Nakręcane samochody

-- czwartek, 01 marzec 2007

Abstrahując od wypowiedzi Charlesa J. Murraya, redaktora Design News USA (patrz ramka obok), nie sposób jednak nie zgodzić się ze stwierdzeniem, iż najczęściej podróżujemy samochodem na dystansach nie przekraczających 100 km dziennie. Teoretycznie taką odległość jesteśmy w stanie pokonać na jednorazowo naładowanych akumulatorach. Może więc samochody elektryczne mają jednak przyszłość? A może rozwiązań należy szukać... zupełnie gdzie indziej?

 

 

 „TANGO” udowadnia, że mały samochód miejski może pokazać „lwi pazur”

 

Podczas pobytu na konferencji SolidWorks World 2007 w Nowym Orleanie, miałem okazję zobaczyć egzemplarz samochodu „Tango” (egzemplarz – nie prototyp!) zasilanego energią elektryczną. Uwagę zwracały jego bardzo nietypowe gabaryty: samochód był nieprawdopodobnie wąski. Konstruktorzy, którym przyświecała idea stworzenia samochodu miejskiego, postawili sobie jako warunek stworzenie takiej bryły nadwozia, kóra pozwoli na bezproblemowe wciskanie się w luki zapewniające miejsce parkingowe. Aby tego dokonać, zdecydowali się na umieszczenie siedzeń jedno za drugim, w układzie tandem. To także odpowiedź na teoretyczne zapotrzebowanie potencjalnych klientów korzystających z miejskich autek; w codziennych podróżach do pracy i z pracy do domu, najczęściej z samochodu korzystamy w pojedynkę. Drugie miejsce w takiej sytuacji jawi się niemalże jako... luksus. A w każdym razie wpisuje się w zapotrzebowanie na miejski pojazd. A co z czasem potrzebnym na naładowanie akumulatorów?

Około 80% stanu naładowania akumulatorów udaje się uzyskać po zaledwie godzinie. Pełne naładowanie – po 3 godzinach. I samochodzik jest w stanie pokonać dystans ok. 128 km. Jak zapewnia producent, jeśli zastosujemy w miejsce akumulatorów kwasowych – baterie litowo-jonowe, zasięg wzrośnie do... 480 km. Niestety, nie wiem, jaki będzie wpływ na czas ładowania.

Do tego dochodzi...

Dynamika

Nie zapominajmy, że pierwszy oficjalny rekord prędkości (powyżej „magicznej” granicy 100 km/h) ustanowiony został na początku ubiegłego stulecia właśnie przez pojazd elektryczny. Współczesne samochody zasilane prądem powinny być pełnoprawnymi uczestnikami ruchu, a zatem – muszą spełniać pewne wymagania dotyczące osiąganej prędkości, czy też – co ma szczególne znaczenie w ruchu miejskim – dynamiki.

Ten malutki samochodzik, swojemu nietypowemy kształtowi zawdzięcza niewielką powierzchnię czołową, a co za tym idzie, stawia niewielki opór opływającemu jego nadwozie powietrzu. W połączeniu z silnikiem elektrycznym, który dysponuje momentem wynoszącym 1350 Nm, pozwala to na rozpędzenie „Tango” do 100 km/h w czasie ok. 4 sekund. Samochód nie jest lekki, bo mimo niewielkich wymiarów (2 570 mm x 990 mm x 1520 mm) waży ponad 1360 kg! W masie tej kryje się sekret stabilności pojazdu; ponieważ ciężar auta jest konsekwencją zastosowania sporej liczby baterii, umieszczonych w podłodze (płyta podłogowa typu „cake”), prawie 2/3 masy „Tango” umiejscowione jest niemalże tuż nad ziemią (do wysokości 40 cm). W efekcie słynny „test łosia” nie stanowił żadengo problemu.

Czy tylko prąd?

Ekoterroryści bardzo często podnoszą krzyk, iż elektrycznie napędzane samochody niewiele mają wspólnego z ekologią; energia potrzebna do naładowania akumulatorów wytwarzana jest najczęściej z paliw kopalnych bądź pochodzi z elektrowni nuklearnych (a te ostatnie są na celowniku ekologów od dłuższego czasu). Biorąc jednak pod uwagę coraz większy udział w bilansie energetycznym elektrowni pozyskujących prąd ze źródeł odnawialnych (patrz materiał poruszający tematykę elektrowni wiatrowych – przyp. autora), zarzut ten wydaje się co najmniej bezpodstawny. Nie znaczy to jednak, iż tylko prąd płynący z akumulatorów wydaje się alternatywą napędu pojazdów samochodowych.

