Идеалан мотор будућности је и даље усавршени „мотор сус” (ото и дизел) који троши синтетичка горива произведена од биомасе, где ће угљен-диоксид (CO2) и водена пара (H2O), настали у процесу сагоревања, бити поново употребљени за стварање биомасе у затвореном циркулационом процесу.
Академик Душан Груден
Пре скоро 60 година, као студент моторизацијског смера Машинског факултета у Београду, први пут сам чуо да клипни мотор са унутрашњим сагоревањем или како смо га звали „мотор сус”, није савршена машина и да ће за 10 до 15 година бити замењен новим, знатно бољим.
У току моје вишедеценијске активности на пољу развоја мотора било је много покушаја да се он замени другим, наизглед, бољим машинама.
Први разлог, тврдило се да класични клипни механизам, познат још од парне машине, са клипом, клипњачом и коленастим вратилом, није идеалан механизам, односно чак и да је сувише глуп механизам, јер су губици при трансформисању праволинијског кретања клипа у ротационо кретање коленастог вратила (радилице) велики. Као боље алтернативе нуђена су решења без клипног механизма, као што су гасне турбине и ротациони мотори.
Висока потрошња горива гасних турбина спречила је њихову примену за погон моторних возила од тзв. прве енергетске кризе, почетком 70-тих година прошлог века.
Гасна турбина и Ванкел мотор
Ротациони мотори, од којих је најпознатији био Ванкел-мотор, имају недостатак да им је простор за сагоревање неповољан, а процес сагоревања има важну улогу у задовољењу свих захтева који се пред мотор постављају.
Код гасних турбина сагоревање се врши у специјалним коморама-горионицима и може боље да се контроише него у простору за сагоревање код клипних мотора. Али, максимална температура сагоревања, која има одлучујућу улогу на термички степен корисности мотора, у горионицима је ограничена термичком отпорношћу зидова горионика.
Незаменљиви клип
За квалитетне челике максимална температура не сме да пређе 1.000, док керамички материјали дозвољавају максималне температуре до 1.200, што је знатно мање него код клипних мотора, где максимална температура циклуса достиже вредности преко 2.500 Целзијусових степени.
Сталном изменом радне материје, простор за сагоревање се у „мотору сус” континуално хлади, тако да, и поред високих максималних температура циклуса, температура зидова простора за сагоревање (клипа и цилиндарске главе) не прелази вредности од око 200 до 250 Целзијусових степени. Тако се клипни механизам мотора показао као генијално решење, потврћујући тврдњу да је између глупака (идиота) и генија само мали корак.
Удео светског моторизованог
саобраћаја на антропогену
емисију угљен-диоксида
мањи је од 12 одсто!
Крајем 60-тих година прошлог века уведени су, прво у Калифорнији (САД), а затим и у целом свету, законски прописи о ограничењу токсичних компонената у издувним гасовима моторних возила: угљен-моноксида (CO), несагорелих угљоводоника (HC), оксида азота (NOx) и чврстих честица, чађи (PM). То је био повод за тражење алтернативних погонских агрегата који би заменили тадашње бензинске (ото) моторе, готово искључиво употребљаване за погон моторних возила.
Поред гасне турбине и Ванкеловог мотора, као решења нуђени су Стирлинг-мотор и парни мотор. И мада су ови мотори у појединим радним тачкама у лабораторији давали боље резултате него што их је имао бензински (ото) мотор, они нису могли да продру у производњу јер је ото мотор у суми свих особина, које се траже при погону возила, остао незаменљив.
Парни и Стирлинг мотор
Преласком са карбуратора на систем убризгавања горива, увођењем електронских система паљења смесе и применом катализатора за накнадну обраду издувних гасова, ото-мотор је испунио све законске прописе који су од почетка 70-тих година прошлог века пооштравани 11 пута: од Евро норме Р15 00 (1972) до Норме Евро 6 (2015). Преко 500 модерних аутомобила има данас мању емисију токсичних компонената него једно једино возило пре 50 година.
Модерни ото мотор (Извор: Порше)
Издувни систем модерног ото мотора (Извор: Мерцедес)
Повратак угљу
Феномени забележени почетком 80-тих година прошлог века, тада познати као „киселе кише” и „умирање шуме”, довели су до драстичног смањења граничних вреднности емисија, што је узроковало увођење тзв. трокомпонентног катализатора у градњу мотора. Предуслов за несметани рад овог катализатора било је увођење безоловног бензина на тржиште.
