Sposoby na oszczędność paliwa w samochodzie ciężarowym

Pixabay – rauschenberger
Maciej Blum
14.12.2021
Reklama
Reklama

Zmniejszenie zużycia paliwa w 40-tonowym zestawie nie jest proste, jednak ciągle znajdują się sposoby, aby w jakimś miejscu obciąć kolejny procent. Suma małych rzeczy staje się wymierna, kiedy po roku podsumuje się koszty użytkowania pojazdu na trasach.

  • Od zawsze szukano sposobów na zwiększenie wydajności silnika i zmniejszenie zużycia paliwa.
  • Pierwszym poważnym krokiem, który miał na celu zwiększenie wydajności silnika w samochodzie ciężarowym, była zmiana rodzaju silnika.
  • Jednostka napędowa o zapłonie samoczynnym zapewniła oszczędność paliwa na poziomie 86% w porównaniu z silnikiem o zapłonie iskrowym.
  • Silniki Diesla stały się „obowiązkowym” źródłem napędu samochodów ciężarowych, ale rewolucja nadeszła wraz z zastosowaniem doładowania. 
  • Stosowanie silników turbodoładowanych w pojazdach drogowych na masową skalę rozpoczęło się od ciężarówek na początku lat 50. XX w.
  • Dalszy rozwój silników Diesla w samochodach ciężarowych polegał na udoskonalaniu konstrukcji wyposażonej we wtrysk bezpośredni i turbodoładowanie.
  • Poważnym czynnikiem, który wymusił zmiany, okazały się europejskie normy czystości spalin zwane normami Euro.
  • Kolejne oszczędności paliwa stały się możliwe dzięki optymalizacji aerodynamiki pojazdu ciężarowego.
  • Na porządku dziennym są już systemy optymalizujące pracę ciągnika w zależności od charakterystyki trasy, po której się porusza.
  • Kolejnym rozwiązaniem, które pozwala na oszczędności, jest elektroniczny dozór stanu ogumienia oraz dodatkowy napęd elektryczny dla kół naczepy.
Reklama

Oszczędności szukano od zawsze. Punktem, który pierwszy przychodzi na myśl, jest zawsze silnik. Zwiększanie jego wydajności poprawiło bilans energetyczny, jednak przeszkodą stały się normy emisji spalin.

Pierwszym poważnym krokiem, który miał na celu zwiększenie wydajności silnika w samochodzie ciężarowym, była zmiana rodzaju silnika. Prace nad nowym silnikiem do ciężarówki rozpoczęły się w firmie Benz & Cie. w 1922 r., a we wrześniu tamtego roku na hamowni już pracował pierwszy silnik. Początkowo zbudowano 10 jednostek OB2.

45–50 KM z czterech cylindrów: produkcja silnika Diesla do samochodów ciężarowych OB 2 rozpoczęła się w kwietniu 1923 r. Zasilał on 5-tonowe podwozie firmy z Gaggenau.
45–50 KM z czterech cylindrów: produkcja silnika Diesla do samochodów ciężarowych OB 2 rozpoczęła się w kwietniu 1923 r. Zasilał on 5-tonowe podwozie firmy z Gaggenau. Źródło: Daimler AG

Jazdy testowe z pierwszym seryjnym dieslem przeprowadzono w siedzibie firmy w Gaggenau. Inżynierowie Benz wybrali ciężarówkę Benz 5 K 3 jako podwozie zaprojektowane dla ładowności 5 t. Pierwszy wysokoprężny silnik Diesla zamontowano w samochodzie ciężarowym przeznaczonym do sprzedaży w 1923 r.

Przekrój cylindra w silniku Diesla z wtryskiem bezpośrednim montowanym w 1924 r. w ciężarówkach MAN. Po bokach cylindra widoczne są wtryskiwacze paliwa umieszczone poziomo.
Przekrój cylindra w silniku Diesla z wtryskiem bezpośrednim montowanym w 1924 r. w ciężarówkach MAN. Po bokach cylindra widoczne są wtryskiwacze paliwa umieszczone poziomo. Źródło: MAN

Pierwszy silnik Diesla w ciężarówce

Benz & Cie. została wyposażona w czterocylindrowy silnik wysokoprężny o oznaczeniu OB 2 i mocy 33 kW (45 KM) przy 1000 obr./min. Był to silnik wyposażony w komorę wstępną.