Coraz więcej firm samochodowych koncentruje swoje wysiłki na ogniwach paliwowych. Podczas zbliżającego się 77. salonu samochodowego w Genewie zaprezentowane zostaną m.in. seryjne samochody spod znaku BMW, wyposażone we wspomniane ogniwa. Wszystko to jednak obraca się wokół elektryczności. A przecież można inaczej...

W 1906 roku na torze wyścigowym, znanym dzisiaj jako Daytona Beach, auto braci Stanley, kierowane przez Freda Mariotta, osiągnęło prędkość 205,5 km na godzinę. Parowy wehikuł braci Stanley pokonał wtedy inne startujące samochody z silnikami spalinowymi, zdobył Dewar Trophy i został uznany za najszybsze auto świata. To najdłużej utrzymujący się rekord prędkości, jaki kiedykolwiek ustanowiono. Jeszcze w latach 20. samochody braci Stanley znakomicie spisywały się w realiach ruchu ulicznego USA tamtego okresu.

Podobnej zasady działania można doszukiwać się w silnikach z powodzeniem stosowanych w modelarstwie lotniczym. Mam tutaj na myśli... silniki na sprężone powietrze.

Pod ciśnieniem

Guy Negre, twórca kolejnego ciekawego, współczesnego samochodu i zarazem szef pewnej działającej we Francji firmy (bliskiej zapewne znawcom tematu) na początku nie był poważnie traktowany przez francuskich inżynierów i tamtejszą prasę. Jego ideą była budowa konwencjonalnego samochodu o możliwie najmniejszej emisji spalin. Projekt ten jednak porzucił, gdy zetknął się m.in. z wynalazkiem z przed 136 lat opracowanym przez inżyniera polskiego pochodzenia – Ludwika Mękarskiego (patrz ramka obok), który był twórcą eksperymentalnych linii tramwajowych – z wagonami zasilanymi sprężonym powietrzem.

Zasada działania

Silnik na sprężone powietrze działa podobnie do silnika parowego. Tłok w górnym położeniu cylindra otwiera zawór kulowy, przez co sprężone powietrze (lub dwutlenek węgla z naboju od syfonu) napływa do cylindra i wywiera ciśnienie na jego denko, co powoduje, że zaczyna poruszać się w dół wprowadzając w obrót wał przenosząc siłę nacisku przez korbowód. Zawór przy ruch w dół tłoka zamyka się, jednak powietrze dalej się rozpręża i wywiera siłę na tłok. W dolnym punkcie tłok odsłania okno wylotowe cylindra wypuszczając powietrze na zewnątrz. Wprawiony w ruch wał siłą bezwładności popycha tłok do góry zamykając okno wylotowe. W cylindrze są tylko niewielkie pozostałości powietrza, więc tłok porusza się, aż ponownie otworzy zawór kulowy i cały cykl się powtórzy.

W silniku samochodu pneumatycznego francuskiej firmy MDI (Moteur Developpment International), w stosunku do powyższego opisu zastosowano zmiany mające na celu zwiększenie jego wydajności. Rolę zbiornika paliwa pełni tu butla ze sprężonym powietrzem, wykonana z kompozytów. Zasada działania jest podobna do opisanego silnika, tylko tu zamiast okna w cylindrze – jest dodatkowy zawór. Tłoki poruszają się równie skutecznie i silnie jak te w silniku spalinowym. Aby zwiększyć wydajność zastosowano inny układ korbowy silnika (patrz: www.theaircar.com). Dzięki dodaniu specjalnego zawiasu w połowie korbowodu tłok w górnym położeniu pozostaje dłużej, dzięki czemu powietrze ma więcej czasu na wypełnienie cylindra. Część „zużytego” powietrza z poprzedniego cyklu pozostaje w cylindrze, dzięki czemu świeża dawka sprężonego może się od niego ogrzać i zwiększyć siłę rozprężania. Ponadto ruch tłoka do góry jest znacznie krótszy od ruchu w dół cylindra, kiedy wykonywana jest praca. Wszystko to powoduje, że sprawność silnika w warunkach miejskich jest nawet dwukrotnie większa (!) od silnika benzynowego. Ponieważ w silniku nie zachodzi spalanie, to pracuje on w niskiej temperaturze. Dzięki temu oleju nie trzeba wymieniać częściej niż co 50 tys. km.

Silnik tak skonstruowano, że może pracować w kierunku odwrotnym, czyli... jako sprężarka. Ponieważ przy łączeniu ze skrzynią biegów zamontowano silniko-alternator, samochód można zatankować powietrzem na 2 sposoby: albo na stacji przeznaczonej do tankowania sprężonym powietrzem, z odpowiednich ciśnieniowych zbiorników – tankowanie trwa wtedy ok. 3 minut, albo – podłączając samochód do gniazdka z prądem; silniko-alternator pracuje wtedy jako silnik elektryczny i napędza silnik pneumatyczny samochodu, który pracuje wtedy jako sprężarka i napełnia zbiorniki powietrzem z atmosfery. Jednak tutaj tankowanie do pełna trwa 4 godz., ale dzięki temu pojazd nie jest całkowicie uzależniony od stacji ze sprężonym powietrzem.

