el. Az Európai Unió kötelezővé tette a használatát. Generátorok A teljesítményigényüket energiatakarékos fényforrások használatával lehet csökkenteni. Ezek fejlesztése is a nanotechnológia tárgya. Az aerogélek rendkívül különleges, sokféle célra használható anyagok A nanotechnológia szülöttei. Forrás: NASA Propulsion Laboratory 19
A járműfejlesztés irányai Az üresjárati idő csökkentése: start-stop üzemmód A start-stop üzemmód fejlett hőmérséklet-menedzsmentet igényel. A városi közlekedésben gyakran leálló motort melegen kell tartani. A járművek tömegének csökkentése (lightweighting) A motorok tömegének csökkentése a downsizing technológiából következik. A felépítmény tömegének csökkentésének lehetőségei Nagyszilárdságú acélötvözetek alkalmazása Alumínium- és magnézium-ötvözetek Fém- és polimer kompozitok fejlesztése (a műanyag repülőgép felszállt) - 58% - 20% Tömegcsökkentési lehetőségek Újra kell gondolni a járműépítés elveit. Forrás: U.S. Department of Energy (DOE) Eredeti kialakítás, acél Eredeti kialakítás, alumínium Optimált kialakítás, alumínium 20
A járműfejlesztés irányai Alternatív motorhajtó anyagok fejlesztése Bioüzemanyagok Indirect Land Use Change (ILUC) járulékos szén-dioxid emisszió Élelmezési problémák a bioüzemanyagok alapanyagait szállító országokban (pl. Guatemala) Fejlemények az Európai Unióban Az ILUC szabályozás elhalasztása (2011. június 13.) A Bizottság új javaslatai Az első generációs bioüzemanyagok aránya maradjon a jelenlegi, kb. 5%-os szinten (2012. október 17.). A legutóbbi hírek 6%-ról szólnak. Ösztönözni kell az elsősorban hulladékból előállított, fejlettebb (második és harmadik generációs) bioüzemanyagok gyártását és használatát, amelyek nem versenytársai az élelmiszer előállításnak. (2013. január 24.) Tiszta üzemanyag stratégia Elő kell segíteni a villamos energia, hidrogén, bioüzemanyagok, földgáz (LNG, CNG, LPG) használatát Magyarországnak 2020-ig 7000 villamos energia töltőpontot kellene létesíteni. 21
Járműfejlesztési irányok Fejlesztési példák Tankol a MAN hibrid 22
Járműfejlesztési irányok Fejlesztési példák Peugeot pneumatikus hibrid Olcsóbb, mint az elektromos hibrid A Bosch hidraulikus hibrid fejlesztésébe kezdett. 23
Motorfejlesztési irányok, címszavakban Méretcsökkentés, downsizing Kisebb tömegerők, kisebb súrlódási erők, kisebb teljesítmény-igényű segédberendezések Fordulatszám-csökkentés, downspeeding A tömegerők további csökkentése, a kenőanyagfilmekben keletkező veszteségek csökkentése A szerkezeti anyagok és bevonatok fejlesztése Jó siklási tulajdonságú, kopásálló anyagok és bevonatok, kis hőtágulású, nagy szilárdságot és nagy merevséget biztosító szerkezeti anyagok fejlesztése Az égésfolyamat fejlesztése Szabályozott öngyulladás (CAI-HCCI), üzemanyag-ellátó rendszerek Kompresszió-viszony állítás Az MCE-5 Development motorkonstrukciója 24
Motorfejlesztési irányok, címszavakban Konstrukciós megoldások A fordulatszámtól függő szelepvezérlés, szabályozott turbófeltöltés, módosított forgattyús mechanizmus, változtatható kompresszió-viszony, stb. Korszerű elektronikus hőmérséklet-menedzsment (Thermal-management) A hagyományos termosztát helyett többszelepes, elektronikus vezérlésű hőmérsékletszabályozó rendszerek kialakítása A motorolaj okozta veszteségek minimalizálása Az olajszivattyú által szállított motorolaj mennyiségének a kenési igényhez történő igazítása (pl. szabályozott villanymotorral hajtott szivattyú) A motorolaj által létesített súrlódási tényező jelentős csökkentése nanotechnológiai megoldások alkalmazásával A felsorolt fejlesztési lehetőségekről A többségük logikus, kézenfekvő, korábban is alkalmazhattuk volna A bevezetésükre régebben nem volt kényszer (pl. CO 2 kibocsátási előírások) Több területen jelentős tudományos előrelépés szükséges 25
Motorfejlesztési irányok Fejlesztési példák Ford Extra módon méretcsökkentett háromhengerű motor metszete (Ford EcoBoost) A lökettérfogat 1 liter a maximális teljesítmény 4500 1/min fordulatszám mellett 92 kw A tömege 97 kg A turbótöltő járókerék-átmérője 38 mm, maximális fordulatszáma 330.000 1/min Járműbe építve (Ford Focus) a fajlagos szén-dioxid kibocsátása 114 g/km. A motorolaj viszkozitása: SAE 5W-20 Forrás: Autótechnika 26
Motorfejlesztési irányok Fejlesztési példák General Motors Új generációs, turbófeltöltött, direkt befecskendezésű benzinmotor gyártása kezdődött Szentgotthárdon, 2012 végén A lökettérfogata 1,6 liter (1598 cm 3 ) Maximális teljesítmény: 147 kw (200 HP) @ 4700 1/min Start/Stop rendszer A szén-dioxid kibocsátása 13 %- kal kevesebb, mint a GM előző, 1,6 literes turbófeltöltött motorjáé. 27
Nanotechnológia mindenütt A nanotechnológia a klímaváltozás elleni küzdelem fontos eszköze, és a járműtechnológia meghatározó iparága A Boeing 787 anyagainak 50%-a kompozit. Az acélötvözetek aránya 10% Az üzemanyag-fogyasztása 20%-kal kevesebb, mint a hasonló méretű gépeké Forrás: http://www.boeing.com Forrás: Nanotech Insights, Hot Technologies, 2010 május Nagyszilárdságú Az energia anyagok használata felhasználás Nanokatalizátorok az csökkentése, energia felhasználás hatásfok csökkentéséért növelés A motorok súrlódási veszteségeinek csökkentése Az épületek jobb hőszigetelése Energiatakarékos világítás A nanotechnológia a klímaváltozás ütemének mérsékléséért Szén-dioxid management Leválasztás Tárolás Átalakítás Megújuló energiák előállítása és tárolása Napelemek Üzemanyagcellák Hidrogén gazdaság (pl. solarhydrogen előállítás) Energiatárolás Akkumulátorok Szuperkondenzátorok 28
Köszönöm a figyelmet! Csonka János postaautója 1905. Hibátlanul teljesítette a 2000 km-es próbautat Ma is megtekinthető a Csonka János Emlékmúzeumban, a Budapest, XI. kerület Bartók Béla út 31-ben 29