После нуклеарне катастрофе у Чернобиљу (Украјина), средином 80-тих година, а још под утиском предходне катастрофе нуклеарне централе на Острву три миље (САД), поставило се питање оправданости примене нуклеарне енергије и у мирнодопске сврхе. Светска енергетска агенција прогнозирала је да ће угаљ бити главни извор енергије у деценијама које долазе.
Поборници нуклеарне енергије су се тада сетили теорије шведског хемичара Архениуса, који је крајем 19. века дефинисао тзв. ефекат „стаклене баште” и његов утицај на климу Земље. Поред водене паре (H2O), други највећи утицај има угљен-диоксид (CO2), продукт потпуног сагоревања горива која садрже угљеник.
Иако је удео целокупног светског моторизованог саобраћаја на антропогену глобалну емисију угљен-диоксида мањи од 12 одсто, главни циљ нове еколошке политике усмерио се на смањење емисије CO2 у издувним гасовима моторних возила. Како је емисија CO2 пропорционална потрошњи горива, то је значило захтев за знатно смањење потрошње горива код мотора за путничка возила.
Данашњи светски возни
парк износи преко 800
милиона путничких возила.
Од почетка развоја мотора познато је да дизел-мотори имају, у поређењу са ото-моторима, за око 15 до 20 посто мању потрошњу горива. Али њихове друге особине, пре свега мања специфична снага и већа производна цена, нису биле атрактивне за примену у путничким возилима. Фирме „Пежо” и „Мерцедас” увеле су прве дизел моторе у путничка возила, али без већег успеха.
Под притиском нове еколошке политике која је тражила знатно смањење емисије CO2, односно потрошње горива, фирма „Ауди” је почетком 90-тих година развила нови дизел мотор са директним убризгавањем, са четири вентила по цилиндру и са турбо пуњењем, који је имао сличне особине као ото мотор без турбо-пуњења, али знатно мању потрошњу горива и учинила га атрактивним и за погон путничких возила.
Модерни дизелмотор са издувним системом (Извор: Ауди)
Пример „Аудија” следили су сви произвођачи аутомобила у свету и данашњи светски возни парк, који износи преко 800 милиона путничких возила, покрећу готово искључиво ото- и дизел-мотори, наравно са веома развијеном техником за смањење емисије штетних гасова у издувној цеви.
Пооштравањем законских прописа о квалитету околног ваздуха, почела је и емисија издувних гасова дизел мотора да представља проблем Процес сагоревања у дизел мотору праћен је стварањем чврстих честица, чађи (PM – pariculate matter), за које је установљено да имају негативан утицај на здравље човека. Поред тога високе температуре циклуса, које дизел-мотору обезбеђују висок степен корисности, односно ниску потрошњу горива, поспешују стварање оксида азота (NOx) од којих, како се тврди, азот-диоксид (NO2) има негативан утицај на дисајне органе, посебно код старијих особа, астматичара и мале деце.
Сто година пута
Данашњи развој иде у правцу даљег смањења потрошње горива код бензинских мотора, уз испуњење законских прописа о емисији токсичних компонената и даљег смањења емисије PM и NOx код дизел-мотора, без погоршања потрошње горива.
Једно од решења које се нуди за потпуну елиминацију емисије издувних гасова из моторниих возила јесте погон преко електро-мотора. На том погону се ради већ више од 100 година.
Почетком 20. века више аутомобила у свету било је погоњено електромоторима него „моторима сус”. Али брз и велики развој „мотора сус”, и ото- и дизел варијанте, и незадовољавајући статус складиштења електричне енергије у батеријама (акумулатори) избацили су, за дуги низ година, електрични погон као алтернативу.
У коликој мери возила
на електрични погон стварно
смањују емисију издувних гасова.
Данашњи развој електромобила и његове шансе за примену у масовној производњи зависе од развоја батерије. И поред великог напретка на овом пољу, модерне батерије још имају неупоредиво мањи енергетски капацитет него бензин или дизел гориво.
Енергетски капацитет батерија и дизел горива
Поред краћег радијуса кретања возила са електричним погоном и знатно дужег времена пуњења батерије него што је то потребно за пуњење резервоара горива, велики недостатак електричних возила данас је и висока цена која се плаћа за 1 кW снаге. Док се код ото- и дизел-мотора она креће између 30 и 60 евра/кW, код електричних возила износи од 300 до 500 евра/кW.
