Współczesne kierunki rozwoju techniki samochodowej

Współczesne kierunki rozwoju techniki samochodowej

Maciej Menes
Instytut Transportu Samochodowego
WSPÓŁCZESNE KIERUNKI ROZWOJU TECHNIKI SAMOCHODOWEJ
Zdynamizowanie rozwoju techniki samochodowej jako rezultat globalnego kryzysu
finansowego. Nakłady sektora motoryzacyjnego na badania i rozwój. Podstawowe kierunki
rozwoju techniki samochodowej. Działania w zakresie ograniczenia energochłonności
i poziomu emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów samochodowych. Projekcja udziału
poszczególnych rodzajów napędu pojazdów samochodowych do 2050 roku. Kierunki
zmian konstrukcyjnych w poszczególnych kategoriach pojazdów samochodowych.
Działania w zakresie poprawy czynnego i biernego bezpieczeństwa pojazdów
samochodowych.
CONTEMPORARY DIRECTIONS FOR THE DEVELOPMENT
OF THE AUTOMOTIVE TECHNOLOGY
Dynamic development of automotive technology as a result of the global financial crisis.
Expenditures of the automotive sector on the research and development. Essential
directions of the development of the automotive technology. Actions towards limiting
energy consumption and the pollutants emission level from the motor vehicles. Projection
of the share of the individual types of motor vehicles drives by the 2050. Directions of the
design changes in the individual categories of the motor vehicles. Activities to improve
active and passive safety of the motor vehicles.
Transport Samochodowy 4-2011
Samochody są i w perspektywie najbliższych 20-30 lat bez wątpienia pozostaną
najważniejszym środkiem transportu zarówno, pasażerskiego, jak i towarowego. Ich liczba
w skali globalnej przekroczyła miliard sztuk i stale rośnie.
Dynamicznemu, szczególnie w ostatnich kilkunastu latach, rozwojowi ilościowemu
światowego parku samochodowego nie towarzyszyły zasadnicze zmiany jakościowe.
Dziesiątki drobnych innowacji i udoskonaleń nie było w stanie zastąpić braku
zasadniczego przełomu technicznego. „Przez wiele lat nie widać było perspektywy
zastąpienia czymś nowym techniki ruchu lądowego opartej na wykorzystaniu koła
i pojazdu poruszanego głównie silnikiem spalinowym” [1] .
Obfitość zasobów taniej ropy naftowej i zdolność przemysłu motoryzacyjnego do
zaspokajania rosnącego popytu na pojazdy wynikała przede wszystkim z osłabienia
dynamiki działań innowacyjnych. Nawet rezultaty wieloletnich badań naukowych nad
alternatywnymi źródłami energii i nowymi rodzajami napędu pozostawały
niewykorzystane [1].
Początek XXI wieku przyniósł zasadniczą zmianę sytuacji. Z jednej strony zdano sobie
sprawę, że w obliczu ogromnego wzrostu popytu, ekonomicznie dostępne zasoby ropy
naftowej na świecie w końcu się wyczerpią, a z drugiej strony negatywne skutki
środowiskowe rozwoju motoryzacji, w tym przede wszystkim emisje zanieczyszczeń do
atmosfery generowana przez tę gałąź transportu stały się jednym z podstawowych
krytycznych elementów przyszłego rozwoju społeczeństw. Krytycznymi elementami stały
się również zagrożenia drogowe powodowane przez pojazdy samochodowe, jak
i niewystarczająca zdolność przepustowa nawet rozbudowywanej infrastruktury drogowej.
Światowy przemysł motoryzacyjny podjął zakrojone na szeroką skalę badania i prace,
których rezultaty mają przynieść rozwiązania zaistniałych problemów. Tylko w 2008 roku
przemysł ten wydał na badania i rozwój kwotę ok. 80 mld euro, co stanowiło blisko 5%
jego globalnych obrotów (tabl. nr 1).
Tablica 1
Nakłady na badania i rozwój, wielkość obrotów oraz zatrudnienia w sektorach: motoryzacyjnym,
lotniczym i obronnym oraz ogółem w 2008 roku [4]
Table 1
Expenditures on the research and development, scale of turnover and employment in the following
sectors: automotive, aviation and defence as well as in general for the year 2008 [4]
Wyszczególnienie
Producenci samochodów
osobowych
Producenci części
motoryzacyjnych
Producenci pojazdów
użytkowych
Przemysł motoryzacyjny
Ogółem
Przemysł lotniczy
i obronny
Ogółem przemysł
Nakłady na badania
i rozwój
(w mld euro)
Świat
EU-27
53,0
20,9
Świat
1213
EU-27
423
Świat
2,76
EU-27
1,26
19,6
9,5
437
156
2,33
0,98
6,9
2,4
233
66
0,62
0,22
79,5
32,8
1883
645
5,70
2,50
15,6
7,5
379
129
1,75
0,55
431,0
130
13897
5712
45,1
21,0
20
Obroty
(w mld euro)
Liczba zatrudnionych
(w mln osób)
Współczesne kierunki…
Globalny kryzys finansowy, który rozpoczęło bankructwo we wrześniu 2008 roku
Banku Lehman Brothers, a który w sposób szczególnie dotkliwy dotknął przemysł
motoryzacyjny (międzynarodowe obroty tego przemysłu wg Światowej Organizacji
Handlu spadły w roku 2009 o 32%, do poziomu 847 mld dolarów, tj. poziomu z 2004 roku
[2]) postawił przed tym przemysłem konieczność radykalnej, w tym także technicznej
restrukturyzacji. Kryzys w światowej motoryzacji przyspieszył postęp techniczny w tej
branży i w perspektywie kilku lat spowoduje, że samochody będą nowocześniejsze, a ich
najnowsze wersje staną się bardziej dostępne. Paradoksalnie kryzys, który dotknął branżę
motoryzacyjną, powinien przyspieszyć zmiany, następujące dotąd stosunkowo powoli.
Osłabienie popytu na nowe samochody, zmniejszenie dostępności kredytów i związany
z tym regres przemysłu motoryzacyjnego wymusiły na firmach motoryzacyjnych szybkie
działania dostosowawcze – wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych i produktów –
tym bardziej, że od ich podjęcia często uzależniona jest rządowa pomoc dla
samochodowych koncernów.
W długoterminowej perspektywie kryzys z przełomu lat 2008/2009 wzmocni
motoryzację, zamiast – jak ma to miejsce w innych, schyłkowych branżach – przyczynić
się do jej upadku. Samochody pozostaną bowiem produktem potrzebnym. Sprostanie przez
transport drogowy coraz większej liczbie wyzwań możliwe będzie tylko dzięki rozwojowi
nowych rozwiązań technicznych.
Postęp w dziedzinie rozwiązań technicznych w ciągu najbliższych 25 lat będzie dużo
szybszy, aniżeli był w ciągu ostatnich 25 lat. Według prognoz w nadchodzących latach,
branża motoryzacyjna zainwestuje w rozwój rozwiązań technicznych czterokrotnie więcej
niż w rozbudowę zdolności produkcyjnych i dwukrotnie więcej niż w marketing i reklamę
[7].
Rozwój będzie wprawdzie procesem trwałym, ale idąca za nim implementacja nowych
rozwiązań będzie miała charakter skokowy, co wynikać będzie z progów (nie tylko
technicznych, ale również prawnych, finansowych, marketingowych a nawet mentalnych)
[3].
Doświadczenie ostatnich lat, jak również obecne działania przemysłu motoryzacyjnego
i analizy dotyczące jego najbliższej przyszłości wskazują, że podejmowane działania
innowacyjne koncentrują się na dwóch podstawowych zagadnieniach, a mianowicie:
- ograniczeniu energochłonności i poziomu emisji zanieczyszczeń z silników
pojazdów samochodowych,
- poprawie czynnego i biernego bezpieczeństwa pojazdów samochodowych.
