Implementační akční plán – Technologická

Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Technologická platforma „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ založená v rámci Operačního programu Podnikání a inovace ‐ program Spolupráce Technologické platformy (výzva II). Číslo projektu: 5.1 SPTP02/008 listopad 2012 www.mpo-oppi.cz
0 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Základní údaje o materiálu Název: Implementační akční plán „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Zpracovali: Ing. Vladimír Volák ‐ vedoucí projektu a pracovního týmu 3 Prof. Ing. Jan Macek, DrSc. ‐ odborný garant a vedoucí pracovního týmu 1 Ing. Jan Vodstrčil ‐ vedoucí pracovních týmů 2 a 6 Ing. Karel Bill, MBA, Ing. Oldřich Rybnikář ‐ vedoucí pracovního týmu 4 Doc. Ing. Jaroslav Machan, CSc. ‐ vedoucí pracovních týmů 5 a 7 Ladislav Vopravil ‐ vedoucí pracovního týmu 8 Spolupracovali: Ing. Zdeněk Novák ‐ sekretariát AutoSAP Ing. Pavel Ešner ‐ sekretariát AutoSAP Konečnou redakci na základě připomínek oponentů provedli: Prof. Ing. Jan Macek, DrSc. a Ing. Vladimír Volák ‐ odborná a věcná část Ing. Jiří Kyncl ‐ jazyková a grafická část Počet stran: 105 Text zveřejněn: Internetové stránky technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ http://www.tp‐vum.cz Copyright ©listopad 2012 Technologická platforma „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obsah 1 Úvod ................................................................................................................................................ 8 2 Technologická platforma Vozidla pro udržitelnou mobilitu............................................................ 8 2.1 Podmínky vzniku a činnosti platformy ................................................................................... 8 2.2 Poslání platformy ................................................................................................................... 9 3 Strategická výzkumná agenda a výzkumné priority ...................................................................... 10 4 Metodika zpracování IAP............................................................................................................... 12 5 Přehled probíhajících projektů s veřejnou podporou pro hlavní oblasti výzkumu a vývoje v automobilovém průmyslu .................................................................................................................. 13 5.1 6 Existující a nedávno ukončené projekty potenciálních řešitelů........................................... 17 Prioritní výzkumná témata ............................................................................................................ 22 6.1 Hnací jednotky ..................................................................................................................... 22 6.1.1 Hlavní směry rozvoje v oblasti hnacích jednotek ............................................................ 22 6.1.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 1 – hnací jednotky .................................................... 27 6.1.3 Dodatek – témata v oblasti 1 připravená pro realizaci.................................................... 37 6.2 Bezpečnost dopravy............................................................................................................. 46 6.2.1 Hlavní směry a cíle rozvoje bezpečnosti dopravy............................................................ 46 6.2.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 2 – bezpečnost dopravy......................................... 46 6.2.3 Dodatek – témata v oblasti 2 připravená pro realizaci.................................................... 52 6.3 Podvozky a karoserie ........................................................................................................... 53 6.3.1 Hlavní směry rozvoje konstrukce vozidel ........................................................................ 53 6.3.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 3 – podvozky a karoserie.......................................... 54 6.3.3 Dodatek – témata v oblasti 3 připravená pro realizaci.................................................... 63 6.4 Elektrická a elektronická výbava vozidel.............................................................................. 65 6.4.1 Hlavní směry rozvoje elektrické a elektronické výbavy vozidel....................................... 65 6.4.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 4 – elektrická a elektronická výbava vozidel ............ 66 6.4.3 Dodatek – témata v oblasti 4 připravená pro realizaci.................................................... 72 6.5 Inteligentní dopravní systémy (ITS), mobilita a infrastruktura ............................................ 74 6.5.1 Hlavní směry a cíle rozvoje ITS, mobility a infrastruktury ............................................... 74 6.5.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 5 – ITS, mobilita a infrastruktura ........................... 