W porównaniu z ciężarówką z silnikiem benzynowym o zbliżonych parametrach ciężarówka z silnikiem wysokoprężnym od razu imponowała oszczędnością. Jednostka napędowa o zapłonie samoczynnym zapewniła oszczędność paliwa na poziomie 86% w porównaniu z silnikiem o zapłonie iskrowym.

Silnik mógł pracować na oleju smołowym destylowanym z węgla brunatnego. Na tym paliwie był również ekonomiczny, ponieważ potrzebował go o 25% mniej niż silnik benzynowy o takich samych parametrach.

Ze względu na niską cenę oleju smołowego w porównaniu z benzyną efektem były rewelacyjnie niskie koszty paliwa. Oprócz oleju smołowego silnik mógł pracować także na oleju napędowym, nafcie, oleju teksańskim, a także żółtym lub brązowym oleju parafinowym.

Silnik wysokoprężny z wtryskiem powietrza

Podczas gdy firma Benz & Cie. opracowywała samochód ciężarowy z silnikiem wysokoprężnym, w Berlinie Daimler-Motoren-Gesellschaft (DMG) projektował prawie równie mocny silnik wysokoprężny z wtryskiem powietrza do montażu w ciężarówkach.

Inżynierowie Daimlera wykorzystali swoją wiedzę z produkcji silników Diesla z wtryskiem powietrza do łodzi podwodnych i stworzyli czterocylindrową jednostkę o mocy 29 kW (40 KM) przy 1000 obr./min.

Silnik udowodnił swoją przydatność podczas wielu przejazdów testowych w 1923 r. Jednym z bardzo spektakularnych przejazdów była długa podróż między dwiema fabrykami DMG. W dniach 20–30 września 1923 r. ciężarówka Daimler z tym silnikiem przejechała z Berlina do Stuttgartu i z powrotem.

Przekrój silnika Saurer CT2D

Przekrój silnika Saurer CT2D
Przekrój silnika Saurer CT2D, w którym zastosowano podwójne zawirowanie mieszanki, blok z lekkich stopów oraz mokre tuleje cylindrowe. Skok tłoka: 140 mm; średnica tłoka: 115 mm. Źródło: domena publiczna / Saurer / SCHWEIZERISCHE BAUZEITUNG 75. Jahrgang Nr. 24, 1957

W tym samym czasie u konkurencji

W dniu 12 marca 1924 r. dwóch inżynierów z fabryki MAN – Sturm i Wiebicke – wyruszyło z fabryki w Augsburgu w kierunku Norymbergi w 4-tonowej ciężarówce MAN Saurer. Nie byłoby w tym nic nadzwyczajnego, gdyby nie to, że zastosowano w niej silnik Diesla z wtryskiem bezpośrednim.

Reklama

Mając do dyspozycji około 40 KM mocy, kierowcom testowym udało się pokonać 140-kilometrową odległość w 5,5 godz. Był to swoisty chrzest bojowy dla technologii, która umożliwiła skonstruowanie ekonomicznego silnika wysokoprężnego na tyle kompaktowego, że można go było zastosować w mniejszych pojazdach.

Wtrysk paliwa bez wtrysku powietrza był dużym krokiem naprzód. Powietrze do spalania jest sprężane do ciśnienia około 20 barów wewnątrz cylindra przez ruch tłoka w górę, co powoduje jego intensywne nagrzewanie. Paliwo wtryskiwane jest do silnie sprężonego powietrza. Połączenie delikatnego rozpylenia paliwa i wysokiej temperatury gazu powoduje zapłon mieszanki. Wstrzyknięcie paliwa do sprężonego powietrza w cylindrze można było osiągnąć tylko za pomocą mechanicznej pompy wtryskowej, która wtłaczała je do dysz wtryskowych pod bardzo wysokim ciśnieniem. Zawory wtryskowe rozpylają paliwo na maleńkie kropelki, zwiększając w ten sposób jego palność.

Rozmieszczenie wtryskiwaczy było kluczowym czynnikiem powodzenia procesu wtrysku bezpośredniego. W silniku MAN paliwo było wtryskiwane przez 2 dysze umieszczone po bokach głowicy cylindrów. Styczne ustawienie dysz umożliwiło mieszanie się wtryskiwanego paliwa ze sprężonym powietrzem w silniku. Pierwsze trzy eksperymentalne silniki zbudowano w Augsburgu w 1924 r. oraz pomyślnie przetestowano w ciężarówce i pługu zmotoryzowanym.