Kierunki rozwoju technicznego ograniczającego energochłonność i poziom emisji
zanieczyszczeń z silników pojazdów samochodowych
W najbliższych kilkunastu latach będzie kontynuowana polityka stałego poszerzania
oferty produkowanych pojazdów samochodowych, zaprojektowanych w taki sposób, by
odpowiadały coraz bardziej zróżnicowanym potrzebom mobilności i popytu. Pojawi się
wiele nowych typów pojazdów, znacznie różniących się od dzisiejszych, a wiele z nich
będzie projektowanych dla konkretnych celów, np. do użytkowania w środowisku
miejskim. Pojazdy te napędzane będą nadal w większości tradycyjnymi silnikami
spalinowymi. Silniki te pozostaną w dającej się przewidzieć przyszłości konkurencyjne
i prawdopodobne jest, że ich udział w rynku transportowym pozostanie znaczny
szczególnie w perspektywie roku 2030. Silniki tego typu są dostosowane dla zasilania
zarówno konwencjonalnymi, jak i alternatywnymi paliwami kopalnymi, ale także do
21
Transport Samochodowy 4-2011
zasilania paliwami gazowymi i biopaliwami, w tym biogazem. Udoskonalenia w zakresie
wydajności energetycznej pojazdów wyposażonych w tradycyjne silniki spalinowe będą
wiec nadal niezwykle istotne.
Nie zmienia to faktu, że wiele grup środków transportu drogowego zostanie
zelektryfikowanych. Dotyczy to zwłaszcza samochodów osobowych, w tym przede
wszystkim pojazdów hybrydowych, wykorzystujących zarówno silniki konwencjonalne,
jak i silniki elektryczne [10]. Innowacyjne koncepcje projektowania nowych pojazdów
w celu zmniejszenia ich masy, będą uwzględniać oczywiście wykorzystanie lekkich
materiałów. W perspektywie krótkoterminowej nie można jednak spodziewać się
powszechnego wykorzystania lekkich materiałów kompozytowych. W perspektywie
długoterminowej materiały te mogą znaleźć powszechne zastosowanie również
w motoryzacji. Dzięki zastosowaniu nowej generacji materiałów (takich jak np. nanorurki
węglowe, grafen lub lżejsze i wytrzymalsze gatunki aluminium) oraz nowym materiałom,
które pojawiają się każdego roku dzięki szybkiemu postępowi w nanotechnologii
samochody staną się dużo lżejsze, a co za tym idzie szybsze oraz bardziej wydajne.
Szczególnie nadzieje wiąże się z grafenem, który jest niemal całkowicie przezroczysty
oraz niezwykle wytrzymały. Metody jego masowej produkcji są cały czas udoskonalane,
cena spada, czystość wyprodukowanych próbek wzrasta i wszystko to prowadzi do
szybkiego zastąpienia nim wielu obecnych materiałów.
Koncepcje pojazdów będą w coraz większym stopniu skupiać się na modułowych,
skalowanych, elastycznych i nisko masowych typach pojazdów, a upowszechnienie
innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych pozwoli na wykorzystanie nowych
„inteligentnych” materiałów oraz zaawansowanych technik produkcji części
samochodowych i ich montażu [3].
W ciągu ostatnich lat wdrażanych jest wiele różnorodnych rozwiązań technicznych,
prowadzących do ograniczenia energochłonności pojazdów samochodowych. Jeśli chodzi
o kwestie związane z silnikami to nadal jest możliwa dalsza, znaczna poprawa sprawności,
zarówno klasycznych silników spalinowych, jak i silników nowej generacji. Wprowadzane
ulepszenia to: optymalizacja procesu spalania, ograniczanie strat ciepła oraz odzysk ciepła,
ograniczanie strat mechanicznych, itp. Z tych też względów zarówno silniki o zapłonie
iskrowym, jak i o zapłonie samoczynnym, będą w najbliższych latach nadal dominować
wśród pojazdów wprowadzanych na rynek [3].
Ograniczenie zużycia paliwa przez samochód jako całość uzyska się m.in. dzięki:
odzyskowi energii hamowania, optymalizacji parametrów układów napędowych,
wzrastającej hybrydyzacji, zmniejszeniu oporów aerodynamicznych, stosowaniu nowych
generacji opon [3].
Ogół podejmowanych wysiłków przez przemysł motoryzacyjny w zakresie
zmniejszenia energochłonności i poziomu emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów
samochodowych podzielić można na dwie grupy, a mianowicie:
- postęp techniczny związany z doskonaleniem istniejących technik napędu pojazdów
samochodowych oraz pojazdów samochodowych jako takich poprzez: doskonalenie
silników spalinowych i metod oczyszczania spalin, zmniejszenie oporów
aerodynamicznych oraz zmniejszenie oporów toczenia pojazdów, zmniejszenie masy
pojazdów, doskonalenie technologii i materiałów układu: opona – nawierzchnia
drogowa, zwiększenie udziału samochodów napędzanych silnikami z zapłonem
samoczynnym (ZS) w przypadku samochodów osobowych, zasilanie silników gazem
ziemnym (NG), biopaliwami (biometan, bioetanol),
22
Współczesne kierunki…
- postęp związany z rozwojem nowych technik napędu pojazdów samochodowych za
pomocą energii elektrycznej, wodoru, czy też nawet odnawialnych nośników energii
takich jak energia słoneczna.
W grupie pierwszej podstawowe kierunki działań technicznych to rozwój:
- pojazdów niskoemisyjnych,
- pojazdów zasilanych biopaliwami nowych generacji,
- pojazdów zasilanych gazem ropopochodnym (LPG) i gazem ziemnym (NG).
W grupie drugiej podstawowe kierunki działań technicznych to rozwój:
- pojazdów hybrydowych,
- pojazdów elektrycznych,
- pojazdów zasilanych wodorem.
Pojazdy niskoemisyjne
Pojazdy niskoemisyjne to pojazdy charakteryzujące się przynajmniej poziomem emisji
tzw. Euro 1. Współcześnie niskoemisyjne samochody emitują mniej niż 120 g/km
dwutlenku węgla. Po roku 2020 natomiast warunek ten zostanie zaostrzony do
maksymalnie 95 g/km emisji dwutlenku węgla. W wyniku kompromisu koncerny
samochodowe mają zapewnić zmniejszenie emisji dwutlenku węgla do poziomu 130 g/km,
a pozostałe 10g zmniejszenia emisji dwutlenku węgla zapewnić mają koncerny paliwowe
poprzez stosowanie biododatków czy też koncerny oponiarskie przez wdrażanie nowych
ekologicznych opon.
Techniczne możliwości ilustruje tu przykład Hyundaia 130 CRDi, który na trasie 3 tys.
kilometrowego wyścigu Darwin-Adelaide zużył średnio 3,9 decymetra sześciennego oleju
napędowego na 100 km.
Pojazdy zasilane biopaliwami różnych generacji
Do biopaliw zaliczamy m.in.:
- biopaliwa pierwszej generacji, przede wszystkim: bioetanol i jego pochodne (estry)
oraz oleje roślinne i ich estry,
- biopaliwa drugiej generacji: bioetanol wytwarzany z surowców odpadowych, biogaz
(biometan), ciekłe paliwa zastępcze, będące wynikiem przeróbki biomasy,
- biopaliwa trzeciej generacji: biometanol, biowodór, otrzymywane podobnymi
metodami co paliwa drugiej generacji, z tą różnicą, że surowcami do ich produkcji
jest biomasa zmodyfikowana na etapie uprawy przy pomocy molekularnych technik
biologicznych (uprawa drzew o niskiej zawartości ligniny lub rozwój upraw
z wbudowanymi odpowiednio enzymami). Do trzeciej generacji biopaliw zalicza się
również paliwo produkowane przez glony (algi),
- biopaliwa czwartej generacji produkowane przez wyhodowane specjalne
mikroorganizmy.
Rozwiązaniami rokującymi szczególne nadzieje są biopaliwa trzeciej i czwartej
generacji, których produkcja oparta o nowoczesne biotechnologie zapewnia obok czystych
biologicznie paliw absorbcję dwutlenku węgla powodującego ocieplenie ziemskiego
klimatu.
Pojazdy zasilane gazem ziemnym (NG)
Gaz ziemny do napędu samochodów znajduje zastosowanie przede wszystkim
w krajach trzeciego świata. Według szacunków Międzynarodowego Stowarzyszenia na
Rzecz Samochodów Zasilanych Gazem Ziemnym (IANGV) w 2009 roku na świecie
23
Transport Samochodowy 4-2011
eksploatowano ok. 10,5 mln takich pojazdów, z tego 2,2 mln w Pakistanie, 1,7 mln w
Argentynie, 1,6 mln w Brazylii, 1,5 mln w Indonezji, 0,8 mln w Indiach, 0,7 mln w Iranie,
0,4 mln w Chinach. W Europie w eksploatacji takich samochodów przodują Włochy 0,6
mln pojazdów i Niemcy 85 tys. pojazdów. Prognozy cytowanego Stowarzyszenia
zakładają, że w 2020 roku 9% światowego parku samochodowego zasilane będzie gazem
ziemnym (ponad 100 mln pojazdów z tego 23 mln pojazdów w Europie).
