Rudolf Diesel w latach osiemdziesiątych XIX wieku powiedział: „Nadejdzie silnik samochodowy i wtedy uznam dzieło mojego życia za skończone”. Najwyraźniej wiedział, jak wielką sprawą był jego wynalazek. Jednak niezależnie od tego, jak oceniać dzieło życia Diesla, sam silnik Diesla był daleki od ukończenia. Po pierwsze, jego najwcześniejsze silniki miały tylko około 26% sprawności. Ale to było dawno, dawno temu.
Potencjalna wydajność silnika wysokoprężnego jest gorącym tematem w 2015 roku, ponad sto lat później. Dzieje się tak, ponieważ amerykańskie agencje EPA i NHTSA oceniają potencjalną surowość nowych przepisów dotyczących wydajności silników wysokoprężnych w ramach „Fazy 2” propozycji pojazdów ciężarowych. Agencje federalne mają prawo do regulowania silników pojazdów ciężarowych w celu osiągnięcia maksymalnej możliwej poprawy i przyjęcia standardów wymuszających technologię, biorąc pod uwagę koszt zgodności, czas realizacji technologii i inne czynniki.
Nowoczesne silniki wysokoprężne z zapłonem samoczynnym dominują w branży komercyjnych pojazdów ciężarowych z wydajnymi silnikami, które przekształcają około 43%-44% energii paliwa w pracę silnika, w oparciu o certyfikowane silniki z lat 2013-2014. Aby spełnić wymagania obowiązujących przepisów dotyczących wydajności i emisji dwutlenku węgla, silniki ciągników będą musiały zmniejszyć zużycie paliwa i emisję CO2 o 6% w latach 2010-2017, czyli o około 1% rocznie. Obecnie pytanie brzmi, o ile bardziej wydajne będą silniki wysokoprężne w następnej fazie przepisów, od 2017 do 2024-2027 roku.
W czerwcowej propozycji EPA/NHTSA, silniki wysokoprężne zmniejszą zużycie paliwa i emisję CO2 na jednostkę pracy o 4,2% od 2017 do 2027 roku. Ostateczne normy prawdopodobnie pozostaną w mocy przez trzy dodatkowe lata, więc normy będą obowiązywać do 2029 lub 2030 roku. Oznaczałoby to, że emisja CO2 przez silniki zostanie zmniejszona średnio o 0,3% do 0,4% rocznie do 2030 roku. Jak to się ma do innych liczb?
- Producent silników do ciągników o największej pojemności, firma Cummins, wskazuje, że silniki mogą osiągnąć redukcję zużycia paliwa o 9%-15% w stosunku do roku 2017, w przedziale czasowym 2020-2030.
- Analiza silnika przeprowadzona przez naukowców z West Virginia University (WVU) wskazuje, że silniki wysokoprężne do ciągników siodłowych z naczepami mogą poprawić swoje osiągi o ponad 10% w stosunku do roku 2017 w perspektywie 2020 i później.
- Prace Southwest Research Institute dla NHTSA wskazują, że w silnikach ciągników siodłowych z silnikami wysokoprężnymi można obniżyć zużycie paliwa o 4%-7% – a nawet o 8%-10% przy odzysku ciepła odpadowego – w stosunku do poziomu bazowego z 2019 r. w ramach czasowych Etapu 2.
- Zespoły prowadzone przez firmy Cummins, Daimler, Navistar i Volvo wykazały poprawę silników o 12%-17% w stosunku do poziomu bazowego z 2010 r. W rezultacie zespoły U.S. DOE SuperTruck osiągają szczytową sprawność cieplną hamulców na poziomie około 50%-51%.
- Celem kontynuacji programów SuperTruck jest osiągnięcie sprawności cieplnej hamulców na poziomie 55% w warunkach szczytowych.
Nie sposób nie zastanowić się, co pomyślałby Rudolf Diesel, wiedząc, że najnowsze innowacje w dziedzinie silników wysokoprężnych mogą podwoić sprawność jego pierwszych projektów?
Niniejszy rysunek ilustruje obowiązujące normy 2014-2018, proponowane normy 2017-2027 oraz potencjał technologiczny wynikający ze zwiększonego wdrożenia technologii opartej na wspomnianym badaniu WVU w gramach CO2 na godzinę mocy hamowania. Potencjał technologiczny przedstawiony na rysunku sugeruje, że silniki ciągników mogłyby osiągnąć do 7% poprawę dzięki technologii przyrostu wydajności przy penetracji pakietu silników „2020+” z badań WVU (tj. dzięki ulepszeniom wynikającym z redukcji tarcia, pasożytnictwa, turbodoładowania, oczyszczania spalin, optymalizacji spalania i zaawansowanych układów sterowania). Potencjał wynikający z tych technologii przyrostowych jest około dwukrotnie większy niż ten, który agencje uwzględniły w proponowanych przepisach na rok 2027.
Dodatkowo w analizie na rysunku uwzględniamy zwiększoną penetrację zaawansowanych technologii silnikowych. Przy większej penetracji technologii przyrostowych 2020+ i 15% penetracji systemu odzysku ciepła odpadowego z organicznego cyklu Rankine’a (WHR) (jak zakładają agencje), poprawa emisji CO2 w całej flocie do 10% w 2027 r. jest wykonalna. Przy większej penetracji technologii WHR i U.S. DOE SuperTruck, potencjał technologiczny jest jeszcze wyższy. Wyniki wskazują, że znacznie niższe emisje CO2 niż proponowane poziomy norm EPA-NHTSA są technicznie osiągalne w perspektywie 2025 roku. Ostateczny potencjał technologiczny dla całej floty pojazdów mógłby osiągnąć wydajność demonstracji SuperTruck przeprowadzonych przez US DOE w latach 2014-2016 w perspektywie roku 2030.
Normy regulacyjne fazy 1 (2014-2017) i proponowanej fazy 2 (2018-2030) USA, potencjał technologiczny, potencjał technologiczny przy zwiększonym odzysku ciepła odpadowego (WHR) oraz demonstracje U.S. DOE SuperTruck.
Oczekująca na decyzję USA w sprawie norm dotyczących silników może być jedynym realnym działaniem mającym na celu znaczną poprawę wydajności silników wysokoprężnych w ciągu najbliższych 10-15 lat. Z tego powodu, można przedstawić silny argument, że powinny one pchnąć kopertę technologiczną tak mocno, jak to jest wykonalne w oparciu o pojawiające się technologie wydajności. Decyzja ta ma szersze konsekwencje dla globalnej innowacyjności, ponieważ te same firmy sprzedają wszędzie te same silniki. Indie również rozważają wprowadzenie norm efektywności silników dla swoich wysokowydajnych jednostek napędowych. Te same wysokowydajne silniki mogą napędzać ciężarówki napędzane olejem napędowym w Chinach, Europie, Meksyku i innych krajach, jeśli te regiony wprowadzą podobne, coraz bardziej rygorystyczne przepisy.