Rysunek patentowy z 1905 r. – turbosprę- żarka opracowana przez Alfreda Büchi.
Rysunek patentowy z 1905 r. – turbosprężarka opracowana przez Alfreda Büchi. Źrodło: domena publiczna

Podwójne zawirowanie

W 1888 r. Adolf Saurer zaczął konstruować pierwsze silniki benzynowe, które miały zastosowanie jako jednostki stacjonarne w przemyśle oraz do napędu statków. Syn Adolfa Saurera, Hipolit, w latach 1928–1929 kierował pracami konstrukcyjnymi pierwszego silnika Diesla, który był produkowany w zakładach jego ojca. Hipolit Saurer został okrzyknięty pionierem silników wysokoprężnych dzięki ciekawym pomysłom i opatentowaniu przepłukiwania krzyżowego stosowanego seryjnie w produkowanych przez siebie silnikach.

W 1934 r. poszedł on o krok dalej i opatentował silnik wysokoprężny z podwójnym zawirowaniem mieszanki i wtryskiem bezpośrednim paliwa do cylindra.
Tę innowację stosowano w silnikach montowanych do modelu B samochodów ciężarowych produkowanych od 1925 r. W późniejszych konstrukcjach jej zastosowanie było już powszeche.

Turbo = więcej mocy i mniej paliwa

Silniki Diesla stały się „obowiązkowym” źródłem napędu samochodów ciężarowych, choć oczywiście zdarzały się wyjątki. Rewolucja nadeszła wraz z zastosowaniem doładowania. Przyjmuje się, że pierwszą turbosprężarkę, czyli sprężarkę wykorzystującą gazy wydechowe do doładowania silnika, wyprodukowała w 1938 r. firma Swiss Machine Works Saurer. W tym samym roku zastosowano ten wynalazek w silniku Diesla ciężarówki wojskowej.

Stosowanie silników turbodoładowanych w pojazdach drogowych na masową skalę rozpoczęło się od ciężarówek na początku lat 50. XX w. Prototyp ciężarówki MAN MK26 z silnikiem turbodoładowanym został zaprezentowany w 1951 r., a następnie w 1954 r. pojawił się produkcyjny model MAN 750TL1. Pod koniec lat 60. XX w. popyt na coraz mocniejsze silniki do ciężarówek doprowadził do produkcji turbodiesli przez firmy Cummins, Detroit Diesel, Scania AB i Caterpillar Inc.

Dalszy rozwój silników Diesla w samochodach ciężarowych polegał na udoskonalaniu konstrukcji wyposażonej we wtrysk bezpośredni i turbodoładowanie. Kolejną poważną zmianą konstrukcyjną było zastosowanie pompowtryskiwaczy i wtrysku w systemie Common Rail.

Jednak poważnym czynnikiem, który wymusił zmiany, okazały się europejskie normy czystości spalin zwane normami Euro. Ich wprowadzenie skutkowało presją na zmniejszenie zadymienia spalin, co nie było trudne. Problemy pojawiły się przy próbach zmniejszenia emisji związków azotu. Zwiększenie doładowania lub zmniejszenie dawki paliwa, aby silnik pracował na ubogiej mieszance, skutkowało odwrotnie – zwiększeniem ich emisji. Z pomocą przyszły systemy recyrkulacji spalin. Wbrew potocznej opinii nie służyły temu, aby samochody „przepalały” część spalin i były dzięki temu ekologiczne. Ekologia tego rozwiązania polega na obniżeniu emisji tlenków azotu NOX przez obniżenie temperatury spalania za pomocą gazów pochodzących z układu recyrkulacji spalin.

Z czasem system ten zaczął być niewystarczający i zaczęto stosować system selektywnej redukcji katalitycznej SCR, który polega na wtryskiwaniu roztworu mocznika do układu wydechowego. W katalizatorze redukującym mocznik reaguje z tlenkami azotu, odbierając im tlen, co w efekcie daje spaliny zawierające CO2, H2O i czysty azot N2.

Jak jeszcze oszczędzać paliwo?

Kolejne oszczędności paliwa stały się możliwe dzięki optymalizacji aerodynamiki pojazdu ciężarowego. Okazało się, że w przypadku samego ciągnika można zrobić niewiele ponad to, co zrobiła fabryka. Ale naczepy dają pewne pole do manewru, co pozwala zmniejszyć opory ruchu. Osłony boczne są tutaj najpopularniejszym dodatkiem, który poprawia aerodynamikę naczepy lub przyczepy. Montuje się je pod naczepą oraz między naczepą a ciągnikiem.