Pojazdy zasilane LPG
LPG do zasilania silników samochodowych wykorzystywany jest w szczególności
w krajach, w których jego cena pozostaje konkurencyjna wobec cen innych paliw
ropopochodnych. Dotyczy to m.in. Polski, która z 2 mln tego typu pojazdów zajmuje
pierwsze miejsce na świecie (przed Koreą Południową 1,7 mln pojazdów i Włochami 1,2
mln pojazdów). Zastosowanie LPG zamiast benzyn silnikowych w samochodach
osobowych i w samochodach użytkowych o dopuszczalnej masie całkowitej do 3500 kg,
jest zasadne, ale nie powinno dotyczyć samochodów niskoemisyjnych. Technicznie
możliwe jest też stosowanie tego paliwa do pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej
powyżej 3500 kg, ale ze względu na koszty niezbędnych adaptacji nie wydaje się być to
w przypadku takich pojazdów rozwiązanie rozwojowe.
Pojazdy hybrydowe
Rozwijana od lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku technika pojazdów
hybrydowych pomimo pokładanej w niej nadziei, ze względu na wysokie koszty produkcji
- średnia cena samochodu z napędem hybrydowym wyższa (o 10-15%) w stosunku do
tradycyjnego odpowiednika, rozwinęła się jak na razie w niewielkim zakresie. Szacować
można, że na świecie eksploatowanych jest obecnie ok. 3 mln pojazdów hybrydowych
łączących napęd spalinowy z napędem elektrycznym, z tego 2,1 mln Toyot Prius oraz 500
tys. Hond Insight. Według prognoz firmy konsultingowej Alix Partners udział pojazdów
z napędem hybrydowym w światowym parku w 2025 roku wynosić będzie 7,7% (a więc
kilkadziesiąt milionów pojazdów). Większość takich pojazdów eksploatowanych będzie
w Japonii (26% tj. kilkanaście milionów pojazdów), w Stanach Zjednoczonych (6% parku,
to jest ok. 10 mln pojazdów) i zaledwie 3% w Europie (5-6 mln pojazdów).
Pojazdy zasilane wodorem
Nowa technika FCV – Fuel Cell Vehicles, w zasadzie opracowana w zakresie jednostek
napędowych wymaga jednak dalszych badań nad bezpiecznymi rozwiązaniami
dotyczącymi produkcji, magazynowanie i dystrybucji wodoru. Rozwijane są trzy systemy
zasilania wodorowego ogniw paliwowych: a) sprężonym do 3,5 MPa czystym wodorem
(Honda), b) skroplonym i utrzymywanym w temperaturze -253°C czystym wodorem
(BMW), c) nośnikami bogatymi w wodór (np. etanol) [1].
Obecnie niemal każda licząca się na rynku firma motoryzacyjna (m.in. Audi, BMW,
Daihatsu, DaimlerChrysler, Dongfeng, Fiat, Ford, GM, Honda, Hyundai, Kia, Mazda,
Mitsubishi, Nissan, PSA, Renault, Suzuki, Toyota, VW) prowadzi zaawansowane testy
pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, a opłacalność pojazdu FCV powoli zbliża
się do opłacalności współczesnych samochodów o napędzie hybrydowym. Wraz
z upowszechnianiem się ogniw paliwowych, pojazdy FCV staną się z pewnością bardzo
popularne. Zalety ogniw paliwowych jako napędu środków transportu to: duża sprawność
(65% dla ogniwa paliwowego w porównaniu z 35% dla silnika spalinowego), brak wibracji
i hałasu towarzyszącego wytwarzaniu energii, produkcja energii bezpośrednio
24
Współczesne kierunki…
napędzającej silniki elektryczne, brak spalania paliwa w czasie postoju, stałość momentu
obrotowego i wiele innych. Głównym problemem w komercjalizacji samochodów FCV
jest ich wysoka cena [8]. Jest to rozwiązanie drogie i jako takie raczej przyszłościowe (ok.
2040-2050 roku). Masowa produkcja pojazdów z napędem wodorowym jest brana pod
uwagę dopiero po 2020 roku [3].
Pojazdy elektryczne
Współcześnie największe nadzieje wiąże się z rozwojem techniki pojazdów
elektrycznych. Technika napędu elektrycznego samochodów ma ponad stuletnią historię.
Upowszechnienie tej techniki przede wszystkim ze względu na uciążliwość obsługową –
małą efektywność dysponowanych akumulatorów, ale również ze względu na koszty
nabycia, (chociaż dzięki dużej sprawności silników elektrycznych rzędu 75-80%, koszt
eksploatacji jest dziesięciokrotnie niższy od kosztów silników spalinowych), pozostaje
niewielkie. Od ponad dekady technika ta stała się ponownie przedmiotem zainteresowania
większości koncernów motoryzacyjnych, a także władz publicznych wszystkich szczebli.
W dalszym jednak ciągu technice pojazdów elektrycznych daleko do miana
rozwiązania sprawdzonego i niezawodnego. Istnieje wiele wątpliwości w odniesieniu do
tak kluczowych kwestii, jak:
- pojemność energetyczna akumulatorów w stosunku do zasięgu operacyjnego pojazdów,
- prędkość ładowania, trwałość i dostępność akumulatorów,
- poziom emisji zanieczyszczeń szczególnie emisji dwutlenku węgla w pełnym cyklu
produkcji i użytkowania energii elektrycznej,
- wpływ dodatkowego popytu na energię elektryczną na system energetyczny,
- koszty wprowadzenia na szeroką skalę.
Najbardziej krytycznym elementem techniki napędu elektrycznego pozostają
akumulatory. Znanych jest szereg rodzajów akumulatorów:
- ołowiowo-kwasowe,
- fosforanowo-litowo-jonowe,
- polimerowo-litowo-jonowe,
- żelazowo-fosforanowo-litowo-jonowe,
- litowo-jonowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA),
- z depolaryzacją powietrzną,
- REDOX, czyli z elektrodą utleniająco-redukcyjną.
Trudno w tej chwili o jednoznaczną ocenę, które z tych rozwiązań zdominuje przyszły
rynek.
Istnieje silna współzależność pomiędzy masą a mocą akumulatora. Współczynnik
korelacji wynosi 0,90, co jasno wskazuje, że dla większej mocy akumulatora niezbędna
jest jego większa masa. Przeciętna masa akumulatora pojazdu elektrycznego wynosi
obecnie ok. 280 kg, przy czym w przypadku pojazdu w pełni elektrycznego (EV)
przekracza 300 kg, podczas gdy w elektrycznych pojazdach hybrydowych nie przekracza
z reguły 150 kg [5]. Akumulatory takie zapewniają przynajmniej teoretycznie zasięg
pojazdu rzędu 100-150 km. Postęp techniczny w zakresie akumulatorów jest bardzo
dynamiczny, jednak pewne ograniczenia fizyczne trudno będzie w najbliższych latach
wyeliminować. Przeciętny czas ładowania akumulatora w przypadku elektrycznych
pojazdów hybrydowych (PHEV wynosi do 4,5 h i tym samym jest to niemal 2 h krócej niż
w przypadku pojazdów w pełni elektrycznych (EV, 6 h i 20 min.).
Wspominany zasięg pojazdów może znacznie różnić się od osiągów w rzeczywistych
warunkach. Ocenia się, że w praktyce zakres ten będzie wynosić 70-80% standardowej
25
Transport Samochodowy 4-2011
wartości (ograniczając tym samym zasięg pojazdu do około 70-120 km). Różnica ta jest
tłumaczona: modelami ładowania akumulatorów, zachowaniami kierowców, warunkami
atmosferycznymi oraz pokładowym zużyciem energii [9].
Kolejnym kluczowym zagadnieniem jest trwałość akumulatora. Obecnie baterie
zachowują sprawność najwyżej do 1000 cyklów rozładowania, ale uważa się, że do roku
2014 możliwy jest wzrost tej wartości do 3000-5000 cykli. Współczesny czas sprawności
akumulatora do 3 lat, według tych samych źródeł, w perspektywie roku 2014 wzrósłby do
ponad 10 lat. Obecnie trwają pracę nad stworzeniem opcji wykorzystywania
akumulatorów, które nie mogą być dłużej użytkowane w pojazdach jako magazynów
energii.
