Pojazdy specjalne to maszyny przystosowane do realizacji określonych zadań, często w trudnych warunkach środowiskowych. Mogą to być zarówno pojazdy służące do transportu bliskiego w rolnictwie, budownictwie lub na okrętach, w portach i stoczniach i zakładach przemysłowych, jak i do transportu na większe odległości, takie jak autobusy czy pojazdy kolejowe. Ich projektowanie wymaga uwzględnienia wielu czynników, takich jak bezpieczeństwo, ergonomia, wydajność oraz spełnienie określonych norm technicznych. Niektóre z tych czynników mają wtedy zmienioną lub odwróconą ważność.

Przykłady pojazdów specjalnych:

• maszyny rolnicze – ciągniki, kombajny, opryskiwacze, siewniki, maszyny do zbioru paszy, rozrzucarki, wozy asenizacyjne, mulczery;
• maszyny robocze i urządzenia transportu bliskiego – koparki, ładowarki, walce do nawierzchni, wozidła przegubowe, suwnice, żurawie budowlane, portowe i stoczniowe, przenośniki, pojazdy do budowy i obsługi dróg i torowisk;
• pojazdy do transportu na większe odległości – autobusy miejskie i dalekobieżne, lawety i śmieciarki, pojazdy szynowe osobowe do transportu zbiorowego, w tym tramwaje, pojazdy szynowe towarowe, kontenery specjalne i standardowe;
• pojazdy ratunkowe – wozy strażackie, karetki pogotowia;
• pojazdy wojskowe – pojazdy opancerzone, transportery.

Najważniejsze aspekty projektowania pojazdów specjalnych

Pojazdy specjalne pełnią ważną funkcję w różnych gałęziach przemysłu, od rolnictwa i budownictwa po transport i ratownictwo. Ich projektowanie wymaga zaawansowanej wiedzy technicznej oraz zastosowania innowacyjnych technologii, które zapewnią bezpieczeństwo, niezawodność i efektywność działania. Endego, jako ekspert w dziedzinie projektowania przemysłowego, wspiera firmy w tworzeniu zaawansowanych pojazdów specjalnych, dostosowanych do unikalnych potrzeb i wymagań klientów.

1. Zabudowa pojazdów specjalnych

Projektowanie nadwozia i innych elementów konstrukcyjnych to podstawa w tworzeniu pojazdów specjalnych. Endego oferuje usługi w zakresie projektowania nadwozia, które obejmują:

• optymalizację konstrukcji pod kątem trwałości i wytrzymałości;
• dostosowanie do specyficznych wymagań użytkowych, np. odporności na korozję w maszynach rolniczych;
• zastosowanie lekkich materiałów, które zwiększają efektywność pojazdu.

2. Bezpieczeństwo i ergonomia

Bezpieczeństwo operatora i osób w otoczeniu to priorytet w projektowaniu pojazdów specjalnych. Endego przeprowadza usługi symulacji inżynierskich CAE, które pozwalają:

• zapewnić wytrzymałość konstrukcji kabin na wypadek przewrócenia lub uderzenia;
• projektować systemy łączności i wykrywania, zwiększające bezpieczeństwo na placach budowy czy w gospodarstwach rolnych;
• tworzyć ergonomiczne wnętrza kabin, które zapewniają komfortową i bezpieczną pracę operatorom i maszynistom.

3. Systemy termiczne i oświetlenie

Dla maszyn pracujących w trudnych warunkach ważne jest efektywne zarządzanie temperaturą oraz odpowiednie oświetlenie. Endego oferuje:

• projektowanie systemów chłodzenia dla układów napędowych;
• opracowanie systemów oświetleniowych, które poprawiają widoczność w nocy i trudnych warunkach atmosferycznych;
• tworzenie izolacji termicznych, likwidacja mostków cieplnych, które chronią operatora przed ekstremalnymi wartościami temperatury.

4. Innowacyjne technologie

Endego łączy doświadczenie w projektowaniu pojazdów użytkowych i autobusów z nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi:

• elektryfikacja pojazdów: projektowanie systemów dla pojazdów hybrydowych i elektrycznych;
• optymalizacja cyklu pracy maszyn: zwiększenie efektywności procesów roboczych poprzez symulacje inżynierskie;
• technologie „light-weight”: opracowanie i zastosowanie lekkich materiałów zmniejszających masę pojazdu.

Wyzwania i wymagania w projektowaniu pojazdów specjalnych

Projektowanie pojazdów specjalnych wymaga spełnienia specyficznych norm krajowych i międzynarodowych oraz ustaw i wymagań technicznych. W szczególności:

• wymagania dotyczące oznakowania i oświetlenia – pojazdy specjalne muszą być wyposażone w systemy oświetleniowe i oznakowanie zgodne z obowiązującymi przepisami;
• dostosowanie do warunków pracy – pojazdy przeznaczone do pracy przy wysokich i niskich wartościach temperatury, w środowisku wilgotnym lub zapylonym, muszą być odpowiednio przystosowane;
• optymalizacja kosztów – projektowanie musi uwzględniać aspekty ekonomiczne, takie jak koszt produkcji, eksploatacji i serwisu.

Endego – Twój partner w projektowaniu pojazdów specjalnych

Endego specjalizuje się w projektowaniu przemysłowym z wykorzystaniem najnowszych technologii inżynierskich. Nasza oferta obejmuje:

• projektowanie samochodu;
• projektowanie pojazdów szynowych;
• projektowanie maszyn rolniczych;
• projektowanie maszyn roboczych;
• projektowanie motocykli;
• projektowanie wnętrz pojazdów.

Dzięki zespołowi doświadczonych inżynierów oraz zaawansowanym narzędziom do symulacji inżynierskich, dostarczamy rozwiązania szyte na miarę potrzeb Klienta.

Podsumowanie

Projektowanie pojazdów specjalnych to proces, który wymaga zaawansowanej wiedzy inżynierskiej i dostosowania do specyficznych wymagań branżowych. Endego, jako doświadczony partner B2B, oferuje kompleksowe usługi wspierające firmy w realizacji najbardziej wymagających projektów. Dzięki nowoczesnym technologiom i indywidualnemu podejściu do każdego klienta, pomagamy naszym partnerom w osiąganiu ich celów biznesowych.

Skontaktuj się z nami i dowiedz się więcej o naszych usługach w zakresie projektowania pojazdów specjalnych!

Podobnie jak liderzy branży, Endego przygotowuje się na najnowsze osiągnięcia w zakresie pojazdów definiowanych programowo i projektuje usługi z wykorzystaniem nowych technologii napędzających przyszłość łączności pojazdów i cyfrowej transformacji w całym sektorze motoryzacyjnym.

Czym jest pojazd definiowany programowo (SDV)?

Pojazd definiowany programowo to pojazd, w którym oprogramowanie napędza jego podstawową funkcjonalność, umożliwiając ciągłe ulepszenia, rozszerzanie funkcji oraz zdalną optymalizację wydajności. W SDV funkcje i ustawienia pojazdu można łatwo aktualizować lub modyfikować za pomocą aktualizacji oprogramowania w chmurze i połączeń Over-the-Air (OTA). Taka konfiguracja oznacza, że pojazdy nie są już statyczne, ale stale ewoluują, zapewniając nowe funkcje i ulepszone wrażenia użytkownika przez cały okres ich użytkowania.

Kluczowe elementy definiujące SDV

Chińscy producenci OEM są w stanie wprowadzić samochód na rynek w ciągu zaledwie 12 do 18 miesięcy, jednocześnie stale poprawiając doświadczenia klientów przez cały okres eksploatacji pojazdu. Globalnym celem staje się zatem szybkie wprowadzanie na rynek nowych modeli, uwzględnianie opini klientów oraz ulepszanie ogólnych doświadczeń i dostosowywanie zmian – to istota SDV.

Konieczność współpracy i innowacji

Rozwój pojazdów definiowanych programowo (SDV) wymaga ogromnych zasobów, co czyni współpracę przedkonkurencyjną niezbędną do sprostania ogromnym inwestycjom w infrastrukturę i niezróżnicowane oprogramowanie. Aby zbudować ujednolicony fundament, takie inicjatywy współpracy, jak SDV Alliance – obejmujące SOAFEE, AUTOSAR, Eclipse SDV i COVESA – pracują nad standaryzacją architektury oprogramowania i sprzętu w całej branży. Sojusze te mają na celu usprawnienie architektury motoryzacyjnej, zmniejszenie redundancji i przyspieszenie innowacji, a pojawiające się propozycje sugerują nawet wyspecjalizowaną współpracę w zakresie inwestycji w sztuczną inteligencję celem zaspokojenia potężnych potrzeb obliczeniowych pojazdów SDV.

Szybszy postęp dzięki standaryzacji

Standaryzacja ma kluczowe znaczenie dla wspierania współpracy i przyspieszania postępów w branży motoryzacyjnej. Jak zauważyła dr Lisa Wang: „Szybkość wygra konkurencję”. Bez skutecznej standaryzacji opracowywanie niezróżnicowanego oprogramowania może stać się kosztowne i opóźniać wprowadzanie nowych funkcji dla klientów.

Łączność wykraczająca poza pojazd

Przyszłość samochodu wykracza poza sam pojazd, a pojazdy definiowane programowo (SDV) rozszerzają łączność z chmurą i infrastrukturą cyfrową. Innowacje w sieciach szkieletowych Ethernet i rozwiązaniach Over-the-Air (OTA), zapożyczone z technologii serwerowej, są kluczem do następnej generacji samochodów. Łączność ta umożliwia aktualizacje oprogramowania w czasie rzeczywistym bez konieczności ponownego uruchamiania elektronicznej jednostki sterującej (ECU), zapewniając płynniejsze wrażenia użytkownika. Branża zmierza ku przyszłości, w której zewnętrzni deweloperzy mogą tworzyć aplikacje bezpośrednio dla pojazdów, stale rozszerzając ich funkcjonalność i użyteczność.

Abstrakcja sprzętowo-programowa zapewniająca długoterminową elastyczność

Pojazdy SDV wykorzystują abstrakcję sprzętowo-programową, aby oddzielić komponenty sprzętowe od aplikacji programowych, umożliwiając szybką integrację. Dzięki włączeniu warstw abstrakcji do architektury pojazdu, SDV mogą przez wiele lat utrzymywać płynną funkcjonalność i wprowadzać nowe funkcje, zapewniając bez zakłóceń wdrażanie aktualizacji w całej flocie pojazdów. Takie podejście sprawia, że system operacyjny pojazdu może działać w wielu generacjach modeli, podobnie jak smartfony, które mogą uruchamiać najnowsze aktualizacje systemu operacyjnego na różnych urządzeniach.

Ponowne wykorzystanie i ewolucja w celu przyspieszenia innowacji

Istotnym wyzwaniem w branży motoryzacyjnej jest syndrom „nie wynaleziono tutaj” (ang. „not-invented-here”). Powoduje to, że wiele istniejących funkcji jest przepisywanych lub przeprojektowywanych, co nie tylko zwiększa koszty, ale także spowalnia cykle rozwoju. Dodatkowo, takie podejście może prowadzić do niezadowolenia klientów, którzy doświadczają nieoczekiwanych zachowań w ciągle aktualizowanych produktach.

Główne trendy technologiczne napędzające SDV

Pojazdy definiowane programowo opierają się na kilku kluczowych technologiach i trendach, które przekształcają branżę motoryzacyjną:

Zaawansowane technologie półprzewodnikowe

Kluczowym, ale często pomijanym aspektem przemysłu motoryzacyjnego jest wprowadzenie nowych rozwiązań półprzewodnikowych, takich jak eFuses i chiplet, większa integracja i szybkość przetwarzania. Nie bez znaczenia są także wyzwania związane z integracją sieci Ethernet z istniejącymi systemami, w szczególności opóźnienia występujące, gdy dane przechodzą przez wiele bramek podczas przejścia na architekturę strefową. Architektura strefowa stanowi ujednolicający trend w branży, ewoluując od długotrwałego modelu kontrolera domeny i oferując znaczące korzyści. Służy jako potężne centrum obliczeniowe dla przypadków użycia EDGE, umożliwiając ewolucję od definicji elektrycznej do definicji oprogramowania i potencjalnie umożliwiając firmom zewnętrznym wprowadzanie innowacji, upraszczając tym samym procesy aktualizacji oprogramowania.

Integracja AI w motoryzacji

Integracja technologii sztucznej inteligencji staje się stałym elementem w branży motoryzacyjnej, nawet jeśli jej zastosowania nie zawsze są w pełni jasne. AI jest coraz częściej wykorzystywana do zarządzania wymaganiami, pomagając w opracowywaniu funkcji, wspierając procesy cyfrowej homologacji i zwiększając bezpieczeństwo zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS). Dodatkowo częścią tego trendu jest także szkolenie modeli wdrożonych na urządzeniach EDGE.

Postępy w narzędziach dla SDV i autonomicznej jazdy

Ewolucja łańcuchów narzędzi wspierających autonomiczną jazdę i ekosystem pojazdów definiowanych programowo wciąż trwa. Pojawiają się różne pomysły w zakresie kompleksowych rozwiązań narzędziowych, zarówno zamkniętych, jak i otwartych. Duże znaczenie ma tu współpraca pomiędzy wieloma dostawcami korzystającymi z tego samego łańcucha narzędzi. Jest ona wynikiem przeniesienia kontroli nad oprogramowaniem na producentów OEM, którzy muszą stać się liderami w zakresie oprogramowania i tworzyć funkcje wyróżniające markę. Jednym z godnych uwagi postępów są bazujące na różnicach w kodzie aktualizacje OTA (Over-the-Air), a także trendy takie jak monitoring intruzji i nadzór flot pod kątem struktury oprogramowania (Software BOM).

Wysoka wydajność obliczeniowa i łączność satelitarna

Integracja zaawansowanych urządzeń obliczeniowych i łączności satelitarnej będzie odgrywać znaczącą rolę w przyszłości różnych sektorów przemysłu. W prezentacji Jahmy’ego Hindmana z John Deere podkreślono imponujące postępy dokonane w rolnictwie, gdzie autonomiczna jazda i operacje maszynowe stały się możliwe dzięki wykorzystaniu wysokowydajnych procesorów graficznych (GPU) i łączności satelitarnej. Wykorzystanie technologii Starlink umożliwia ciągnikom pracę bez udziału człowieka, co potencjalnie rozwiązuje jeden z największych problemów w rolnictwie: niedobór siły roboczej.

Wpływ oprogramowania open source

W niedawnym badaniu przeprowadzonym przez Harvard oszacowano, że wartość oprogramowania open source w przemyśle globalnym wynosi około 8,8 biliona dolarów, co stanowi dwukrotność PKB Niemiec. Tysiące osób na całym świecie aktywnie utrzymuje i rozwija jądro systemu Linux, a tempo ich wkładu szybko rośnie. Co więcej, najnowsze modele pojazdów odnotowują znaczny wzrost wykorzystania darmowego oprogramowania open-source (FOSS).

Droga jaką muszą pokonać pojazdy definiowane programowo

Dzięki pojazdom definiowanym programowo (SDV) przemysł motoryzacyjny wkracza w erę transformacji, przekształcając samochody w inteligentne systemy, poprawiające wrażenia z jazdy. Nadchodząca dekada będzie wymagać wielu innowacji, współpracy i standaryzacji w celu kształtowania zmieniającego się krajobrazu.
Kluczowe postępy w technologiach półprzewodnikowych, sztucznej inteligencji i oprogramowaniu open-source stwarzają znaczne możliwości przyspieszenia rozwoju połączonych pojazdów, lepiej spełaniających potrzeby użytkowników. Zasadnicze znaczenie dla sprostania wyzwaniom związanym z rozwojem oprogramowania ma współpraca między firmami z branży, pozwalając producentom skoncentrować się na dostarczaniu klientom wyjątkowych doświadczeń.
SDV nie tylko obiecują zwiększoną mobilność, ale także przyczyniają się do realizacji szerszych celów, takich jak zrównoważony rozwój i bezpieczeństwo. W miarę jak branża przyjmuje łączność w chmurze i innowacje oparte na oprogramowaniu, jest gotowa na dynamiczną i wzajemnie połączoną przyszłość, w której możliwości są nieograniczone.

Rola Endego w kształtowaniu przyszłości SDV

W ENDEGO jesteśmy dobrze przygotowani, aby odpowiadać na kluczowe trendy kształtujące branżę motoryzacyjną.

Nasze zespoły ds. systemów i oprogramowania, wraz z ekspertami ds. wiązek przewodów, aktywnie wspierają przejście na architekturę strefową, przybliżając nas do wprowadzenia jej na najbardziej powszechnych platformach OEM. Nasi inżynierowie oprogramowania są przeszkoleni w zakresie optymalizacji integracji różnych stosów oprogramowania, rozwiązań OTA i jednostek ECU o wysokiej wydajności obliczeniowej, zgodnie z ramami takimi jak Classic AUTOSAR, Adaptive AUTOSAR, Linux i Android. Ponadto jesteśmy gotowi, aby pomóc w przyjęciu współczesnych łańcuchów narzędzi i włączeniu sztucznej inteligencji jako współpilota w procesie rozwoju.

Z tego artykułu dowiesz się:

• jakie są wyzwania związane z emisją w silnikach spalinowych,
• jaka jest rola norm emisyjnych,
• jaki wpływ mają gazy spalinowe,
• jakie są wewnętrzne rozwiązania zmniejszające emisje.

Czy mamy problemy z emisją spalin?

Dynamiczny rozwój przemysłu motoryzacyjnego w drugiej połowie XX wieku doprowadził do pojawienia się znacznej liczby pojazdów napędzanych silnikiem spalinowym. Szczególnie w latach 50. i 60. ubiegłego wieku Stany Zjednoczone stanęły przed problemem nadmiernego zanieczyszczenia środowiska. Niedopracowane jednostki napędowe z nieefektywnym procesem spalania okazały się z czasem niewystarczające, dlatego poszukiwano metod poprawy parametrów pracy silników oraz redukcji wysokiego jednostkowego zużycia paliwa. Rosnąca aktywność osób zainteresowanych ekologią zwróciła uwagę na możliwe wyczerpywanie się naturalnych zasobów paliw kopalnych, skażenie środowiska oraz zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi spowodowane zanieczyszczeniem spalinami. W konsekwencji zaczęły pojawiać się ilościowe i jakościowe ograniczenia emisji spalin. Wprowadzenie tych norm poprzedziły rozważania nad złożonymi mechanizmami powstawania szkodliwych i toksycznych związków w silniku spalinowym. Obecnie uznaje się, że obawy przed zniszczeniem środowiska naturalnego przez emisję spalin są znacznie większe niż potencjalne wyczerpanie się naturalnych źródeł paliwa, gdyż duża część złóż pozostaje jeszcze nieodkryta.

Normy – przeszkoda czy siła napędowa innowacji?

Stany Zjednoczone były prekursorem w tworzeniu norm emisji spalin, ustanawiając CARB (California Air Resources Board, 1967) i EPA (United States Environmental Protection Agency, 1970), a w kolejnych latach własne ośrodki do walki z emisją na rynkach lokalnych stworzyły Europa, Japonia i Australia. W efekcie silniki spalinowe podlegają coraz bardziej rygorystycznym wymogom dotyczącym emisji szkodliwych i toksycznych związków chemicznych powstających w procesie spalania paliwa.

Normy emisyjne dotyczą nie tylko pojazdów osobowych, ale także szerokiej gamy pojazdów ciężarowych i maszyn znajdujacych się na lądzie, łodzi i statków na morzu, a nawet samolotów, które przemierzają niebo – wszystkiego, co wykorzystuje silnik spalinowy. Z jednej strony zmusza to inżynierów opracowania technik i technologii zmniejszających emisję spalin, napędzając innowacyjność, ale z drugiej ogranicza jednak rozwój silników, gdyż projektanci muszą uwzględniać odgórne ograniczenia w całym procesie projektowania silnika i podsystemów. Co ciekawe, obecnie normy emisji odnoszą się nie tylko do spalin, ale takze inne czynniki przyczyniające się do zanieczyszczenia, takie jak cząstki stałe z opon i hamulców. Nie bez znaczenia jest również fakt, że wygórowane normy emisji mogą stwarzać warunki, których spełnienie promuje alternatywne metody napędu, takie jak elektryfikacja. Jednostki zasilane energią elektryczną wykazują swoje wielkie zalety w różnych zastosowaniach, udowadniając swoją niezawodność i efektywność na przestrzeni lat. Jednak całkowite odejście od technologii spalania, biorąc pod uwagę różne zastosowania i globalną perspektywę, wydaje się obecnie nierealne. Równolegle zrównoważone rozwiązania energetyczne, w tym przyszłe paliwa do silników spalinowych, mają wielką szansę na sukces. Paliwa te są projektowane w taki sposób, aby oferować niższy wpływ na środowisko w porównaniu do konwencjonalnych paliw kopalnych, takich jak benzyna i olej napędowy.

Co znajdziemy w spalinach?

Ideą silnika spalinowego jest przekształcenie energii chemicznej zawartej w paliwie w energię mechaniczną. Proces ten jest wieloetapowy i bejmuje powtarzające się procesy fizykochemiczne. Efekt końcowy w postaci momentu obrotowego i mocy jest możliwy dzięki głównemu procesowi chemicznemu – reakcji spalania pomiędzy węglowodorami (HC) z paliwa w obecności powietrza zawierającego tlen (O₂) i azot (N₂).

Gazy spalinowe, uważane za substancje odpadowe, powstają podczas utleniania i niepełnego spalania paliw ropopochodnych i muszą być usunięte z silnika lub ponownie wykorzystane. Dokładny skład spalin zależy w dużej mierze od rodzaju paliwa, konstrukcji silnika i warunków pracy. Chociaż większość składu gazów spalinowych stanowią czysty azot i tlen, można wyróżnić trzy główne grupy związków chemicznych:

• Neutralne – H₂O (para wodna),
• Szkodliwe – CO₂ (dwutlenek węgla),
• Toksyczne – CO (tlenek węgla), HC (węglowodory), NO_x (tlenki azotu), PM (cząstki stałe).

Z punktu widzenia ekologicznego najistotniejsze są związki toksyczne, które mają najbardziej niekorzystny wpływ na środowisko i zdrowie, dlatego największy nacisk kładzie się by je ograniczyć. Ich łączna obecność może stanowić mniej niż 1% całkowitego składu spalin. Procesy powstawania związków toksycznych są skomplikowane i zależą od szeregu czynników charakterystycznych dla każdego związku indywidualnie.

Czy możemy oczyścić zanim spalimy?

W przypadku obecnie produkowanych silników spalinowych emisję toksycznych związków trzeba uwzględnić już na jednym z pierwszych etapów projektowania. Konstrukcja poszczególnych elementów silnika i ich powiązania funkcjonalne między podzespołami mają bardzo istotny wpływ na całkowitą emisję. Odpowiednie obliczenia i symulacje pozwalają ocenić już w początkowej fazie projektowania czy konstrukcja będzie w stanie spełnić wymagane prawem normy. Działania mające na celu poprawę konstrukcji silnika i ograniczenie obecnych w spalinach zanieczyszczeń opuszczających silnik nazywane są wewnętrznymi (pierwotnymi) i obejmują głównie:

• zastosowanie układu recyrkulacji spalin – EGR stosowany jest głównie w celu redukcji emisji tlenków azotu oraz pośrednio węglowodorów. Układ kieruje pewną ilość spalin do cylindra (kolektora dolotowego), aby mogły one ponownie wziąć udział w reakcji spalania. Powoduje to częściowe zastąpienie tlenu spalinami, co obniża średnią temperaturę całego procesu spalania. Niższa temperatura cylindra zmniejsza emisję NOx. Pozytywny wpływ EGR na emisję węglowodorów wynika z możliwości utleniania łańcuchów węglowodorowych, które zostały tylko częściowo przerwane podczas pierwotnego procesu spalania.
• rozwój systemów wtrysku paliwa – precyzyjna kontrola ilości paliwa i momentu jego dostarczenia do cylindra prowadzi do zmniejszenia emisji toksycznych związków. Wysokie ciśnienie wtrysku pozwala na lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem w cylindrze, rozbicie dużych kropel paliwa na mniejsze i szybsze odparowanie węglowodorów. Ma to pozytywny wpływ na emisję cząstek stałych, podczas gdy ilość wytwarzanych tlenków azotu wzrasta. Ulepszona konstrukcja wtryskiwaczy zapewnia znacznie krótsze czasy otwarcia i zamknięcia, co pozwala precyzyjniej kontrolować ilość paliwa dostarczanego do cylindra. Dodatkowo, opracowanie strumienia wtrysku zapewnia lepszą dystrybucję paliwa w komorze spalania, co pozytywnie wpływa na rozmiar kropel paliwa.
• poprawa wydajności turbosprężarki -aby proces spalania przebiegał prawidłowo, oprócz paliwa konieczne jest dostarczenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza. W tym celu stosuje się układy zasilania powietrzem wyposażone w turbosprężarkę, która wtłacza powietrze pod zwiększonym ciśnieniem do cylindrów. Ciśnienie doładowania powietrza pozwala obniżyć stopień sprężania oraz zmniejszyć zużycie paliwa, co przekłada się na ograniczenie emisji związków toksycznych przy bez pogorszenia parametrów pracy silnika.
• zmniejszenie emisji węglowodorów – istotnym problemem w przypadku silników spalinowych jest strata węglowodorów pochodzących z paliwa, które nie uczestniczy aktywnie w procesie spalania, oraz oleju smarowego. Istnieje kilka źródeł czystych węglowodorów, z których emisja jest ograniczana – skrzynia korbowa i układ paliwowy. Podczas pracy silnika spalinowego w skrzyni korbowej powstaje ciśnienie gazu, które musi mieć możliwość ucieczki do atmosfery, aby chronić silnik przed uszkodzeniem. Ze względu na wysoką temperaturę silnika, olej smarujący paruje, a paliwo dostaje się do skrzyni korbowej w wyniku nieszczelności w układzie cylinder-pierścienie-tłok. Nowoczesne silniki wykorzystują zamknięty układ wentylacji skrzyni korbowej (CCV), w którym zanieczyszczone gazy i opary są filtrowane – olej wraca do skrzyni korbowej, a gazy są ponownie wprowadzane do kolektora dolotowego.
• Optymalizacja faz rozrządu – optymalizacja faz rozrządu zapewnia efektywne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania. Zmniejsza to ilość niespalonego paliwa i węglowodorów w spalinach.

W obrębie silnika można wyróżnić także inne metody, które dodatkowo wpływają na niską emisję toksycznych związków w spalinach. Przykładem może być optymalizacja układów chłodzenia silnika w celu utrzymania temperatury jednostki napędowej w zakresie najniższej emisji, elektryfikacja podzespołów w celu zmniejszenia wysiłku jednostki napędowej czy dobór odpowiedniej jakości paliw i olejów. Projektanci silników aktywnie rozwijają kolejne aspekty silników spalinowych w celu zapewnienia odpowiedniej jakości spalin.

Utrzymanie znaczenia silników spalinowych w bardziej ekologicznej przyszłości

Choć silniki spalinowe stoją w obliczu rosnących regulacji środowiskowych i konkurencji ze strony napędów elektrycznych, ciągłe innowacje w zakresie redukcji emisji podkreślają ich potencjał w zmieniającym się rynku. Dzięki zaawansowanym strategiom projektowym inżynierowie aktywnie zmniejszają wpływ tych silników na środowisko. Te osiągniecia, w połączeniu z systemem oczyszczania spalin, który przedstawimy w kolejnym artykule, oraz zrównoważonymi opcjami paliwowymi, wskazuje że technologia silników spalinowych może nadal odgrywać znaczącą rolę obok rozwiązań elektrycznych – zwłaszcza w zastosowaniach, w których pełna elektryfikacja pozostaje wyzwaniem. W miarę rozwoju branży, koncentracja na czystszej technologii spalania podkreśla zrównoważone podejście do mobilności, które integruje zarówno tradycyjne, jak i alternatywne systemy napędowe, dążąc do zrównoważonej przyszłości wykorzystującej mocne strony każdego z nich.

Amerykański start-up opracowujący elektryczny pojazd trójkołowy musiał ustanowić nowy proces rozwoju wiązek, który płynnie integrowałby się z innymi obszarami rozwoju. Wiązki musiały obejmować zarówno obszary wysokiego napięcia (HV), jak i niskiego napięcia (LV) (w tym transmisję danych CAN/LIN), kładąc nacisk na wykorzystanie komponentów dostępnych na rynku amerykańskim i projektowanie nowych elementów w celu optymalizacji przyszłych kosztów produkcji.

Rozwiązanie: Zintegrowane podejście Endego

Endego wdrożyło zespół ds. rozwoju wiązek, wysyłając inżyniera-rezydenta do USA w celu usprawnienia komunikacji i rozwiązywania problemów w czasie rzeczywistym. Nasz zespół wykorzystał wieloletnie doświadczenie, aby zintegrować niezbędne narzędzia projektowe i opracować dodatkowe komponenty. We współpracy z naszym działem CAE przeprowadziliśmy symulacje dynamiczne i termiczne wiązek przewodów, przestrzegając standardów projektowych obowiązujących na rynku amerykańskim. Dostosowaliśmy również europejskie bazy danych komponentów do wymagań amerykańskich, zapewniając płynną integrację i efektywność kosztową.

Kluczowymi elementami naszego rozwiązania były:

• pełny zespół ds. rozwoju wiązek przewodów: Endego zapewniło dedykowany zespół z dużym doświadczeniem w pracy z europejskimi producentami OEM, systemami, procesami i standardami,
• inżynier-rezydent w USA: inżynier-rezydent został wysłany do Stanów Zjednoczonych, aby ułatwić ścisłą współpracę z klientem, zapewniając płynną komunikację i rozwiązywanie problemów w czasie rzeczywistym,
• integracja narzędzi do opracowywania wiązek: Endego integruje specjalistyczne narzędzia do projektowania i rozwoju wiązek przewodów,
• projektowanie wiązek wysokiego i niskiego napięcia: zespół opracował kompletne wiązki wysokiego napięcia (HV) i niskiego napięcia (LV), w tym transmisję danych za pośrednictwem protokołów CAN/LIN,
• symulacje dynamiczne i termiczne: Endego przeprowadziło symulacje dynamiczne i termiczne, które były zgodne z amerykańskimi standardami rynkowymi,
• dostosowanie bazy danych komponentów: europejskie bazy danych komponentów zostały dostosowane do wymagań rynku amerykańskiego,
• zgodność z normami bezpieczeństwa funkcjonalnego: zespół zapewnił zgodność z normami bezpieczeństwa funkcjonalnego ISO 26262, a także dostosował je do warunków i komponentów specyficznych dla USA,
• terminowość projektu: klient był w stanie ukończyć projekt w oczekiwanym terminie dzięki wydajności i współpracy zapewnionej przez zespół Endego.

Technologie: Zaawansowane narzędzia i wiedza

Nasze rozwiązanie wykorzystywało szereg zaawansowanych technologii i metodologii:

• bezpieczeństwo funkcjonalne (FUSA): włączenie zasad bezpieczeństwa funkcjonalnego w celu spełnienia rygorystycznych norm bezpieczeństwa.
• wysokie napięcie (HV) i niskie napięcie (LV): doświadczenie w projektowaniu wiązek HV i LV.
• VeSys i NX Routing Electrical: wykorzystanie tych narzędzi do precyzyjnego i wydajnego projektowania układów elektrycznych.
• LDorado: wykorzystanie LDorado do zaawansowanego opracowywania rysunków produkcyjnych.
• protokoły komunikacyjne: integracja protokołów CAN i LIN w celu zapewnienia niezawodnej komunikacji w pojeździe.

Oczekiwania i standardy dla rozwoju kompletnego samochodu:

• integracja narzędzi: coraz większa zależność od integracji wielu narzędzi projektowych w celu usprawnienia przepływu pracy,
• wsparcie inżynieryjne na miejscu: rosnące zapotrzebowanie na wsparcie inżynieryjne na miejscu w celu ułatwienia rozwiązywania problemów i adaptacji w czasie rzeczywistym,
• bezpieczeństwo funkcjonalne: nacisk na uwzględnienie zasad bezpieczeństwa funkcjonalnego w celu spełnienia rygorystycznych norm bezpieczeństwa,
• efektywność kosztowa komponentów: nacisk na wykorzystanie istniejących na rynku części w celu obniżenia kosztów i usprawnienia produkcji,
• kompleksowa symulacja: Wykorzystanie symulacji dynamicznych i termicznych do walidacji projektów i zapewnienia zgodności z normami.

Kompetencje Endego

Kompetencje Endego w zakresie projektowania i rozwoju wiązek są szerokie i obejmują każdy aspekt, od wstępnych schematów elektrycznych po końcową produkcję. Nasze możliwości obejmują takie obszary jak:

• ekspertyza procesowa: pomaganie klientom we wdrażaniu określonych procesów rozwoju w celu usprawnienia realizacji projektu,
• wdrożenie do produkcji: efektywne wdrażanie produktów do produkcji w celu zapewnienia płynnej integracji i wysokiej jakości,
• schematy elektryczne: tworzenie schematów elektrycznych, które służą jako plan dla projektów wiązek,
• packaging,
• modele 3D i rysunki 2D: opracowywanie modeli 3D i rysunków produkcyjnych 2D,
• projektowanie komponentów: projektowanie i optymalizacja poszczególnych komponentów,
• symulacje,
• FuSa.

Aby uzyskać bardziej szczegółowy wgląd w nasze kompetencje, odwiedź naszą stronę Wiązki przewodów.

Niedawny projekt Endego z amerykańskim startupem podkreśla naszą zdolność do pokonywania złożonych wyzwań projektowych i dostarczania specjalistycznych rozwiązań w zakresie rozwoju wiązek przewodów. Wykorzystując najnowocześniejsze technologie i naszą rozległą wiedzę, z powodzeniem pomogliśmy naszemu klientowi wprowadzić na rynek elektryczny pojazd trójkołowy na czas.

W przypadku pytań lub dodatkowych informacji na temat naszych usług, prosimy o kontakt.

Duży rozgłos zyskują w tym kontekście inicjatywy podejmowane i realizowane przez polskie firmy. Doskonałym przykładem tego jest lokomotywa wodorowa SM42-6Dn zaprojektowana przez firmę PESA Bydgoszcz. Przyznanie jej homologacji przez Urząd Transportu Kolejowego spotkało się ze sporym zainteresowaniem mediów, nie tylko tych branżowych. Kolej wodorowa rozpala wyobraźnię i daje nadzieję na to, że w ciągu najbliższych dekad znacząco ograniczmy emisyjność transportu kolejowego. Zachęcamy do lektury artykułu, w którym pokrótce opisujemy:

• historię kolei wodorowej
• miejsce, w którym znajdują się polskie przedsiębiorstwa przemysłu kolejnictwa wodorowego – na czele z bydgoską firmą PESA,
• wyzwania i perspektywy związane z rozwojem i upowszechnieniem pociągów na wodór.

Historia
kolei wodorowej – jak rozwijała się ta koncepcja na przestrzeni lat?

Od ponad 20 lat lokomotywy wodorowe oraz inne rozwiązania technologiczne oparte na wykorzystaniu tego paliwa stanowią jedno z kluczowych zagadnień w dyskusji na temat przyszłości transportu kolejowego. Sama koncepcja zastosowania ogniwa wodorowego do napędzania pojazdów jest jednak znacznie starsza. Z jego praktycznym wykorzystaniem w inżynierii mieliśmy do czynienia już w połowie lat 60. XX w., gdy zamontowano je na pokładzie promu kosmicznego, który brał udział w misji Apollo. Poza sektorem kosmicznym rozwiązanie nie okazało się jednak przełomem. Barierą jego rozwoju i upowszechnienia były takie czynniki jak m.in. niski poziom ówczesnej świadomości ekologicznej oraz stosunkowo wysoki koszt technologii.

Jeszcze w latach 90. XX w. zaczęto podejmować próby wdrożenia ogniw wodorowych w autobusach, jednak na początek intensywniejszego rozwoju tej technologii w transporcie publicznym i prywatnym trzeba było poczekać do nowego tysiąclecia. Wystarczy wspomnieć, że za umowną datę pierwszego użycia terminu „kolej wodorowa” przyjmuje się 22 sierpnia 2003 r. Sformułowanie to padło podczas wygłaszania prezentacji „Mooresville Hydrail Initiative” w Centrum Systemów Transportowych Volpe Departamentu Transportu USA w Cambridge. Co ciekawe, pierwsza kopalniana lokomotywa zasilana wodorem została zademonstrowana w Kanadzie w 2002 r. – czyli rok wcześniej. O skali wyzwań związanych z implementacją technologii wodorowej niech świadczy fakt, że na wdrożenie wagonu wodorowego trzeba było poczekać do 2006 roku, a kolejne 12 lat musiało minąć, aby do eksploatacji wszedł model Coradia iLint – pierwszy na świecie komercyjny pasażerski pociąg zasilany wodorem. 17 września 2018 roku dwa pierwsze tego typu pojazdy włączono do użytku w Dolnej Saksonii.

Potencjał kolei wodorowej zauważa wiele krajów dążących do modernizacji swojego transportu szynowego. Inwestycje w pociągi wodorowe lub hybrydowe (wodorowo-elektryczne) są planowane i realizowane m.in. we Francji, we Włoszech czy w Anglii. Dzięki wykorzystaniu tej technologii brytyjskie koleje zamierzają do 2040 roku całkowicie wycofać się z użytkowania pociągów spalinowych. Koncepcją pasażerskiego pociągu wodorowego interesują się również kraje spoza Europy, takie jak np. Kanada, USA czy Korea Południowa. Warto zaznaczyć, że toczą się również prace nad lokomotywami wodorowymi wykorzystywanymi np. do pracy manewrowej na stacjach rozrządowych czy wewnątrz zakładów przemysłowych.

Na jakim etapie są prace nad rozwojem kolei wodorowej w Polsce?

Inwestycje w rozwój pociągów i lokomotyw wodorowych mają miejsce także w Polsce. Warto zauważyć, że priorytetowo pojazdy kolejowe zasilane wodorem stosuje się w roli alternatywy dla pociągów spalinowych na liniach niezelektryfikowanych. Nasz kraj wypada bardzo dobrze na tle średniej unijnej pod względem wskaźnika elektryfikacji linii, przez co mogłoby się wydawać, że zainteresowanie pociągami i lokomotywami wodorowymi będzie mniejsze. Jest to mylne wrażenie – w Polsce mamy do czynienia z niskim poziomem wykorzystania sieci kolejowej, który jest związany m.in. ze ograniczoną obsługą linii niezelektryfikowanych. Jeśli zostaną podjęte decyzje o zwiększeniu stopnia wykorzystania sieci kolejowej, to pociągi wodorowe mogą okazać się bardzo korzystnym rozwiązaniem umożliwiającym obniżenie emisyjności polskiej kolei.

Pracę nad projektem, jakim jest pierwsza polska lokomotywa wodorowa, rozpoczęło kilka lat temu bydgoskie przedsiębiorstwo kolejowe PESA. Rezultatem tego przedsięwzięcia jest lokomotywa manewrowa SM42-6Dn, którą napędzają dwa ogniwa wodorowe. Wyposażono ją w cztery asynchroniczne silniki trakcyjne o mocy 180 kW każdy oraz dostęp do zbiorników wodoru o pojemności 175 kg. Ogniwa wodorowe wytwarzają energię i poprzez baterię trakcyjną zasilają wszystkie cztery silniki. Umożliwia to lokomotywie osiągnięcie maksymalnej prędkości równej 90 km/h. Co istotne, pojemność zbiorników na wodór jest dostosowana w taki sposób, aby jedno tankowanie pozwalało na całą dobę pracy manewrowej. Warto dodać, że lokomotywa manewrowa SM42-6Dn ma wbudowany system rozpoznawania przeszkód oraz system jazdy autonomicznej. Dzięki temu maszynista może jednoosobowo sterować radiowo pojazdem podczas ustawiania składów.

Premiera bydgoskiej lokomotywy zasilanej wodorem miała miejsce podczas Międzynarodowych Targów Kolejowych TRAKO 2021. W połowie 2023 roku została ona dopuszczona do eksploatacji przez Urząd Transportu Kolejowego. W niedalekiej przyszłości powstanie polski pociąg na wodór. Pierwsze składy pasażerskie wykorzystujące ogniwa wodorowe PESA Bydgoszcz planuje uruchomić do 2026 roku.

Dlaczego pociąg wodorowy może zrewolucjonizować transport kolejowy?

Dążenie do redukcji emisyjności transportu kolejowego sprawia, że coraz więcej krajów przeznacza duże środki finansowe na rozwój pociągów wodorowych. Co sprawia, że w tej technologii pokładane są tak duże nadzieje?

Bezpieczeństwo i wydajność energetyczna

Jednym z głównych powodów, dla których kolej wodorowa cieszy się tak dużym zainteresowaniem, jest potencjał ekologiczny. Spalanie wodoru nie wiąże się z emisją gazów cieplarnianych. Jedynymiproduktami ubocznymi jego wykorzystania jako paliwa są ciepło i woda.

Bezpieczeństwo i wydajność energetyczna

Dużą zaletą ogniw wodorowych jest ich wydajność energetyczna. Wynika to w dużej mierze z charakterystyki wodoru, który w odniesieniu do masy cechuje się największą wśród paliw wartością opałową i ciepłem spalania. Co równie istotne, pociągi wodorowe nie ustępują pod względem bezpieczeństwa konwencjonalnym środkom transportu.

Możliwość zastąpienia pociągów spalinowych

Wdrożenie pociągów wodorowych umożliwia redukcję liczby pociągów spalinowych poruszających się po niezelektryfikowanych liniach. W ogólnym ujęciu kolej wodorowa może przyczynić się również do zwiększenia efektywności energetycznej transportu kolejowego, ponieważ lokomotywy wodorowe charakteryzują się dobrą wydajnością, mogąc przemierzać długie trasy bez częstego tankowania.

Redukcja hałasu

Istotnym atutem pociągów wodorowych jest niski poziom emisji hałasu, co ma szczególne znaczenie w kontekście komfortu osób mieszkających niedaleko torów kolejowych.

Efektywna praca w niskich temperaturach

Ogniwa wodorowe, które są podstawą kolejowej technologii wodorowej, charakteryzują się sprawną pracą w niskich temperaturach.

Korzystna alternatywa dla elektryfikacji linii kolejowych

Kolej wodorowa stanowi wartą rozważenia alternatywę dla inwestycji związanych z elektryfikacją linii kolejowych. Ten aspekt ma szczególne znaczenie w przypadku rynków takich jak np. Ameryka Północna, gdzie zelektryfikowane linie występują bardzo rzadko.

Uniwersalność

Kwestią, na którą warto zwrócić uwagę w kontekście wykorzystania wodoru w obszarze kolejnictwa, jest także szeroka gama jego zastosowań. W oparciu o tę technologię możliwa jest modernizacja wielu różnych rodzajów transportu szynowego, w tym m.in. kolei pasażerskiej, towarowej czy przemysłowej.

Jakie wyzwania wiążą się z koleją wodorową?

Droga do osiągnięcia celu w postaci opłacalnego i efektywnego wdrożenia pociągów wodorowych nie jest prosta. Jednym z podstawowych problemów, z jakimi należy sobie poradzić, jest konieczność inwestycji w odpowiednią infrastrukturę. Niezbędna jest m.in. rozbudowana sieć stacji tankowania wodoru oraz wyszkolenie odpowiedniej liczby pracowników, którzy będą posiadali wiedzę potrzebną do prawidłowej eksploatacji oraz konserwacji całego systemu.

Kolejnym wyzwaniem związanym z wodorową rewolucją transportu kolejowego jest sposób pozyskiwania samego wodoru. W przypadku części z testowanych do tej pory pociągów zasilanych ogniwami paliwowymi wykorzystywano tzw. wodór szary, mogący być produktem reformingu metanu, zgazowania węgla czy rozbicia wody na poszczególne pierwiastki. Wykorzystanie w tym kontekście energochłonnych i emisyjnych procesów stoi w sprzeczności z ekologicznym zamysłem wodorowej technologii kolejowej. Długofalowym celem jest korzystanie z tzw. zielonego wodoru, który uzyskuje się w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii z odnawialnych źródeł, np. farm wiatrowych czy paneli fotowoltaicznych.

Podsumowanie

Potencjał tkwiący w pociągach wodorowych sprawia, że na inwestycję w tę technologię decyduje się wiele krajów na całym świecie. Bezemisyjność, jaką będą w stanie zapewnić nowoczesne pojazdy szynowe zasilane wodorem, może sprawić, że staną się one w przyszłości fundamentem ekologicznej rewolucji w transporcie kolejowym. Za finansowaniem rozwoju kolei wodorowej przemawiają jednak nie tylko argumenty dotyczące ochrony środowiska. Wśród istotnych atutów pociągów wodorowych można wymienić także m.in. ich wydajność, niski poziom generowanego hałasu, bezpieczeństwo czy efektywną pracę w niskich temperaturach. Opłacalne wdrożenie pojazdów kolejowych wiąże się jednak z pewnymi wyzwaniami, takimi jak np. konieczność stworzenia odpowiedniej infrastruktury, wykształcenie pracowników, a także efektywne pozyskiwanie wodoru zielonego.

Projektowanie pojazdów szynowych zasilanych wodorem jest przedsięwzięciem wymagającym od zajmujących się nim specjalistów odpowiedniego know-how oraz wieloletniego doświadczenia w realizacji zaawansowanych projektów technologicznych z obszaru transportu kolejowego. Znajomość specyfiki tego sektora jest kluczowa, ponieważ charakter produkcji pojazdów szynowych znacząco różni się od standardów, zgodnie z którymi realizowane jest np. projektowanie przemysłowe w branży automotive. W Endego od lat specjalizujemy się w prowadzeniu projektów technologicznych dla firm z branży kolejowej. Z sukcesami współpracowaliśmy z wiodącymi krajowymi przedsiębiorstwami kolejowymi, takimi jak m.in. PESA, czyli twórca pierwszej polskiej lokomotywy wodorowej, czy Polski Tabor Szynowy – Wagon.

Szukasz sprawdzonego zespołu inżynierów, który ma doświadczenie w projektowaniu kluczowych elementów mających wpływ na funkcjonalność, efektywność i estetykę pojazdów szynowych? Skontaktuj się z nami i wspólnie kreujmy przyszłość transportu kolejowego!

Nasze usługi obejmują:

• Projektowanie samochodu
• Projektowanie pojazdów użytkowych i autobusów
• Projektowanie pojazdów szynowych
• Projektowanie maszyn rolniczych
• Projektowanie maszyn roboczych
• Projektowanie motocykli
• Projektowanie nadwozia
• Projektowanie wnętrz pojazdów
• Projektowanie oświetlenia i optyki pojazdów
• Projektowanie wiązek przewodów
• Oprogramowanie do samochodów
• Usługi symulacji inżynierskich CAE
• Projektowanie układów napędowych

Zapraszamy do kontaktu!

Pojazdy zasilane wodorem stanowią jeden z najdynamiczniej rozwijających się obszarów sektora transportu zbiorowego. Wpływ mają na to m.in. różnego rodzaju dofinansowania unijne, które wspomagają proces implementacji autobusów wodorowych do tkanek miejskich. W dalszej części tego artykułu przeanalizujemy m.in. z czego wynika tak duże zainteresowanie autobusami na wodór, jakie są ich główne zalety, jaka jest ich ogólna zasada działania, a także jak kształtuje się obecna sytuacja, jeśli chodzi o wykorzystanie tego rodzaju niskoemisyjnych pojazdów w Polsce i na świecie.

Autobus wodorowy – jeden z fundamentów transportu zbiorowego przyszłości

Zwiększenie sprawności energetycznej pojazdów oraz stopnia wykorzystania energii odnawialnej należą obecnie do strategicznych celów europejskiej polityki transportowej i energetycznej. Z podobnymi ambicjami możemy spotkać się również w innych częściach świata. Motywacją do podejmowania działań w tym kierunku jest przede wszystkim chęć zapobiegania postępującym zmianom klimatycznym oraz wzrostowi zanieczyszczenia powietrza. Z uwagi na to, że istotnym czynnikiem negatywnie wpływającym na jakość powietrza w miastach jest komunikacja zbiorowa, stała się ona jednym z obszarów, na których szczególnie skoncentrowano się w ramach rozwoju nowych, bardziej „zielonych” technologii.

Proces unowocześniania transportu zbiorowego oraz przekształcania go w kierunku niskoemisyjności nabrał przez lata wielotorowego charakteru. Istotna część uwagi w ostatnich dekadach poświęcona była elektromobilności rozumianej głównie jako pojazdy BEV (Battery Electric Vehicles), czyli takie, które zasilane są za sprawą energii elektrycznej zmagazynowanej w bateriach nadających się do ponownego ładowania. Przez ten czas – można by rzec nieco w cieniu – zachodził również systematyczny postęp w zakresie wykorzystania technologii wodorowych do napędu w autobusach i tramwajach. Sprzyjały temu różne inicjatywy, takie jak m.in. międzynarodowy projekt CHIC, który miał na celu wsparcie procesu wprowadzania na rynek autobusów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi.

Od dłuższego czasu rozkwit transportu zbiorowego opartego o wodór możemy zaobserwować także w Polsce. Na ulicach większych i mniejszych miast w naszym kraju coraz częściej można zaobserwować regularnie kursujące autobusy wodorowe, które zachęcają pasażerów nowoczesnym, ergonomicznym wyposażeniem i praktycznymi udogodnieniami, w postaci np. gniazd USB pozwalających na ładowanie telefonu czy darmowego Wi-Fi. O rozwojowej sytuacji w tym obszarze świadczy jeden ze wskaźników osiągnięcia celów założonych w Polskiej Strategii Wodorowej do roku 2030 z perspektywą do roku 2040 r. Jest nim liczba będących w użyciu zeroemisyjnych autobusów wodorowych, która ma wynosić:

• od 100 do 250 autobusów do 2025 roku,
• od 800 do 100 autobusów do 2030 roku.

Warto w tym momencie zadać sobie pytanie: co sprawia, że autobusy na wodór są rozwiązaniem, w którym tak mocno pokładane są nadzieje? Najistotniejszym czynnikiem, który determinuje wiarę w przełomowy charakter tego rodzaju pojazdów, są liczne atuty wodoru jako paliwa. Jakie można wyróżnić najważniejsze zalety zastosowania wodorowych ogniw paliwowych do zasilania autobusów miejskich?

• Krótki czas pełnego tankowania – jest to jeden z kluczowych atutów autobusów wodorowych, a zarazem bardzo duża przewaga nad pojazdami opartymi na stricte elektrycznym zasilaniu. Autobus wodorowy (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle; pojazd elektryczny z napędem na ogniwa paliwowe) tankuje się średnio przez ok. 15 minut, podczas gdy autobus bateryjny (BEV) może wymagać nawet kilku godzin ładowania (w przypadku ładowarek typu plug-in).
• Dobry zasięg – zwolennicy autobusów wodorowych zwracają uwagę na ich wysoką wydajność. Wykorzystujący wodorowe ogniwa paliwowe autobus może być w stanie pokonać nawet do 400 kilometrów na jednym ładowaniu.
• Niskooemisyjność – bardzo ważną kwestią w kontekście nieustającego zainteresowania nowoczesnymi autobusami miejskimi zasilanymi wodorem są ich walory ekologiczne. Przy założeniu, że wykorzystują one tzw. zielony wodór (wodór wytwarzany w procesie elektrolizy wody z wykorzystaniem energii odnawialnej), ich eksploatacja nie wiąże się z emisją CO2, co czyni je pojazdami zeroemisyjnymi. Nawet jednak w przypadku użycia tzw. szarego wodoru (wodór wytwarzany w procesie reformingu gazu ziemnego lub innych węglowodorów, które powstały w procesie rafinacji ropy naftowej) możemy mówić o niskoemisyjności korzystających z niego autobusów. Produktem pracy ogniw wodorowych jest bowiem jedynie energia elektryczna, która zasila pojazd, a także energia cieplna i woda.
• Bezpieczeństwo – odpowiednio zaprojektowany autobus wodorowy jest pojazdem nie tylko ekologicznym i ekonomicznym, ale także bezpiecznym. Wynika to, między innymi, z właściwości samego wodoru, który jest znacznie lżejszy od powietrza, a przy tym charakteryzuje się wysoką temperaturą samozapłonu w powietrzu, równą 585°C. To znacznie więcej niż np. w przypadku benzyny, której temperatura samozapłonu to ok. 215°C. Lekkość wodoru sprawia, że w sytuacji ewentualnego wycieku błyskawicznie zaczyna unosić się w powietrzu, dzięki czemu maleje ryzyko zapłonu. Wysoka temperatura samozapłonu w powietrzu utrudnia z kolei zapoczątkowania procesu spalania wodoru z powietrzem bez udziału dodatkowych czynników, co ma istotne znaczenie w kontekście bezpieczeństwa w wypadku ewentualnej kolizji.
• Efektywność w trudniejszych warunkach – w przypadku autobusów na wodór nie mamy do czynienia z drastycznym obniżeniem parametrów jazdy w niższych temperaturach.

Istnieją również inne przyczyny tego, że coraz więcej ośrodków miejskich decyduje się na inwestycję w autobusy wodorowe. Warto w tym kontekście wspomnieć m.in. o:

• niskim poziomie hałasu i wibracji generowanych przez tego rodzaju środki transportu zbiorowego,
• braku obciążania lokalnej sieci energetycznej,
• różnego rodzaju programach dotacji wspomagających transformację wodorową komunikacji miejskiej na danym obszarze.

Jak działa nowoczesny autobus wodorowy?

Wiele osób nawet nie zdaje sobie sprawy z tego, że autobusy wodorowe są w gruncie rzeczy pojazdami elektrycznymi. Wykorzystują one zestawy wodorowych ogniw paliwowych umożliwiających produkcję energii elektrycznej. Produktami ubocznymi w tym procesie są jedynie energia cieplna i woda. Wytworzony prąd jest kierowany do napędu autobusu i – w przypadku wielu modeli tych pojazdów – do baterii. Zadaniem takiej baterii jest zapewnienie wsparcia wodorowym ogniwom paliwowym, gdy występuje zwiększone zapotrzebowanie pojazdu elektrycznego na energię. Obrazowo można więc ująć to tak, że nowoczesne autobusy na wodór są tak naprawdę pojazdami elektrycznymi z własnymi „mini-elektrowniami” na dachach.

Na jakiej zasadzie pracują ogniwa wodorowe wykorzystywane w autobusach?

Aby lepiej zrozumieć to, jak funkcjonuje autobus wodorowy, warto omówić działanie wodorowego ogniwa paliwowego, które jest wykorzystywane do produkcji prądu zasilającego napęd tego nowoczesnego pojazdu. Ogniwo wodorowe składa się z trzech podstawowych elementów, do których należą:

• anoda, czyli elektroda ujemna,
• katoda, czyli elektroda dodatnia,
• membrana wymiany protonów, często w postaci elektrolitu polimerowego – rozdziela katodę i anodę.

Wodorowe ogniwo paliwowe wykorzystuje reakcję odwróconej elektrolizy, w której biorą udział: tlen z powietrza oraz wodór dostarczany ze zbiorników zamontowanych w autobusie. Pozwala ona na wytworzenie prądu podczas użytkowania pojazdu, produkując przy tym jedynie ciepło i parę wodną, usuwaną na zewnątrz. W efekcie nie powstają więc żadne szkodliwe substancje, dzięki czemu autobus na wodór może nosić miano pojazdu bezemisyjnego. Wyprodukowany prąd trafia do napędu pojazdu oraz do baterii wspomagającej ogniwa w przypadku większego zapotrzebowania na energię.stem and to the battery that supports the cells in the event of higher energy demand.

Jaki jest mechanizm działania autobusu wodorowego?

W jaki sposób zestaw ogniw wodorowych jest w stanie napędzić nowoczesny autobus? To wieloetapowy proces, który warto poddać szczegółowej analizie.

1. Etapem inicjującym cały proces przepływu energii w pojeździe jest doprowadzenie do ogniwa wodorowego tlenu w postaci oczyszczanego przez specjalne filtry powietrza oraz wodoru ze zbiorników umieszczonych najczęściej na dachu pojazdu. Wodór zostaje przetransportowany do anody, natomiast tlen – do katody. Co istotne, powierzchnie obu elektrod są pokryte katalizatorem.
2. Wodór doprowadzony do anody inicjuje reakcję z katalizatorem. Dochodzi do jego utlenienia, przez co rozpada się na elektrony i protony w postaci kationów wodorowych.
3. Membrana wymiany protonów przepuszcza przez siebie wyłącznie protony, które przechodzą na stronę katody, natomiast blokuje przepływ elektronów powstałych w wyniku rozkładu wodoru.
4. Elektrony pochodzące z utleniania wodoru są kierowane do katody przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc prąd, który jest wykorzystywany do napędzania silnika elektrycznego autobusu.
5. Kiedy elektrony zostaną przetransportowane do katody, wiążą się ze znajdującym się tam tlenem i następuje ich redukcja do anionów tlenkowych.
6. Protony powstałe w wyniku utleniania wodoru przechodzą do katody przez membranę, gdzie reagują z anionami tlenkowymi, w wyniku czego powstaje woda i energia cieplna.

Wytworzony przez zestaw wodorowych ogniw paliwowych prąd jest dostarczany do silnika elektrycznego autobusu, a także do baterii trakcyjnej pełniącej funkcję wspomagającą. Dzięki wyprodukowanemu prądowi pojazd może ruszyć, a woda będąca efektem ubocznym pracy ogniw jest usuwana na zewnątrz.

Autobusy wodorowe w Polsce – jak wygląda aktualna sytuacja?

Czynione w ostatnich latach inwestycje powodują, że Polska powoli staje się coraz istotniejszym uczestnikiem europejskiego rynku autobusów wodorowych. Rośnie liczba polskich miast, które obsługują przewoźnicy dołączające do swoich flot kolejne autobusy wykorzystujące wodorowe ogniwa paliwowe. Wśród pojazdów testowanych i wdrażanych w naszym kraju znajdują się zarówno autobusy wodorowe zagranicznych koncernów, takich jak np. Mercedes, jak i polskich firm. Koronnymi przykładami rodzimych modeli autobusów wodorowych są m.in. NesoBus, produkowany w nowo powstałym zakładzie w Świdniku, jak i Solaris Urbino 12 Hydrogen.

Marka NesoBus została powołana do życia jako inicjatywa należąca do grupy spółek Grupa Polsat Plus i ZE PAK. Sygnowany nią autobus został od podstaw zaprojektowany jako konstrukcja wodorowa zasilana zielonym wodorem, co czyni go rozwiązaniem bezemisyjnym. Charakteryzuje go m.in.:

• imponujący zasięg – do 450 km,
• krótki czas tankowania – do 15 minut,
• duża efektywność – może jeździć bez tankowania nawet przez 2 dni; zużywa średnio około 8 kg wodoru na 100 km, a jego zbiorniki mieszczą 37,5 kg wodoru,
• spora pojemność – mieści do 93 pasażerów, w tym do 37 na miejscach siedzących,
• wysoka jakość zastosowanych wodorowych ogniw paliwowych, pochodzących od wiodącego dostawcy tego rodzaju rozwiązań, czyli firmy Ballard,
• solidność zbiorników wodorowych – szczególnie istotna w kontekście bezpieczeństwa pojazdu – dostarczanych przez specjalistów w tym zakresie, firmę Hexagon,
• ergonomiczna, modułowa zabudowa, pozwalająca na zastępowanie elementów całego układu wodorowego innymi, cechującymi się lepszymi parametrami,
• konstrukcja oparta o wykorzystanie nowoczesnych, lekkich materiałów oraz wydajne systemy klimatyzacji i ogrzewania – przyczyniają się do obniżenia zapotrzebowania na energię elektryczną, a także na zużycie paliwa w postaci wodoru,
• nowoczesny design, za który odpowiadała firma Torino Design, mająca duże doświadczenie we współpracy z sektorem automotive.

Warto zwrócić uwagę również na sugestywną nazwę NesoBusa, której pierwsze cztery litery pochodzą od zwrotu: „Nie Emituje Spalin, Oczyszcza (powietrze)”. Wywodzi się ona z tego, że ten polski autobus wodorowy przyczynia się do likwidacji emisji szkodliwych substancji, w tym m.in. dwutlenku węgla, tlenków azotu i pyłów, a w szczególności drobnych pyłów PM 2,5. Na wdrożenie NesoBusów w swojej flocie komunikacji miejskiej zdecydował się już np. Rybnik, a z czasem będzie można je zobaczyć także choćby w Gdańsku czy Chełmie.

W dziedzinie, jaką jest projektowanie przemysłowe autobusów wodorowych oraz ich produkcja, duże sukcesy odnosi także firma Solaris Bus & Coach. Znajduje to potwierdzenie w danych, które wskazują, że udziały tego producenta w europejskim rynku autobusów wodorowych wyniosły w 2023 roku aż 44,5 %. Polskie autobusy wodorowe Solaris Urbino 12 Hydrogen są ważnym elementem komunikacji miejskiej w ponad 20 miejscowościach położonych w różnych państwach Starego Kontynentu, w tym m.in. w Niderlandach, we Włoszech, w Niemczech, w Austrii czy w Szwecji. W Polsce ten model możemy spotkać np. na ulicach Konina czy Poznania. Na pokładzie Solaris Urbino 12 Hydrogen jest w stanie w komfortowych i bezpiecznych warunkach podróżować 85 pasażerów, w tym 37 na miejscach siedzących.

Można z pełnym przekonaniem powiedzieć, że polski autobus wodorowy „niejedno ma imię”. Produkcją tego rodzaju nowoczesnych środków transportu zbiorowego zajmują się także takie polskie firmy jak m.in. Autosan, Arthur Bus czy Pilea. Samorządy zachęcane są do inwestycji w wykorzystujące wodór autobusy poprzez różnego rodzaju programy dofinansowań, w tym m.in. Zielony Transport Publiczny, obsługiwany przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW). Warto wspomnieć również o innych inicjatywach, takich jak np. dopłaty oferowane przez Centrum Unijnych Projektów Transportowych.

Należy przy tym zaznaczyć, że dla rozwoju transportu zbiorowego opartego o ogniwa wodorowe niezbędne są nie tylko inwestycje we flotę, ale także odpowiednią infrastrukturę. Obejmuje ona m.in.:

• stacje tankowania wodoru – tego rodzaju miejsca funkcjonują już np. w Poznaniu, gdzie w pobliżu pętli tramwajowej Miłostowo znajduje się stworzona przez Orlen, publicznie dostępna, całodobowa stacja napełniania wodorem posiadająca trzy dystrybutory,
• zakłady zajmujące się produkcją zielonego wodoru, który byłby w stanie zaspokoić zapotrzebowanie rynku na ten pierwiastek,
• infrastrukturę transportową, zapewniającą sprawne przemieszczenie wodoru od miejsca produkcji do poszczególnych stacji tankowania.

Wykorzystanie potencjału tkwiącego w autobusach wodorowych wymaga działania systemowego i dużych nakładów finansowych, jednak płynące z tego korzyści – zarówno w krótszej, jak i dłuższej perspektywie – powodują, że jest to właściwy kierunek, w którym Polska powinna podążać.

Autobusy wodorowe – ważny element nowoczesnej tkanki miejskiej

Nowoczesne autobusy miejskie wykorzystujące wodorowe ogniwa paliwowe łączą w sobie trzy aspekty, które w skrócie można określić mianem „3 x E”:

• ekologia,
• ekonomia,
• ergonomia.

Z jednej strony są one niskoemisyjnymi lub – w przypadku wykorzystywania zielonego wodoru – zeroemisyjnymi pojazdami elektrycznymi, których jedynym produktem ubocznym jest woda. Z drugiej strony charakteryzuje je dobry zasięg, wysoka wydajność oraz krótki czas ładowania, dzięki czemu są w dłuższej perspektywie opłacalne pod względem finansowym. Trzecią, równie istotną kwestią, jest wysoki poziom komfortu, jaki zapewniają poruszającym się nimi pasażerom, w tym także osobom z niepełnosprawnościami. Nie ma więc nic dziwnego w tym, że w coraz większej liczbie polskich miast, aspirujących do miana nowoczesnych, neutralnych klimatycznie i przyjaznych swoim mieszkańcom, po ulicach poruszają się innowacyjne autobusy wodorowe.

Projektowanie pojazdów opartych o technologię wodorową, takich jak np. nowoczesne autobusy miejskie wyposażone w zestawy ogniw wodorowych, wymaga od zajmujących się tym specjalistów bardzo wysokich, interdyscyplinarnych kompetencji. Jako Endego mamy wieloletnie doświadczenie w prowadzeniu i realizacji projektów technologicznych we współpracy z firmami zajmującymi się produkcją autobusów. W ramach naszych kompleksowych usług zapewniamy aktywne wsparcie na każdym etapie danego projektu: od opracowania wstępnej koncepcji do etapu uruchomienia seryjnej produkcji.

Nasze usługi obejmują:

• Projektowanie pojazdów szynowych
• Projektowanie maszyn rolniczych
• Projektowanie maszyn roboczych
• Projektowanie motocykli
• Projektowanie nadwozia
• Projektowanie wnętrz pojazdów
• Projektowanie oświetlenie i optyki pojazdów
• Projektowanie wiązek przewodów
• Oprogramowanie do samochodów
• Usługi symulacji inżynierskich CAE
• Projektowanie układów napędowych

Planujesz projekt nowoczesnego autobusu miejskiego napędzanego zieloną energią i potrzebujesz wsparcia wykwalifikowanych inżynierów i projektantów w realizacji tego ambitnego przedsięwzięcia? Skontaktuj się z nami!

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat zrealizowanych przez nas projektów technologicznych dla producentów autobusów, to zachęcamy do zapoznania się z innym artykułem na naszym blogu: Endego: Rewolucyjne podejście w projektowaniu autobusów.