Актуелна возила на електрични погон (Извор: ADAК)
У коликој мери возила на електрични погон стварно смањују емисију издувних гасова, зависи од тога на који се начин добија електрична енергија. Највећа количина електричне енергије потиче данас из термоцентрала на угаљ или гас. Издувни гасови ових централа садрже све компоненте које се налазе и у издувним гасовима „мотора сус”: CO2, NOx, PM, HC…
Многи недостаци возила са електромотором могу да се избегну, а предности сачувају, путем тзв. хибридног погона, односно комбинације „мотора сус” и електромотора. Постоје различите могућности за комбинације ових мотора и скоро сви произвођачи аутомобила имају данас у свом производном програму и возила на хибридни погон.
Панамера Plug-in Hibrid (Извор: Порше)
Велика очекивања крајем прошлог века била су од решења снабдевања електричних возила струјом која се добија из тзв. горивних ћелија. Ове ћелије стварају електричну енергију обрнутим поступком електролизе. Док се код електролизе из воде (H2O) уз помоћ електричне струје добија водоник (H2) и кисеоник (O2), у горивној ћелији се спајањем водоника и кисеоника добија електрична струја.
Прогнозе о увођењу биле су веома оптимистичне: „Дајмлер” је најављивао да ће горивне ћелија увести у серијску производњу 2002 године, „Тојота” и „Хонда” 2004 и сл. Данашње не предвиђају продор ове технологије у следећих 20 до 30 година.
Принцип горивне ћелије (Извор: Пежо)
Поред високе производне цене горивних ћелија (преко 1.000 евра/кW), главни разлог за неуспех овог погона јесте недостатак горива. Данашње горивне ћелије могу да раде само са чистим водоником (H2). Сви остали покушаји нису се показали успешним за погон возила.
Замена за нафту
Идеално решење било би добијање водоника из воде путем електролизе, за шта су потребне огромне количине електричне енергије. Данашње количине водоника за потребе индустрије добијају се скоро искључиво из нафте, при чему се ослобађају велике количине емисије CO2. Осим тога, недостаје целокупна инфраструктура за дистрибуцију и пумпне станице, које узимају у обзир специфичне особине водоника, посебно да дифундира кроз скоро све материјале.
Један од атрактивних
путева које нуди природа
јесте фотосинтеза.
Стигли смо до кључног питања за даљу егзистенцију моторног саобраћаја, тј. питање његовог снабдевања потребном енергијом, односно горивом. Данашњи мотори, ото- и дизел, троше горива добијена из нафте: бензин и дизел гориво. И та горива су развијана од самог почетка заједно са моторима, јер чисти мотори захтевају и чиста горива.
Пре 60 година први пут сам чуо да су резерве нафте на овој планети ограничене и да ће у следећих 30 до 40 година бити истрошене. До данас се те прогнозе сталано понављају, и даље тврди да ће резере нафте бити за следећих 30 до 40 година потрошене.
Развој и прогнозе светске потрошње енергије
Без обзира на то с коликом су прецизношћу промашиле циљ, резерве нафте и других сировина сигурно нису бесконачне. Зато човек мора да искористи нафтну еру и да пронађе друге изворе енергије које ће успешно заменити нафту, данас најјефтинији и најподобнији извор.
Један од атрактивних путева које нуди природа јесте фотосинтеза. Од угљен-диоксида и водене паре у атмосфери, уз помоћ сунчеве енергије, ствара се биомаса, одлична сировина за добијање синтетичких горива и за ото и за дизел моторе. Човечанство се данас налази на почетку овог развоја. А човек мора да научи да за себе прави енергију, као што је у прошлости научио да производи храну.
Принцип фотосинтезе
Идеалан мотор будућности је и даље усавршени „мотор сус” (ото и дизел) који као гориво троши синтетичка горива произведена од биомасе, где ће CO2 и H2O, настали у процесу сагоревања, бити поново употребљени за стварање биомасе у затвореном циркулационом процесу.
Затворен процес добијања и употебе горива из биомасе
Јер „мотори сус” користе вештину којом од свих живих бића на овој планети једино човек располаже, а то је коришћење ватре, односно процеса сагоревања. Она је допринела еволуционом развоју човека на путу од усправљеног (Homo erеctusa) до разумног (Homo sapiensa).
Проналазак ватре