Współcześnie pojazdy elektryczne mają niewielki udział w liczbie produkowanych
i sprzedawanych samochodów. Wynika to przede wszystkim z niekorzystnych relacji
podstawowych parametrów współczesnych samochodów elektrycznych do ich
odpowiedników wśród samochodów konwencjonalnych. Dotyczy to zarówno: masy
pojazdów, osiąganych prędkości, a przede wszystkim cen ich zakupu i zasięgu
operacyjnego. Porównanie przedmiotowych danych przedstawiono w tablicy nr 2.
Moc (kW)
Liczba miejsc
Zasięg samochodu
z silnikiem
spalinowym (km)
Zasięg samochodu
elektrycznego
(km)
Czas osiągnięcia
prędkości 100
km/h (s)
Maksymalna
prędkość (km/h)
Pojemność
akumulatora
(kWh)
Masa pojazdu (t)
Cena (w tys €)
Nazwa
Wielkość pojazdu
S- mały M- średni
L-duży
Typ pojazdu
Tablica 2
Porównanie podstawowych parametrów pojazdów elektrycznych z parametrami pojazdów
wyposażonych w silniki spalinowe [5]
Table 2
Comparison of the essential parameters of the electric vehicles with the parameters of the vehicles
equipped with the combustion engines [5]
BMW Mini
One
BMW Mini-E
2010 Ford
Escape XLS
Ford Escape
EV
Volvo V70 2.4
ICE
S
14,6
1,135
/
186
10,5
/
741
4
72
FEV
ICE
S
L
B.d.
15,78
1,465
1,496
35
/
153
B.d.
8,5
8,9
175
/
/
585
2
5
150
128
PHEV
L
20
1,769
10
164
B.d.
48
/
5
B.d.
ICE
L
44,3
1,57
/
205
10,5
/
778
5
103
Volvo V70 EV
Renault
Kangoo
Authentique 1.6
8V 90
Renault
Kangoo Z.E.
Concept
Toyota Prius
ZHW3
Toyota Prius
Plug-In
Ford Focus 1.4
Ford Focus EV
PHEV
ICE
L
ML
48
14,99
1,955
1,412
11,3
/
161
159
9
15,8
50
/
/
741
5
5
107
64
FEV
M
B.d.
1,52
24
130
B.d.
160
/
5
70
Hybrid
M
25,45
1,445
/
180
10,4
/
1125
5
100
PHEV
M
34,75
1,38
5,2
170
10,9
23
/
5
82
ICE
FEV
S
S
15,5
28,5
1,229
1,552
/
23
164
100
14,1
8
/
160
803
/
5
B.d.
59
105
b.d. - brak danych
26
Współczesne kierunki…
Podczas gdy udział pojazdów w pełni elektrycznych w rynku pozostaje minimalny,
zaczynają rozwijać się inne, formy elektryfikacji rynku motoryzacyjnego:
- mikrohybrydy, czyli standardowe samochody wyposażone w tradycyjne silniki
spalinowe, wyposażone w mechanizm start – stop, ograniczający niepotrzebną pracę
silnika, np. w czasie postoju na czerwonym świetle;
- pojazdy hybrydowe wykorzystujące elektryczny napęd do wspierania silnika
spalinowego w sytuacjach, gdy niezbędna jest dodatkowa moc;
- pojazdy hybrydowe, wyposażone zarówno w elektryczny, jak i w konwencjonalny
układ napędowy; silnik elektryczny może funkcjonować samodzielnie zapewniając
napęd na krótkich dystansach i przy małych prędkościach. Akumulator ładowany jest
natomiast przez silnik spalinowy, a nie z zewnętrznej ładowarki;
- pojazdy hybrydowe elektryczne typu PHEV wykorzystujące zarówno napęd
elektryczny, jak i silnik spalinowy. Mogą one być ładowane z sieci bądź innego źródła
zewnętrznego, w związku z czym na ograniczonym dystansie mogą funkcjonować
niezależnie od silnika spalinowego, jednak po przebyciu tego dystansu, ładowane są
ponownie z silnika spalinowego. Po wyczerpaniu się akumulatora, pojazd napędzany
jest silnikiem spalinowym;
- pojazdy elektryczne typu EREV (pojazdy elektryczne o zwiększonych zasięgach)
wyposażone w elektryczny układ napędowy i funkcjonujące jedynie przy
wykorzystaniu energii elektrycznej. Wyposażone są również w silniki spalinowe, które
jednak służą jedynie doładowywaniu akumulatora, w celu zwiększenia zasięgu pojazdu;
- pojazdy w pełni elektryczne (EV) wyposażone wyłącznie w silnik elektryczny.
Wszystkie wymienione wyżej kategorie pojazdów łączy fakt wykorzystywania
akumulatorów do zasilania napędu elektrycznego (używanego w różnym stopniu), jednak
konfiguracja różni się w znacznym stopniu: z punktu widzenia inżynieryjnego, pojazdy
typu PHEV charakteryzuje większy stopień kompleksowości w porównaniu do pojazdów
typu EV czy EREV, ponieważ wyposażone są one w dwa, w pełni funkcjonalne układy
napędowe. Co więcej, pojazdom typu PHEV koncepcyjnie bliżej do klasycznych pojazdów
z silnikami spalinowymi, aniżeli do pojazdów typu EREV czy FEV, jako że pojazdy typu
PHEV łączą w sobie cechy zarówno pojazdów z konwencjonalnymi silnikami
spalinowymi, jak również cechy pojazdów elektrycznych [5].
Prognozowaną strukturę różnych rodzajów napędu pojazdów samochodowych, w latach
2020-2050 ilustrują dane tablicy nr 3.
Tablica 3
Zakładany udział nowych pojazdów, wykorzystujących różne rodzaje napędu w l. 2020-2050 [10]
Table 3
Envisaged share of the new vehicles, utilising various types of drives for the years 2020-2050 [10]
Samochody osobowe
Autobusy
2020
52% ZI/ZS
2% LPG/CNG
32% HEV
12% PHEV
2% EV
0% FCEV
46% ZS
8% CNG
40% HEV
5% EV
27
2030
29% ZI/ZS
3% LPG/CNG
42% HEV
19% PHEV
5% EV
2% FCEV
20% ZS
5% CNG
50% HEV
10% EV
2050
2% ZI/ZS
4% LPG/CNG
24% HEV
50% PHEV
10% EV
10% FCEV
0% ZS
0% CNG
25% HEV
35% EV
Transport Samochodowy 4-2011
Motocykle
Samochody dostawcze
Pojazdy ciężarowe średniotonażowe
Pojazdy ciężarowe wysokotonażowe
2020
1% FCEV
99% ZI
1% EV
0% FCEV
67% ZS/ZI
20% HEV
8% PHEV
5% EV
0% FCEV
72% ZS
1% CNG
20% HEV
5% PHEV
2% EV
0% FCEV
84% ZS
1% CNG
15% HEV
0% FCEV
2030
15% FCEV
84% ZI
8% EV
8% FCEV
45% ZS/ZI
30% HEV
15% PHEV
8% EV
2% FCEV
41% ZS
2% CNG
35% HEV
15% PHEV
5% EV
2% FCEV
50% ZS
2% CNG
40% HEV
8% FCEV
2050
40% FCEV
15% ZI
35% EV
50% FCEV
3% ZS/ZI
12% HEV
50% PHEV
25% EV
10% FCEV
1% ZS
4% CNG
10% HEV
35% PHEV
25% EV
25% FCEV
0% ZS
5% CNG
60% HEV
35% FCEV
ZI – samochody z silnikami z zapłonem iskrowym, ZS – samochody z silnikami z zapłonem samoczynnym,
LPG/CNG – samochody zasilane gazem, HEV – samochody hybrydowe (np. etylina-gaz), PHEV samochody
hybrydowo-elektryczne, EV – samochody elektryczne, FCEV – samochody z silnikami zasilanymi wodorem,
Podstawowe kierunki rozwoju technicznego w zakresie ograniczania energochłonności
i emisji zanieczyszczeń z silników w poszczególnych kategoriach pojazdów
samochodowych przedstawiają się jak poniżej.
Samochody osobowe
W odniesieniu do nowych samochodów osobowych można przewidywać, że wiele
spośród rozwiązań aktualnie wdrażanych w tradycyjnych silnikach spalinowych zostanie
rozwiniętych w ciągu kolejnych 10 lat, jako wynik konieczności dostosowania się do stale
zaostrzanych przepisów ograniczających energochłonność oraz poziom emitowanych
zanieczyszczeń.
