Świat motoryzacji koncentruje się na elektromobilności, jednak jej rozwój napotyka problemy, a pojazdy elektryczne mają także swoje wady. Dlatego wielu producentów nie zrezygnowało jeszcze z silników spalinowych i kontynuuje prace nad technologiami, które pozwolą zwiększyć ich efektywność oraz zminimalizować wpływ na środowisko.
Zgodnie z nowymi przepisami unijnymi wprowadzanie na rynek samochodów emisyjnych będzie stopniowo ograniczane. Do 2030 roku producenci są zobowiązani do ograniczenia emisji CO2 wytwarzanych pojazdów o 55% w przypadku samochodów osobowych i o 50% dla lekkich aut dostawczych. Ogłoszona w Unii Europejskiej norma Euro 7 ma spowodować wzrost kosztów produkcji samochodów spalinowych po 2025 r., a stopniowa redukcja średnich emisji CO2 do 0 g CO2/km do 2035 r. spowoduje, że w państwach członkowskich będzie można rejestrować wyłącznie samochody z ekologicznym napędem, np. zasilane na wodór czy energią elektryczną. Pewną alternatywą mogą się jednak okazać ekologiczne silniki spalinowe.
Ekologiczne silniki spalinowe – czym są i jak działają?
Ekologiczne silniki spalinowe to takie jednostki, które zostały zaprojektowane lub zmodyfikowane w celu zmniejszenia emisji szkodliwych substancji. Obejmuje to zarówno tradycyjne silniki benzynowe i Diesla, miękkie hybrydy jak i te wykorzystujące jedynie alternatywne źródła paliw. Nowoczesne silniki spalinowe wciąż ewoluują, a producenci wprowadzają nowe technologie. Przykładem może być firma Mazda, która opracowała nową sześciocylindrową jednostkę benzynową i duży silnik Diesel w układzie miękkiej hybrydy, które spełniają wyśrubowane normy emisji. Porsche również zaoferowało nowy sześciocylindrowy silnik typu boxer, który ma być wprowadzony jeszcze zanim firma ostatecznie ograniczy się wyłącznie do napędów elektrycznych. Wśród technologii wykorzystujących nowoczesne paliwa samochodowe warto wymienić silnik wodorowy, który może stanowić atrakcyjną alternatywę zarówno do samochodów z napędem Diesla, jak i benzynowym. Nad spalinowym silnikiem wodorowym pracują obecnie tacy producenci, jak Toyota, chiński GAC, Yamaha czy Renault.
Dlaczego rozwój nowoczesnych silników spalinowych może być korzystny?
Rozwój ekologicznych silników spalinowych jest korzystny, ponieważ pozwala na stopniowe przechodzenie na bardziej przyjazne środowisku rozwiązania bez konieczności zmiany całej infrastruktury. Obecnie największym wyzwaniem dla elektromobilności jest ograniczona pojemność baterii oraz wysokie ceny samochodów elektrycznych. Chociaż technologia akumulatorów stale się rozwija, pojazdy elektryczne wciąż mogą przejechać mniej kilometrów i mają dłuższy czas ładowania w porównaniu do tradycyjnych samochodów spalinowych czy na wodór. Pewną odpowiedzią są różne rodzaje samochodów elektrycznych, jak np. hybrydy o zwiększonym zasięgu, jednak pełne przejście na elektromobilność wymaga rozbudowanej infrastruktury, takiej jak odpowiednio zagęszczona sieć punktów ładowania akumulatorów i wyspecjalizowane warsztaty obsługowe. Ponadto wciąż nierozwiązanym problemem jest kwestia utylizacji zużytych akumulatorów. Ze względu na złożoną budowę i zawartość surowców ziem rzadkich nie tylko powodują one zubożenie zasobów, lecz także trudno je poddać recyklingowi. Wszystko to powoduje, że poszukuje się innych rodzajów paliw, które są łatwe w pozyskiwaniu, przetwórstwie i nie będą powodowały szkodliwych emisji do środowiska. Problematycznym zagadnieniem są również samochody elektryczne na ogniwa wodorowe. Te ostatnie są kosztowne w produkcji i cechują się niską efektywnością na poziomie zaledwie 30-35%. Z tego względu nowoczesne silniki spalinowe, które mogłyby być zasilane ekologicznymi paliwami, wydają się być dobrym rozwiązaniem dostępnym od ręki.
Rodzaje ekologicznych silników spalinowych – jakie nowoczesne paliwa niskoemisyjne są wykorzystywane?
Nowoczesne paliwa niskoemisyjne, takie jak biopaliwa czy syntetyczne mieszanki, pozwalają na znaczące obniżenie emisji szkodliwych substancji. Silniki na wodór i amoniak oferują niemal zerową emisję, dlatego mogłyby wjechać np. do stref czystego transportu. Inne rozwiązania bazują na zaawansowanych technologiach, które pozwalają zwiększyć wydajność i zmniejszyć emisje spalin, co sprawia, że stają się coraz bardziej konkurencyjne w stosunku do pojazdów elektrycznych.