Samochody MDI mają być produkowane w fabrykach w Hiszpanii. Jego różne wersje mają karoserie z włókna szklanego, są wyposażone w ABS i poduszkę powietrzną. Przewidziano kilka typów nadwozi dostosowanych do potrzeb różnych odbiorców:

Do produkcji wprowadzone ma być także miejskie autko trzyosobowe MINI CATS.

Podobnie jak w przypadku „tradycyjnych” samochodów elektrycznych, często stawiano zarzuty, iż wprawdzie MDI nie spalają paliwa, ale i tak energia potrzebna do napędu sprężarki pochodzi z elektrowni spalającej paliwa kopalne etc. A przecież oczywistym wydaje się, iż firmy, zakłady, które wykorzystywać będą tego typu pojazdy mogą zamontować na dachach swoich budynków ogniwa fotowoltaiczne lub/i postawić turbinę wiatrową. Powietrze tak zgromadzone w stacjonarnych zbiornikach ciśnieniowych może być wykorzystywane również w czasie, gdy nie ma wiatru lub słońca, tzn. przy bezwietrznej pogodzie lub w nocy. Takie rozwiązanie mogłoby znaleźć zastosowanie w miejskiej komunikacji wykorzystującej autobusy napędzane sprężonym powietrzem. Rozpowszechnienie tego typu pojazdów na pewno sprzyjałoby rozwojowi elektrowni bazujących na alternatywnych źródłach energii. W porównaniu do samochodów elektrycznych (a nawet spalinowych) pojazdy takie są lżejsze (waga akumulatorów), dysponują większym zasięgiem od większości produkowanych aut elektrycznych, tankowanie ze stacji trwa tylko 3 minuty, a z wykorzystaniem gniazdka elektrycznego 4 godziny, co też jest o połowę krócej niż w pojazdach elektrycznych (choć odbywa się nie bezgłośnie). Po wyeksploatowaniu samochodu nie trzeba martwić się o utylizację akumulatorów, w których występują różne niebezpieczne substancje, co przy masowej produkcji pojazdów elektrycznych mogłoby się stać dużym problemem.

Jedną z wskazywanych wad pojazdów na sprężone powietrze jest ryzyko związane z dużym ciśnieniem panującym wewnątrz zbiorników, co w przypadku zderzenia w skrajnych sytuacjach mogłoby się skończyć ich wybuchem. Ten sam zarzut można jednak postawić pojazdom na benzynę lub wodór, których paliwa są dodatkowo substancjami palnymi. Czy taka okaże się przyszłość eko-motoryzacji?

 

 

Zabiłem... samochód elektryczny

 

Jak dużo zapłaciłbyś za samochód o zasięgu niecałych 113 km i czasie ładowania akumulatorów wynoszącym 6 godzin?

 

Zadaję to pytanie, ponieważ skończyłem przed chwilą oglądać film dokumentalny zatytułowany „Kto zabił samochód elektryczny”, który wszedł niedawno na ekrany. Film ten, surowo oceniający upadek samochodów elektrycznych napędzanych akumulatorami, przedstawia długą listę winnych jego „zamordowania”. Są wśród nich: rząd federalny, firmy paliwowe, wodorowe ogniwa paliwowe, Kalifornijska Rada do Spraw Zasobów Powietrza… oraz konsumenci.

 

To ostatnie odnosi się do mnie, ponieważ faktycznie jestem jednym z tych konsumentów. Wiele lat temu przyjrzałem się czystej technologii samochodu elektrycznego i zdecydowałem, że... nie jest ona dla mnie. To prawda, że prowadzenie samochodu elektrycznego EV1 firmy General Motors (będącego głównym tematem filmu) sprawiało wielką frajdę. Jego przyspieszenie było zdumiewające. Pod wieloma względami był to cud techniki.

 

Samochody elektryczne miały jednak kilka poważnych wad. Pierwszą był zasięg: niektóre samochody mogły przejechać na akumulatorach niecałe 120 km; najlepsze − dwa razy tyle. Drugą wadą było to, że czas ładowania akumulatorów mógł wynosić, zależnie od tego, komu dałeś wiarę, ok. sześciu godzin. Choć w tej kwestii zdania były podzielone, jednak czas ładowania był zawsze mierzony w godzinach.

 

Przeprowadziłem więc drobne obliczenia. Ponieważ każdego roku odbywałem sześć razy podróż z Chicago do Detroit na odcinku wynoszącym ponad 480 km, wykorzystałem to jako punkt pomiarowy. Zatrzymując się cztery razy w celu naładowania akumulatorów i przeznaczając 5 godzin na każdy postój, mogłem dojechać samochodem EV1 z Chicago do Detroit w ciągu około 25 godzin. Podróż samochodem z silnikiem spalinowym zajmowała mi... 5 godzin.

 

Przeprowadziłem podobne obliczenia dla kilku innych często odbywanych podróży. Czas podróży z Chicago do Bloomington w Illinois, wydłużyłby się z dwóch do siedmiu godzin. Czas podróży z Chicago do Rock Island w Illinois, wzrósłby z dwóch i pół godziny do... 12 godzin.

 

Film porusza kwestię zasięgu, ale co dziwne, pomija bardziej złożony problem czasu ładowania akumulatorów. Zamiast tego, zwolennicy samochodu elektrycznego powtarzają w filmie jak mantrę, że 90 procent wszystkich podróży odbywa się w normalnym zasięgu samochodu elektrycznego. Dochodzą więc oni do wniosku, że 90 procent konsumentów nie potrzebuje samochodu o większym zasięgu.

 

– Ograniczony zasięg może zaspokoić potrzeby tylko 90 procent ludności − zauważa aktor Ed Begley Jr. siląc się na dowcip podczas prześmiewczego pogrzebu samochodu elektrycznego. W podobnych momentach film uparcie przypomina, że konsumenci „myślą” tylko o większym zasięgu. (strona internetowa filmu http:// rbi.ims.ca/4946-506)

 

I tutaj nie mogę się zgodzić. Przyjmę ich punkt widzenia dotyczący podróżowania, ale nie kierowców. Jeżeli będę musiał odbyć dłuższą podróż co 10 dni (tj. 10 procent mojego czasu podróżowania samochodem), czy oznacza to, że będę musiał wynająć kolejny samochód na wszystkie te okazje?

 

W istocie rzeczy jest to absurdalnie prosta sprawa. Co więcej, to sami konsumenci podejmują decyzję o zakupie, bez względu na to, jak wiele telewizyjnych gwiazd Hollywoodu zachwala produkt.

 

Każdego roku konsumenci podejmują decyzje na podstawie cech, które są mniej lub bardziej ważne, niż zasięg wynoszący ok. 110 km i 6-godzinny czas ładowania. Patrzą oni na silniki, hamulce, koła, poduszki powietrzne, układy elektryczne, a nawet dostępność odtwarzaczy DVD, uchwyty na kubki i wygodne siedzenia. Niektórzy konsumenci kupują nawet zabawki, narzędzia i urządzenia biorąc pod uwagę podobne „mało ważne” powody.

 

Do tej pory myśleli oni prawdopodobnie, że mają ten przywilej, jako konsumenci. Prawdopodobnie nie zdawali sobie sprawy, że czyniąc to... dokonywali mordu.  

Charlesa J. Murray

 

 

„Le Tramway Mékarski”

 

Ludwik Mękarski w 1870 r. we Francji, skonstruował tramwaj zasilany sprężonym powietrzem. Jego silnik był jednosuwem – powietrze przed dotarciem do cylindra przepuszczano przez zbiornik z gorącą wodą, by zwiększyć siłę rozprężania gazu, a po wykonaniu pracy uciekało bezpośrednio do atmosfery.

 

Zbiorniki powietrza napełniano za pomocą sprężarek zainstalowanych na przystankach. Największa sieć tramwajowa systemu Mękarskiego funkcjonowała w Nantes w 1879 r. – ogółem 39 km linii tramwajowych (w ciągu 34 lat jej funkcjonowania przewiozła ok. 12 milionów pasażerów). Podobna linia została również wybudowana w Paryżu, a w Nowym Yorku funkcjonowały podobne tramwaje, jednak napędzane silnikiem zbudowanym w 1882 r. przez Roberta Hardi’ego i działającym na takich samych zasadach jak silnik polskiego inżyniera. Ponieważ silniki pneumatyczne nie grzały się i nie wytwarzały iskier, to po pewnych modyfikacjach były stosowane w lokomotywach amerykańskiej firmy HK Porter Company, które z sukcesem sprzedawano w kopalniach zagrożonych np. wybuchem metanu. Napędy pneumatyczne lokomotyw i tramwajów zniknęły w latach 30. dwudziestego wieku wyparte przez udoskonalone silniki spalinowe i elektryczne.

 

http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/ekoauto/spr_pow.html

 

http://www.lotysz.webd.pl/failed_innovations_piekne.html

  

Więcej informacji:

 

Tango”http://www.commutecars.com

 

MDIhttp://www.theaircar.com

 

http://darmowa-energia.eko.org.pl/pliki/ekoauto/spr_pow.html

 

http://www.energiaodnawialna.republika.pl/napendy01.html

 

 

Autor: TEKST: MACIEJ STANISŁAWSKI