Aktualnie nie istnieją jednoznaczne oznaki rzeczywistych zmian w zakresie średnich
gabarytów i mas pojazdów. Fakt, iż przyszły, przeciętny pojazd elektryczny nie będzie
znacznie cięższy od współczesnych samochodów, sugeruje, że znaczne masy
akumulatorów pojazdów elektrycznych kompensowane będą ograniczeniem masy innych
elementów pojazdu jak również to, że w przyszłości na rynku funkcjonować będzie
większa liczba małych pojazdów niż współcześnie [5].
Popyt na pojazdy spalinowo-elektryczne i całkowicie elektryczne, szczególnie pojazdy
obsługujące przewozy aglomeracyjne, stopniowo rośnie. Jednakże z powodu długiego
okresu trwałości pojazdów (15 lat), elektryfikacja parku pojazdów osobowych ma i będzie
mieć charakter stopniowy. Nie zmienia to faktu, że już obecnie na świecie opracowano sto
kilkadziesiąt modeli samochodów elektrycznych, z których kilkanaście trafiło już do
masowej produkcji. Zestawienie tych samochodów zawiera tablica nr 4.
Pojazdy zasilane wodorem oraz ogniwami paliwowymi nie zostaną w horyzoncie roku
2030 pomimo ich zalet technicznych wprowadzone na komercyjną skalę, z powodu
wyższych kosztów, a w przypadku wodoru także z powodów związanych
z bezpieczeństwem sieci jego dystrybucji [3].
28
Współczesne kierunki…
Szacuje się, że do 2020 roku na europejskich drogach pojawi się 5 milionów pojazdów
elektrycznych (około 2% całego europejskiego parku samochodów osobowych) [3].
Oczekuje się, że do roku 2030 ponad 20% sprzedawanych nowych samochodów
osobowych stanowić będą samochody elektryczne lub hybrydowe [3]. Pojawią się nowe
typy samochodów zaprojektowanych dla potrzeb krótkich podróży lokalnych.
Rozwijane będę nowe koncepcje wyspecjalizowanych pojazdów, dostosowanych do
potrzeb konsumenta, z różnymi funkcjami i w różnych formach, z przewagą mniejszych
pojazdów w środowisku miejskim. Przykładowo, pojawią się pojazdy samochodowe
dostosowane do ograniczonych wymogów osób starszych. Zwiększenie różnorodności
pojazdów dostosowanych do określonych potrzeb dotyczyć będzie również transportu
publicznego. Pojawią się projekty modułowych autobusów pozwalających na użytkowanie
pojazdów lepiej dopasowanych do środowiska miejskiego i konkretnego popytu na
mobilność.
Pojazdy są i będą w coraz większym stopniu związane zarówno ze środowiskiem
w którym będą eksploatowane, jak i z samymi pasażerami. Informacje otrzymywane przez
pojazd będą mogły być spersonalizowane, celem dystrybucji do poszczególnych
pasażerów, także w pojazdach publicznych.
Tablica 4
Zestawienie projektowanych, w tym również już produkowanych, samochodów elektrycznych
na świecie u progu drugiej dekady XXI wieku [5]
Table 4
Compilation of the electrical cars being designed as well as those already in production
in the world, at the threshold of the second decade of the XXI century [5]
Aptera 2h
Audi E-tron
Audi Metroproject Quattro
Audi A1 Sportback
BAIC BE701
BMW 1 Series Concept Active E
electric coupe
BMW Megacity
BMW Mini-E
BMW Vision
Bright Automotive Idea
BYD Auto e6
BYD F3DM
Capstone CMT-380
Chery Auto Co. S18/M1
Chevrolet Volt
Chrysler GEM
Chrysler Town & Country
Chrysler 200C
Chrysler Jeep Patriot
Chrysler Jeep Wrangler Unlimited
Citroen C-Zero
Citroen C-Zero City Car
Citroën REVOLTE
Coda Automotive CODA
Commuter Cars Tango
Fisker Project Nina
Ford Escape
Ford Focus EV
Ford Transit Connect
General Motors Cadillac
Converj
GM Saturn Vue Green Line
Renault Kangoo ZE
Renault Zoe Z.E. Concept
Renault Zoe Z.E.
REVA NXG
REVA NXR
Green Vehicles Moose
Green Vehicles Triac
Herpa Trabant nT
Heuliez Mia
Hyundai Blue-Will
Jaguar XJ
RUF Stormster
Saab ZE 9-3
SABA Carbon Zero
SAIC Roewe 750
SEAT Ibe
SEAT León ‘Twin Drive
Ecomotive’
Suzuki Swift
Tata Indica
Tata Nano
Tazzari Zero
Kia Ray
Kia Venga
Land Rover Range Rover Sport
Lightning UK Electric
Lightning GT
Lotus Evora 414E hybrid
Mercedes Benz F 800
Mercedes Benz F 800
Mercedes Benz SLS eDrive
Miles Electric (ZX40S)
Mindset AG Mindset
Mitsubishi iMiEV
Mitsubishi PX-iMiEV
Nissan Leaf
29
Rinspeed UC?
Tesla Motors Roadster
Tesla S Electric Sedan
Th!nk City C
Toyota 1/X
Toyota FT-EV city car
Toyota Prius Plug-in
Valmet EVA
Velozzi Solo crossover
Velozzi Supercar
Transport Samochodowy 4-2011
CT&T United e-Zone with lead-acid
battery
CT&T United e-Zone with lithium
polymer battery
Daimler Smart ED
NLV Quant
VentureOne/Persu Mobility
Opel Ampera
Venturi Fetish
Opel Flextreme
Daimler Mercedes Benz Blue Zero
Daimler Mercedes Benz S500 Vision
Detroit Electric e63
Detroit Electric e64
EWE-E3
e-WOLF e2
Fiat 500
Optimal Energy Joule
Peugeot ion City Car
Pininfarina/Bollore BlueCar
Porsche 918 Spyder
Protoscar SA Lampo2
Renault Fluence Z.E. Concept
Renault Fluence ZE EV
Visionary Vehicles/Bricklin
Collection
Volkswagen Twin Drive
Volvo C-30 electric car
Volvo ReCharge
Volvo V70
VW Up! (E-Up!)
XR-3 Hybrid
Pojazdy ciężkie
Układy napędowe ciężkich i przeznaczonych na długie dystanse pojazdów
ciężarowych, w dającej się przewidzieć przyszłości, z powodu ograniczeń w zakresie
magazynowania energii i długiego czasu ładowania akumulatorów pojazdów
elektrycznych, nadal będą oparte na tradycyjnych silnikach spalinowych. Będą to jednak
zaawansowane silniki nowych generacji o bardziej efektywnym zużyciu paliwa, o 30%
wydajniejsze niż w roku 2005. Do roku 2030 typowy układ napędowy samochodu
ciężarowego będzie zintegrowaną jednostką, wykorzystującą zaawansowany system
kontroli, optymalizujący jego funkcjonowanie i zużycie paliwa. Układ będzie się składał
z wydajnego energetycznie silnika spalinowego oraz z wydajnego układu wydechowego,
zapewniającego niskie emisje. Silnik będzie dostosowany do różnego rodzaju paliw
alternatywnych oraz mieszanek paliw. Będzie wymagał wydajnych i kompatybilnych
z wieloma typami paliw, smarów [3].
Z drugiej strony oczekuje się jednak pewnego poziomu hybrydyzacji również
w długodystansowym transporcie samochodowym. Ciężkie pojazdy ciężarowe są
wyposażone w silniki dużych mocy, celem sprostania ekstremalnym warunkom, jakie
mogą napotkać w trakcie ich eksploatacji. W przyszłości samochody ciężarowe
wyposażone będą w dodatkowe silniki elektryczne, zasilane m.in. energią odzyskiwaną
z układów hamulcowych czy układów grzewczych, które to silniki wspomagać będą pracę
silników spalinowych, w warunkach ekstremalnych. Umożliwi to zmniejszenie gabarytów
silników spalinowych, a co za tym idzie, także ich zapotrzebowania na paliwo. Silniki
spalinowe mniejszych pojemności wymagać będą jednak wysokiej jakości olejów
smarnych.
Wydajność energetyczna pojazdów ulegnie ponadto poprawie w wyniku:
- wykorzystywanie w coraz większym stopniu w projektowaniu pojazdów lekkich, super
wytrzymałych materiałów,
- rozwoju nowych paliw np. syntetycznych czy biopaliw kolejnych generacji,
- upowszechnienia się wykorzystania technologii informacyjno-komunikacyjnych, w tym
inteligentnych systemów zaimplementowanych w pojazdach [3].
W dalszej przyszłości przewiduje się zastosowanie również w samochodach
ciężarowych wodorowych ogniw paliwowych [3]. Obecne możliwości energetyczne ogniw
paliwowych oraz ich koszty spowodują, że do roku 2030 w transporcie ciężarowym będą
one jednak wykorzystane wyłączania do zasilania pomocniczych systemów pojazdów,
podczas wyłączenia silnika podstawowego [3].
Rozwój przyszłych jednostek napędowych dla ciężkich samochodów ciężarowych jest
uzależniony od rozwoju koncepcji pojazdów i transportu w ogóle. O zapotrzebowaniu na
30
Współczesne kierunki…
moc i wielkość momentu obrotowego silnika, decydować będą z jednej strony rosnące
gabaryty pojazdów, z drugiej zaś strony – poprawiająca się aerodynamika pojazdów, nowe
generacje opon itp.
Istotnymi czynnikami przyszłego rozwoju układów napędowych samochodów
ciężarowych będzie upowszechnienie się wykorzystania biopaliw. Konieczna będzie pełna
standaryzacja wymagań dotyczących tych paliw przynajmniej w skali kontynentalnej,
celem zapewnienia odpowiednich osiągów silników oraz ich bezproblemowej pracy.
W dalszej przyszłości zastosowanie znajdą prawdopodobnie również samochody
ciężarowe z silnikami zasilanymi energią elektryczną, pochodzącą ze źródeł zewnętrznych
(np. kabla lub szyny). Technika ta wymagać jednak będzie silników dużych mocy oraz
odpowiedniej infrastruktury.
Do roku 2030 zrealizowane zostaną koncepcje modularności pojazdów. Na pewno
w Europie, a być może i w skali światowej, wszystkie środki transportu towarowego
wyposażone będą w analogiczne interfejsy i będą mogły wykorzystywać różne moduły
transportowe. Na poziomie europejskim ustalone zostaną nowe standardy dotyczące mas
i gabarytów ciężkich samochodów ciężarowych i autobusów, co doprowadzi do znacznego
wzrostu możliwości transportowych. Zarówno samochody ciężarowe, jak i naczepy,
zostaną zoptymalizowane do potrzeb konkretnych przepływów transportowych, np.
ciężkich ładunków przewożonych na krótkich dystansach lub lekkich ładunków
przewożonych na długich dystansach [3].
Pojazdy będą budowane z lekkich materiałów konstrukcyjnych i będą charakteryzowały
się zoptymalizowaną aerodynamiką, wysoką trwałością i ograniczonymi oporami toczenia.
Wdrażanie nowych standardów masy i gabarytów ciężkich samochodów ciężarowych
oraz ich zestawów (tzw. „pociągów drogowych”) zwiększy w sposób znaczny ich
możliwości przewozowe. Wdrożenie wspomnianych nowych standardów może ograniczyć
liczbę realizowanych w Europie przez komercyjne pojazdy pojazdokilometrów o 8% do
10%, a emisje zanieczyszczeń z silników tych pojazdów o ok. 5% [3].
Lekkie pojazdy użytkowe
Do chwili obecnej również w grupie lekkich pojazdów użytkowych dominują silniki
spalinowe. Udoskonalenia w zakresie wydajności energetycznej lekkich pojazdów
użytkowych wyposażonych w silniki spalinowe związane są obok rozwoju i układów
napędowych również z doskonaleniem pojazdu jako takiego. Jak chodzi o układy
napędowe dotyczyć to będzie kwestii takich jak: zmienny współczynnik kompresji, wtrysk
bezpośredni, dezaktywacja cylindra, optymalizacja skrzyni biegów czy podwójne sprzęgło.
Ograniczenie energochłonności lekkich pojazdów użytkowych osiągnie się również
w wyniku poprawy ich aerodynamiki, obniżenia ich mas, w wyniku wykorzystania
lżejszych materiałów konstrukcyjnych i odzysku energii hamowania [10].
Udział pojazdów spalinowo-elektrycznych w tej grupie pojazdów zacznie w sposób
istotny wzrastać po roku 2030. Pojazdy w pełni elektryczne stanowić będą rosnącą część
parku taborowego, używanego w przewozach miejskich [3].
Przedmiotowe pojazdy będą w coraz większym stopniu miały charakter modułowy,
a ich gabaryty będą dopasowywane do warunków ruchu miejskiego oraz nowych modeli
miejskich przewozów dystrybucyjnych. W dalszej przyszłości należy liczyć się
z możliwością pojawienia się, szczególnie w obszarze przewozów dystrybucyjnych oraz
w przewozach intermodalnych, pojazdów dostosowanych do poruszania się zarówno po
drogach, jak i po torach [3]. Do roku 2030 udział pojazdów dwusystemowych,
zwiększających wydajność dystrybucji na obszarach miejskich, oraz przewozów
31
Transport Samochodowy 4-2011
intermodalnych nadal będzie stanowić nieznaczną część całego parku taborowego. Pojazdy
takie będą wykorzystywane przede wszystkim w obsłudze specyficznych niszowych
potrzeb przewozowych [3].
Kierunki rozwoju technicznego poprawiającego bezpieczeństwo czynne i bierne
pojazdów samochodowych
Producenci pojazdów samochodowych prowadzą intensywne prace rozwojowe
zarówno w obszarze bezpieczeństwa czynnego, jak i biernego samochodów.
Bezpieczeństwo czynne obejmuje wszystkie czynniki, które mają na celu zmniejszenie do
minimum prawdopodobieństwa wystąpienia kolizji lub wypadku drogowego.
Bezpieczeństwo bierne obejmuje rozwiązania techniczne, które ograniczają skutki
zaistniałego wypadku drogowego.
Podstawowym kierunkiem działań w zakresie poprawy zarówno bezpieczeństwa
czynnego, jak i biernego pojazdów samochodowych jest współcześnie coraz szersze ich
wyposażanie w coraz bardziej złożone systemy informatyczne, które obok funkcji
informacyjno-komunikacyjnych przejmują w stale rosnącym zakresie funkcje
bezpośredniego zautomatyzowanego sterowania pojazdem samochodowym. Podstawą tego
kierunku działania jest dynamiczny rozwój elektroniki i informatyki. Podejmowane
badania mają na celu rozwój oprogramowania gwarantującego odpowiednie, niezawodne
działanie systemów w sytuacjach występowania krytycznych zagrożeń.
Już obecnie wiele najnowszych modeli samochodów wyposażonych jest w pierwsze
generacje przeróżnego typu sensorów, czujników, które wspomagają kierowcę w różnych
sytuacjach drogowych, np. w procesie parkowania lub alarmują go w momencie
zaistnienia sytuacji niebezpiecznych takich np. jak zmiana toru jazdy czy pojawienie się
przeszkody. Zwiększaniu niezawodności czujników powinno przy tym towarzyszyć
w skali światowej ograniczenie nadmiaru stosowanych rodzajów oraz systemów
identyfikacji.
Docelowym kierunkiem działania (testowanym zresztą już w praktyce), będzie pełne
zautomatyzowanie pojazdu samochodowego. Początkowo rozwiązania umożliwiające ten
– wydający się dla niektórych niemożliwy w najbliższym czasie – skok technologiczny
pojawią się w pojazdach należących do firm transportowych, w kolejnym etapie technika
ta będzie wykorzystywana w pojazdach indywidualnych poruszających się na mniej
uczęszczanych drogach pozamiejskich, aby ostatecznie umożliwić skorzystanie
z autopilota na zatłoczonych ulicach miast. Wymagać to będzie komputerów opartych np.
na procesorach grafenowych, które dzięki zwiększonej mocy obliczeniowej będą w stanie
poradzić sobie z ogromną liczbą kombinacji potencjalnych sytuacji drogowych w jakich
może znaleźć się pojazd. Badania nad systemami zautomatyzowanego sterowania
samochodami prowadzi już od szeregu lat m.in. ośrodek badawczy Mercedesa
w Stuttgarcie. Badania dotyczą zarówno pojedynczych systemów takich jak np.
zamontowany w koncepcyjnym Mercedesie F-700 system składający się z laserów
skanujących powierzchnię drogi pojazdu i adapterów które sterują ustawieniem układu
zawieszenia samochodu dostosowanym do wyników skaningu, jak również systemów
złożonych automatyzujących w mniejszym lub większym stopniu cały proces sterowania
pojazdem.
System kamer i czujników zamontowanych w samochodzie na bieżąco skanuje jego
otoczenie. W pamięci komputera pokładowego zapisano około miliona typowych sytuacji,
32
Współczesne kierunki…
drogowych które mogą wystąpić w trakcie poruszania się pojazdu po sieci drogowej.
W oparciu o zgromadzone dane komputer steruje samochodem bez udziału kierowcy.
Oparty na tej technice system zapobiegania kolizji pojazdu z pieszym montowany jest
już w produkowanym w skali masowej samochodzie Volvo S60. W momencie wykrycia
przez kamery przed maską pieszego system najpierw ostrzega kierowcę zarówno sygnałem
akustycznym, jak i sygnałem świetlnym i jeśli nie odnotuje reakcji kierowcy, sam
powoduje naciśnięcie pedału hamulca pojazdu. System ten noszący nazwę Pederastian
assist działa do prędkości 30 km/h.
Dotychczasowe osiągnięcia Volvo w zakresie bezpieczeństwa pojazdu należą do
przodujących w świecie (trudno przewidzieć czy innowacyjność Volvo zostanie utrzymana
przez nowego chińskiego właściciela marki). Nie zmienia to faktu, że jak na razie za
najbezpieczniejszy samochód świata uznaje się koncepcyjny pojazd Volvo SCC.
Pojazd ten wyposażony jest w układ mający zapewnić kierowcy maksymalny komfort
podróży oraz dobrą widoczność. Optymalne ustawienie fotela kierowcy dokonuje się
w oparciu o skaning położeniu oczu kierowcy oraz budowy jego ciała. Do budowy
anatomicznej kierowcy również w sposób automatyczny dostosowywane jest położenie
pedałów, kierownicy oraz środkowej części konsoli. Ustawienia te mogą być
modyfikowane przez kierowcę w zależności od jego indywidualnych potrzeb.
Zmodernizowana została również konstrukcja samego pojazdu. Słupki boczne pojazdu
wykonano ze stali połączonej z pleksiglasem. Pozwala to na ograniczenie tak zwanego
martwego pola widzenia. Samochód wyposażono również w lusterka wsteczne
z czujnikami oraz kilka kamer zamontowanych z tyłu pojazdu. Czujniki zainstalowane
w lusterkach oraz w tylnym zderzaku informują kierowcę o obiektach znajdujących się za
pojazdem. Podczas cofania pojazdu na jednym monitorze umieszczonym na konsoli
wyświetlany jest obraz rejestrowany przez dwie zamontowane na różnej wysokości
kamery.
Samochód wyposażono również w: system Driver Alert Control (DAC) zapobiegający
niekontrolowanemu zasypianiu kierowcy, system Lane Departure Warning (LDW)
czuwający nad zachowaniem toru jazdy samochodu oraz system Collision Warning
System oparty o zestaw radarów rejestrujących pojawianie się przeszkód w obszarze toru
jazdy pojazdu, zdolny w przypadku opóźnionej lub niedostatecznej reakcji kierowcy do
zdynamizowania działania układu hamulcowego samochodu.
Dla poprawy widoczności, SCC wyposażono w reflektory automatycznie
dostosowujące się do warunków panujących na drodze. Jeżeli pojazd porusza się z dużą
prędkością po autostradzie jego światła świecą długim i wąskim strumieniem, jeżeli
natomiast pojazd porusza się z niewielką prędkością, światła oświetlają krótki odcinek
drogi ale bardzo szerokim strumieniem światła. Reflektory obracają się zgodnie
z kierunkiem skrętu samochodu oświetlając skuteczniej tor jego jazdy. Pojazd wyposażono
również w kamerę na podczerwień zapewniającą widoczność drogi w ciemności zbliżoną
do widoczności w warunkach dziennych. Obraz z kamery wyświetlany jest na monitorze
znajdującym się na desce rozdzielczej.
Samochód wyposażono obok kompletu poduszek powietrznych dla kierowcy oraz
wszystkich pasażerów także w poduszki powietrzne chroniące w przypadku najechania
pieszego. Poduszki powietrzne wewnątrz kabiny samochodu automatycznie dostosowują
swoje położenie w płaszczyźnie pionowej do wzrostu użytkowników pojazdu.
Po sukcesie Volvo SCC, koncern zaprezentował kolejne trzy swoje pojazdy. Są nimi
Volvo 3CC, Volvo YCC oraz Volvo VCC. Do samochodów tych konstruktorzy przenieśli
większość systemów bezpieczeństwa z Volvo SCC. Volvo 3CC jest małym pojazdem
33
Transport Samochodowy 4-2011
sportowym o napędzie całkowicie elektrycznym. VOLVO YCC (Your Concepct Car) to
samochód zaprojektowany przez kobietę dla kobiet. Zastosowano w nim wiele udogodnień
takich jak dodatkowe lusterka wewnątrz pojazdu, drzwi otwierające się do góry.
W rodzinnym samochodzie Volvo VCC (Versatility Concept Car) dach pojazdu wykonano
z półprzezroczystego szkła, na którym umieszczono baterie słoneczne z których energia
zasila układ oczyszczania powietrza wewnątrz pojazdu (VAAC).
Kolejnym nowatorskim systemem poprawiającym bezpieczeństwo jazdy jest
opracowany przez Saaba system DAWS, który dzięki czujnikom monitoruje ruchy głowy
oraz gałek ocznych kierowcy. W sytuacji, w której głowa i oczy kierowcy pozostają
odwrócone od głównej strefy uwagi czyli części środkowej przedniej szyby pojazdu, po
upływie dwóch sekund system wprawia w wibracje fotel kierującego. Drgania ustają kiedy
kierowca zwróci wzrok w kierunku jazdy. W system wyposażony został Saab 9-3 Sport
Combi. Będzie on testowany w rzeczywistych warunkach w trwającym osiem miesięcy
programie testów drogowych.
Saab opracował również system AlcoKey, polegający na zautomatyzowanym pomiarze
poziomu alkoholu w wydychanym przez kierowcę powietrzu i warunkującym w zależności
od wyniku pomiaru, uruchomienie silnika.
Jednym z pierwszych stosowanych masowo w samochodach popularnych systemów
bezpieczeństwa jest system ABS (Anti-Lock Braking System). Zapobiega on blokowaniu
się kół pojazdu podczas hamowania. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych XX wieku zaczęto
wprowadzać na szeroką skalę powiązany z nim system BAS (Brake Assist System).
Wspomaga on hamowanie pojazdu w sytuacji awaryjnej, podnosi ciśnienie w układzie
hamulcowym i umożliwia szybsze zatrzymanie pojazdu. Ważnym systemem wpływającym
na bezpieczeństwo jazdy, montowanym już w przemysłowej skali jest system ASR
(Acceleration Slip Regulation, nazywany także, w zależności od producenta: TCS, TC,
ASC). Jest to system kontroli trakcji, który nie dopuszcza do nadmiernego poślizgu kół
pojazdu podczas przyspieszania. System ten pojawił się na szerszą skalę w połowie lat
dziewięćdziesiątych XX wieku w autach klasy Premium (BMW, Mercedes, Audi).
W pierwszych latach XXI wieku kontrolę trakcji zaczęto montować również w tańszych
modelach popularnych marek. W powiązaniu z systemem kontroli trakcji działa też ESP
(Electronic Stability Program). Jest to system stabilizacji toru jazdy, który niezależnie od
kierowcy przyhamowuje jedno lub kilka kół, naprowadzając pojazd na zadany tor jazdy.
Rozwinięciem systemu ESP jest RSC (Roll Stability Control), system który zapobiega
dachowaniu pojazdu i działa na podobnej zasadzie jak ESP. W przypadku, gdy jednak
dojdzie do przewrócenia pojazdu, ochronę kierującego i pasażerów zapewnia system
ROPS (Roll Over Protection Structure), aktywujący napinacze pasów bezpieczeństwa, oraz
uruchamiający kurtyny boczne. System ACC (Adaptive Cruise Control) utrzymuje zadaną
prędkość pojazdu i w razie potrzeby zmniejsza ją w celu zachowania bezpiecznego odstępu
między samochodami. Systemy WHIPS (Whiplash Protection System) oraz SAHR (Saab
Active Head Restraint) chronią kręgosłup i kręgi szyjne osób znajdujących się w pojeździe
ulegającemu wypadkowi. Jako pierwsze systemy te zaczęły rozwijać szwedzkie koncerny
Saab i Volvo. Te same firmy opracowały system SIPS (Side Impact Protection System).