Silniki na wodór
Silniki spalinowe na nowoczesne paliwa wodorowe nie emitują CO2, co jest korzystne z punktu widzenia zmian klimatycznych. Produktami spalania są w tym przypadku para wodna oraz niewielkie ilości tlenków azotu (NOx), które co prawda są szkodliwe dla środowiska, jednak zastosowanie odpowiednich filtrów niweluje ten problem. Kwestią do rozwiązania jest nadal niska efektywność energetyczna. Wodór ma znacznie niższą gęstość energetyczną niż paliwa kopalne (około 2-3 kWh/l w porównaniu do 11 kWh/l dla oleju napędowego). Oznacza to, że silnik spalinowy musi spalić dużo więcej wodoru niż paliw kopalnych, co prowadzi do niskiego zasięgu lub konieczności stosowania większych zbiorników paliwa. W silniku tłokowym tylko około 30% energii paliwa jest wykorzystywane do napędzania. Reszta przekształca się w ciepło i w tej formie jest usuwana z układu. Producenci pracują nad bardziej efektywnym wykorzystaniem wodoru i nowoczesnymi paliwami wodorowymi. Na przykład chińska marka GAC Motor opracowała w 2021 roku silnik, którego sprawność ma przekraczać 44%, a ponadto zapowiedziała rozbudowę odpowiedniej infrastruktury.
Silniki na amoniak
Silnik na amoniak to innowacyjne rozwiązanie, które ma szansę w przyszłości zrewolucjonizować przemysł motoryzacyjny. Podczas spalania amoniak (NH₃) nie emituje dwutlenku węgla, lecz mimo to pozostawia delikatny ślad węglowy ze względu na niewielkie emisje tlenków azotu. Jest za to łatwo dostępny i może być produkowany w dużych ilościach. W odróżnieniu od wodoru może być przechowywany w postaci ciekłej, co znacznie ułatwia logistykę. Toyota i Guangzhou Automobile Group (GAC) wspólnie opracowały prototypowy silnik na amoniak, w którym zastosowano specjalnie zaprojektowane komponenty. Precyzyjne wtryskiwacze kontrolują ilość amoniaku dostarczanego do komory spalania, a zaawansowane systemy redukują emisję tlenków azotu (NOx). Warto dodać, że amoniak sam w sobie jest jednak substancją toksyczną, co wzbudza duże wątpliwości wśród potencjalnych użytkowników. Dlatego zastosowanie tego typu silników jest na ten moment rozważane raczej w kontekście rozwiązań przemysłowych – np. do zasilania pojazdów ciężarowych, które dziś stanowią poważne źródło emisji.
Biopaliwa i syntetyczne mieszanki
Kolejnym rozwiązaniem pozwalającym ograniczyć ślad węglowy tradycyjnych pojazdów spalinowych są biopaliwa produkowane są z surowców odnawialnych, takich jak rośliny, odpady organiczne lub algi. Stanowią bardziej ekologiczną alternatywę dla benzyny i oleju napędowego. Dzielą się one na biokomponenty (składniki płynnych paliw silnikowych) i biogaz (np. biometan). Biopaliwa są już dziś z powodzeniem stosowane w silnikach spalinowych, a ich produkcja i spalanie mają mniejszy wpływ na środowisko niż paliwa kopalne. Inną kategorią są syntetyczne paliwa, czyli węglowodory lub ich mieszaniny otrzymywane z biomasy lub innych źródeł odnawialnych. Wśród nich można wymienić GTL (Gas to Liquid), BTL (Biomass to Liquid), SynGaz, produkowany w procesach gazyfikacji biomasy leśnej lub SynDiesel. Są to paliwa produkowane chemicznie i również powodują niższe emisje niż tradycyjne paliwa kopalne.
Przyszłość silników spalinowych
Silniki spalinowe przeszły fascynującą ścieżkę ewolucji, od prostych konstrukcji do zaawansowanych technologii. Ich wpływ na rozwój cywilizacji jest niezaprzeczalny. Pomimo rosnącej popularności pojazdów elektrycznych niektóre prognozy wskazują, że samochody z silnikami benzynowymi czy diesla będą wciąż chętnie wybierane przez kolejne 10 lat. Np. firma Bosch przewiduje, że dwa na trzy zarejestrowane samochody w 2030 roku będą napędzane benzyną lub olejem napędowym. Wciąż postępujący downsizing, coraz dokładniejsze filtry cząstek stałych, nowe materiały i próby optymalizacji istniejących serii tak, by mogły spełniać restrykcyjne wymagania Unii Europejskiej pokazują, że w tej dziedzinie jest jeszcze spora przestrzeń na innowacje – zarówno w obrębie budowy silnika, jak i nadwozia samochodów spalinowych. Jedną z nich są ultralekkie tworzywa, jak m.in. spieniony polipropylen (EPP). Pozwalają one produkować dużo lżejsze części nadwozia w porównaniu z tradycyjnymi komponentami z twardego tworzywa. Dzięki obniżeniu masy własnej pojazdu można zredukować spalanie i łatwiej uzyskać cele wymagane w restrykcyjnych normach Euro. Wiele firm, w tym np. BMW, nie wyznaczyło jeszcze daty wycofania się z produkcji jednostek spalinowych. To kolejny dowód na to, że technologia ta może mieć jeszcze wiele do zaoferowania.