Zmniejszenie oporów aerodynamicznych przez zastosowanie kierownic powietrza opływającego zestaw. Źródło: ZF/Wabco
Energia przepływającego powietrza jest zamieniana częściowo w siłę pchającą zestaw, co pozwala na wymierne oszczędności w zużyciu paliwa. Źródło: ZF/Wabco

W Europie korzystanie z tego rozwiązania nie jest szczególnie popularne – szacuje się, że około 10% pojazdów jest w nie wyposażonych. Inaczej popularność osłon bocznych naczepy ma się w Stanach Zjednoczonych, gdzie ich wykorzystanie przekracza 40%.

Panele Optiflow Side Wings produkowane przez koncern ZF/Wabco zapewniają spadek zużycia paliwa o około 1,5 l/100 km, obniżając w ten sposób emisję dwutlenku węgla oraz zapewniając oszczędność kosztów przez cały okres eksploatacji pojazdu. Ponadto zmniejszają obłok rozpylonej za pojazdem wody i zakrywają cały tył przyczepy. Według informacji przytoczonej przez firmę No Limit z Warszawy po zastosowaniu paneli poprawiających aerodynamikę flota wykazała wzrost efektywności paliwowej na poziomie 9,5%.

Wybór optymalnej prędkości zestawu na podstawie topografii drogi przed nim pozwala na oszczędności paliwa na poziomie 3%.
Wybór optymalnej prędkości zestawu na podstawie topografii drogi przed nim pozwala na oszczędności paliwa

Nawigacja i optymalizacja trasy

Sama optymalizacja trasy to nie wszystko. Na porządku dziennym są już systemy optymalizujące pracę ciągnika w zależności od charakterystyki trasy, po której się porusza. Przykładem może być system OptiPace, w którym algorytm systemu w powiązaniu z technologią pokładowej mapy cyfrowej przewiduje najbardziej ekonomiczną prędkość. Wybiera ją na podstawie topografii drogi przed pojazdem. Ma to na celu zminimalizowanie zużycia paliwa i klocków hamulcowych oraz redukcję emisji. Korzystanie z tego rozwiązania może obniżyć zużycie paliwa nawet o 3%.

Kolejnym rozwiązaniem, które pozwala na oszczędności, jest elektroniczny dozór stanu ogumienia. OptiTire to zaawansowany system minimalizujacy ryzyko pęknięcia opony przez dozór ciśnienia. Jeden sterownik z kompletem czujników pozwala na jednoczesne kontrolowanie nawet 20 kół jezdnych i 2 zapasowych. Po wykryciu usterki opony system OptiTire ostrzega kierowcę, aby pomóc w wydłużeniu czasu bezawaryjnego użytkowania pojazdu, okresu eksploatacji opony i w zwiększeniu efektywności zużycia paliwa.

Według producenta korzystanie z tego systemu pozwala w efekcie długofalowym zaoszczędzić nawet 2% paliwa przez lepsze jego wykorzystanie.

Elementy składowe systemu Optitire
Elementy składowe systemu Optitire. Źródło: ZF/Wabco

Elektryczny napęd w naczepie

Prototyp eTrailer wykorzystuje inteligentne sterowanie silnikiem elektrycznym do odzyskiwania energii elektrycznej podczas hamowania. Może ona być ponownie wykorzystana do zasilania trakcji pojazdu lub do obsługi pokładowych elektrycznych urządzeń pomocniczych.

Naczepa z napędem elektrycznym i pakietem baterii może na krótkich trasach przynieść oszczędności na poziomie 20% dzięki hamowaniu regeneracyjnemu.
Naczepa z napędem elektrycznym i pakietem baterii może na krótkich trasach przynieść oszczędności na poziomie 20% dzięki hamowaniu regeneracyjnemu. Źródło: ZF/Wabco

Co więcej, operatorzy flot komercyjnych, którzy łączą eTrailer z ciężarówką wyposażoną w inteligentne systemy hamowania i kontroli stabilności, jeszcze bardziej zwiększą wydajność operacyjną zestawu ciężarówka + przyczepa.

Szacuje się, że eTrailer w zestawie ciągnik + naczepa na krótkich trasach może zapewnić oszczędność paliwa nawet o 20%, a na trasach długodystansowych – oszczędność rzędu 10%.

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama