Nakręcane samochody

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:

• model Family, sześciososobowy, długość 3 840 mm, masa 750 kg, ładowność 500 kg, Vmax = 110 km/h, zasięg 200 do 300 km;
• model Taxi, również sześcioosobowy; pozostałe dane jak wyżej;
• VAN i PICK-UP, dwuosobowe; pozostałe dane jak wyżej…

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?

Autor: TEKST: MACIEJ STANISŁAWSKI