Jego zadaniem jest ograniczenie negatywnych skutków bocznego zderzenia samochodu.
Konstrukcja samochodu została zaprojektowana i wzmocniona tak, by przemieścić siłę
zderzenia bocznego z miejsc zajmowanych przez pasażerów w inne części nadwozia
pojazdu.
TPMS czyli Tire Pressure Monitoring System monitoruje za pomocą czujników
uplasowanych w zaworach opon ciśnienie w oponach. Bezpieczeństwo przewożonych
34
Współczesne kierunki…
dzieci zwiększa system ISOFIX. Jest to międzynarodowy standard mocowania fotelików
do przewożenia dzieci. W systemie tym fotelik jest elementem struktury nadwozia.
Standardem, nawet w niższych klasach pojazdów stały się już dwustopniowe poduszki
powietrzne kierowcy i pasażera. Napełniają się one adekwatnie do siły uderzenia.
Powszechnym wyposażeniem, nawet w tańszych modelach samochodów popularnych
marek stały się też kurtyny boczne. Ich zadaniem jest ochrona głów podróżnych
siedzących na bocznych siedzeniach z przodu lub z tyłu pojazdu.
Kolejnym systemem mającym poprawić bezpieczeństwo w ruchu drogowym jest
system EPP, który ma za zadanie ochronę pieszego w przypadku najechania przez
samochód. System składa się z czujników przyspieszenia montowanych w przedniej części
pojazdu oraz ze sterownika, który uwalnia w sposób błyskawiczny mechanizm podnoszący
pokrywę silnika. Dzięki takiemu rozwiązaniu ciało poszkodowanego trafia na strefę
zgniotu pojazdu absorbującą w większym stopniu siłę uderzenia. System ten montowany
jest już w samochodach wyższej klasy produkowanych np. przez BMW.
Niewątpliwym przyszłościowym kierunkiem działań technicznych poprawiających
bezpieczeństwo pojazdów samochodowych będzie postępująca integracja funkcjonujących
już dzisiaj poszczególnych systemów. Przykładem może być tu rozwój Advanced Driving
Assistance System (ADAS), zaawansowanego systemu wspierającego kierowcę,
składającego się z trzech systemów: Lane Keeping Assistance (LKA) czuwającego nad
utrzymaniem toru jazdy pojazdu, Adaptive Cruise Control (ACC) adaptacyjnego
tempomatu wykorzystującego radar, który umożliwia utrzymanie bezpiecznego dystansu
do pojazdu poprzedzającego, Collision Mitigation Brake System (CMBS) modyfikującego
w zależności od potrzeb działanie układu hamulcowego samochodu.
Do roku 2030 większość samochodów zostanie wyposażona w omawiane systemy
bezpieczeństwa, ale ich technologiczne zaawansowanie zależeć będzie od klasy pojazdu.
Pojazdy klas średniej i wyższych będą standardowo wyposażone w pokładowe
Zaawansowane Systemy Wspierania Kierowcy. W przypadku pojazdów klas niższych,
zaawansowane systemy będą dostępne opcjonalnie.
Od 2015 roku przynajmniej na obszarze Unii Europejskiej wprowadzane będą bodźce
i regulacje wspierające wyposażanie pojazdów w systemy zapewniające współdziałanie
układu samochód-droga. Do 2030 roku około 90% sieci drogowej powinno posiadać
możliwości współpracy z systemami pokładowymi samochodów [3].
Powszechna aplikacja wspomnianych rozwiązań będzie miała miejsce zarówno na
poziomie komponentów/pojazdów, jak i na poziomie systemów (np. w logistyce
i w zarządzaniu ruchem). Wprowadzenie tzw. „inteligentnych pojazdów”, które będą
mogły optymalizować swoje osiągi w zależności od sytuacji w ruchu drogowym powinno
w istotny sposób ograniczyć ryzyko występowania wypadków drogowych. Niemal cały
tabor transportu towarowego i polowa taboru transportu pasażerskiego wyposażone będą
w pokładową technologię pozycjonowania. Powszechna stanie się komunikacja pojazdpojazd oraz pojazd-infrastruktura [3].
Pojazdy samochodowe zostaną całkowicie zintegrowane z systemem transportowym:
będą wystarczająco inteligentne, by „wyczuwać” otoczenie oraz bezpiecznie i wydajnie
funkcjonować w ruchu drogowym, przy jednoczesnym zapewnieniu pasażerom
komfortowych warunków podróżowania. Podróżujący uzyskują możliwość płynnego
przejścia od funkcjonowania poza pojazdem do funkcjonowania wewnątrz pojazdu i viceversa. Pojazd będzie skomunikowany on-line nie tylko z innymi pojazdami (komunikacja
pojazd-pojazd) i z infrastrukturą transportową (komunikacja pojazd – infrastruktura), ale
również z miejscami zamieszkania, podmiotami gospodarczymi oraz innymi źródłami
35
Transport Samochodowy 4-2011
danych (komunikacja pojazd – inne). Dzięki skomunikowaniu on-line pojazd zapewni
kierowcy wsparcie, poprzez dostarczanie mu w sposób zautomatyzowany informacji
dotyczących sytuacji drogowych, co w istotnej skali poprawi bezpieczeństwo ruchu
drogowego oraz jakość świadczonych usług.
Wraz z zasygnalizowanym istotnym zwiększeniem wachlarza eksploatowanych
pojazdów samochodowych (od miejskich mini samochodów do „pociągów drogowych”)
coraz większego znaczenia będzie nabierać „kompatybilność zderzeniowa” pojazdów.
Postęp w tym zakresie uwzględniać będzie również problemy niechronionych uczestników
ruchu drogowego. Kluczowym działaniem będzie tu odpowiednie projektowanie
pojazdów, ale nie bez znaczenia będzie również wydajne zarządzanie infrastrukturą
transportową, np. segregacja różnego rodzaju ruchu drogowego.
Pojazdy są i będą projektowane, wyposażane i zarządzane tak, by były coraz bardziej
wytrzymałe w przypadku kolizji, nawet przy dużej prędkości.
Kierunki rozwoju pojazdów samochodowych opisane powyżej opierają się na obecnie
istniejących rozwiązaniach technicznych. Liczba odkryć oraz narastająca dynamika
postępu w ostatnich latach czyni jednak wysoce zasadnym założenie o pojawieniu się
wynalazków, które zrewolucjonizują motoryzację w sposób trudny obecnie do
przewidzenia.
Jednym z takich hipotetycznych kierunków rozwoju motoryzacji może być np.
zastąpienie układu koło-droga poduszką powietrzną wytwarzaną przez nadprzewodniki
działające w temperaturze otoczenia [6].
LITERATURA:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Burnewicz J.: Innovative Perspective of Transport and Logistics. Wyd. Uniwersytetu
Gdańskiego, Gdańsk 2009
Comite des Constructeurs Francaise d’Automobiles: The French Automotive Industry
Analysis and Statistics, Paryż 2011
Europejska Rada Doradcza d/s Badań w Transporcie Drogowym (ERTRAC)
EU Scoreboard 2009 DG RTD-IPTS, 2009
Gruning M., Witte M., Marcellino D., Selig J., Essen H.: Impacts of Electric Vehicles,
zadanie 1 projektu An overview of electric vehicles on the market and its development,
Delft, kwiecień 2011
Kaku M.: Fizyka przyszłości. Nauka do 2100 roku, Prószyński i Spółka, Warszawa 2011
Przyjazna motoryzacja – http://www.przyjaznamotoryzacja.pl/layout/set/print/motoryzacja-abezpieczenstwo
Ogniwa paliwowe (fuel cells) – http://www.ogniwapaliwowe.com
Nemery F., Brons M.: Plug in Hybrid and Battery Electric Vehicles. Market Penetration
scenarios of electric drive vehicles. Komisja Europejska, Joint Research Center Institute for
Prospective Technological Studies, 2010
Skinner I, Van Hessen H., Smokers R., Hill N.: Towards the decarbonisation of EU’s
Transport Sector by 2050, Komisja Europejska, Bruksela 2010
36