75 6.6 Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu ....... 79 6.6.1 Hlavní směry rozvoje procesů a nástrojů virtuálního inženýrství.................................... 79 6.6.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 6 ‐ procesy a nástroje virtuálního inženýrství ....... 81 6.6.3 Dodatek – témata v oblasti 6 připravená pro realizaci.................................................... 86 2 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.7 7 Materiály a výrobní procesy ................................................................................................ 88 6.7.1 Hlavní směry v oblasti materiálů a ve výrobních procesech ........................................... 88 6.7.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 7 – materiály a výrobní procesy ............................ 88 6.7.3 Dodatek – témata v oblasti 4 připravená pro realizaci.................................................... 96 Závěr ‐ cíle VaVaI a prostředky jejich dosažení s časovým zařazením .......................................... 97 7.1 Cíle pro období 2015 – 2030+.............................................................................................. 97 7.1.1 Krátkodobý horizont 2015‐2020...................................................................................... 97 7.1.2 Střednědobý horizont 2020‐2030.................................................................................... 98 7.1.3 Dlouhodobý horizont 2030+............................................................................................ 99 7.2 Časový plán pro prioritní výzkumná témata dle SVA a IAP.................................................. 99 Na konci materiálu mimo vlastní obsah je příloha obsahující sumarizaci kap. 7 v anglickém jazyce: Research, Development and Innovation Objectives and Means for Their Attainment in Short‐, Medium‐ and Long‐Range Prospects 3 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Použité zkratky 4WD ABC ABS ACC ACC ACEA AFS APROSYS AR ASR AutoSAP AUTOSAR B2B BAS BESIP BEV BK BTL CAD CAM CAT CAx CAE CAN CFD CE CI CLEPA CNG COM COM CONCAWE CONVOY CPS CTG, C2G CTL CVT/IVT ČR ČVUT DASY DC DCS/MSR DG Research DG TREN DME DNS 4‐wheel drive active body control anti‐lock braking system autonomous cruise control (based on radar or laser) Adaptive Cruise Control (v2v distance control) Association des Constructeurs Européens d´Automobiles = European Automobile Manufacturers Association adaptive (advanced) frontlighting system Advanced Protection Systems (vývoj systému kritických technologií s cílem zlepšit úroveň pasivní bezpečnosti v EU) augmented reality anti‐slip regulation Sdružení automobilového průmyslu rozhraní mezi strategií a reálným světem (operační systém) business to business brake assist system Bezpečnost silničního provozu Battery Electric Vehicle background knowledge biomas‐to‐liquid computer aided design computer aided mechanics computer aided technology computeraided „x“ (x znamená jakoukoliv technickou činnost) computer‐aided engineering Controller Area Network continous fluid dynamics; Computational Fluid Dynamics conducted emission conducted immunity
European Association of Automotive Suppliers compressed natural gas dokument Evropské komise (Communication) Control Oriented Model European association of oil companies for environment, health and safety in refining and distribution systém podporující provoz řízených kolon Cyber‐Physical System craddle‐to‐grave (životní cyklus výrobku) coal‐to‐liquid continuous variable transmission / infinitely variable transmission Česká republika České vysoké učení technické Design Assistance System direct current drag control system / motor slope retarding Directorate General for Research Directorate General for Transport and Energy dimetyleter direct numerical simulation (přímá simulace turbulence) 4 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ DOC DoE DPF DRIVSCO DSP E2E EAGAR EARPA ECU EGR EK ELV EMC EMS EPROM ERP ERSO ERTRAC ESP/ESC/ASC EUCAR EV F1 FCHEV FE FEM FIA FIR FlexRay FMEA FoF PPP FPGA GHG GPS GTL H2ICE HAL HCCI HCR HCV HD HDP HEV HiL HMI HVAC HYTEP HZS HW IAP ICM diesel oxidation catalyst design of experiments diesel particulate filter samoučící systém informující řidiče a vycházející z porovnání chování řidiče se standardem digital signal procesor engineer to engineer European Assessment of Global Publicly Funded Automotive Research European Automotive Research Partners Association engine control unit exhaust gas recirculation Evropská komise electric vehicle (akumulátorový elektromobil) electromagnetic compatibility engine management system externaly‐programmed read‐only‐memory Enterprise Resource Planning European Road Safety Observatory European Road Transport Research Advisory Council electronic stability programme European Council for Automotive Research and Development electric vehicle formule 1 Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle Finite Element Finite Element Method Federation International d’Automobile finite impulse response communication system for advanced automotive applications Failure Mode and Effects Analysis Factories of the Future Public‐Private Partnership. field‐programmable gate array greenhouse gas (plyny způsobující skleníkový efekt) Global Positioning System gas‐to‐liquid hydrogen to internal combustion engines hardware abstraction layer homogeneous charge compression ignition
high contact ratio (soukolí s prodlouženým záběrem zvětením hlavové kružnice) heavy commercial vehicle heavy duty (nákladní vozidlo) hrubý domácí produkt hybrid electric vehicle hardware in the loop human‐machine interaction heating‐ventilation‐air conditioning; vytápění‐ventilace‐klimatizace Česká vodíková platforma Hasičský záchranný sbor hardware Implementační akční plán integrated chassis management 5 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ ICT IDB IE ISO IT ITARDA ITS KERS kWh LCV LDWS LED LES LIN LPG MBC MBS MEDEA MEMS MEŘO MES MJ MKP MPC MPO MR MSR MŠMT NEDC NG+H2 NGVA NHTS NVH OBD OEM OLED OSEK OSN PANS PC PCB PCCI PČR PDM PEMFC PHEV PLC PLM PN PPDB Information and Computer Technologies intelligent database integral engineering International Standardization Organisation information technology Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis intelligent (integral) transportation system Kinetic Energy Recovery System kilowathodina (jednotka práce) light commercial vehicle Lane Departure Warning System light emitting diode large eddy simulation (model turbulence) Local Interconnect Network liquified petrol gas model based control multi‐body system (více‐tělesový systém – výpočetní metoda) Maine Driver Education Association mikro‐elektro‐mechanické systémy metylester řepkového oleje manufacturing execution system mega‐joule (jednotka práce) metoda konečných prvků Model based Predictive Control Ministerstvo průmyslu a obchodu magnetoreologická kapalina Motorschleppmomentregelung Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy new European driving cycle (evropský zkušební cyklus pro měření spotřeby a exhalací) směs zemního plynu a vodíku Technologická platforma vozidel poháněných CNG National Highway Transport Safety Administration (vládní instituce USA) noise, vibration, harshness on‐board diagnostic original equipment manufacturer organic light‐emitting diode real‐time (operační systém) Organizace spojených národů partially averaged Navier Stokes (způsob průměrování turbulentních fluktuací) passenger car printed‐circuit board pre‐mixed‐charge compression ignition Policie České republiky Product Data Management proton exchange membrane fuel cell Plug‐In Hybrid Electric vehicle Programmable Logic Controller Product Lifecycle Management particle number Pyrotechnic Pedestrian Deployable Bonnet 6 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ PPP PSM RE RFID RI RLP RP ŘS SAE SCR SDT SiL SPC SRN STK SUV SW TA TCS TF TCU TP TP VUM TTC TTM TTW TWC UDC UML UMTRI USB v2i v2g v2v VaV VaVaI VECOM VICS VR VRU VŠB VVA VVL VVT VW WP29 EHK‐OSN WTT WTW XFQ ZČU Public‐Private Partnership pístový spalovací motor radiated emission radio‐frequency identification radiated immunity Rychlá lékařská pomoc Rámcový program řídící systém Society of Automotive Engineers selective catalytic reduction of NOx Sdružení pro dopravní telematiku software in the loop statistical progress control Spolková republika Německo Stanice technické kontroly sport utility vehicle software Technologická agentura traction control system task force (pracovní skupina) transmission control unit technická platforma Technologická platforma Vozidla pro udržitelnou mobilitu torque transfer control time‐to‐market tank‐to‐wheel (bilance energie mezi palivovou nádrží a koly vozidla) three way catalyst urban driving cycle (zkušební cyklus pro měření spotřeby a exhalací) Unified Modeling Language (visualisační s/w) University of Michigan Transportation Research Institute universal serial bus communication vehicle‐to‐infrastructure communication vehicle‐to‐grid communication vehicle‐to‐vehicle výzkum a vývoj výzkum, vývoj a inovace mezinárodní pogram postgraduálního vzdělávání Voluntary Interindustry Commerce Solutions Association virtual reality (softwarové nástroje využívající VR) vulnerable road users Vysoká škola báňská (Ostrava) variable valve actuation variable valve lift variable valve timing Volkswagen Working Party 29 (legislativní orgán Evropské hosp. komise OSN) well‐to‐tank (bilance energie mezi primárním zdrojem energie – na úrovni ropného vrtu – a palivovou nádrží) well‐to‐wheel (energetická bilance mezi primárním zdrojem energie a kolem vozidla) systém aktivního řízení kvality Západočeská univerzita 7 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1 Úvod Technologická platforma„Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ (název projektu 5.1 SPTP02/008 „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“) byla založena v rámci Sdružení automobilového průmyslu (AutoSAP), které sdružuje reprezentativní část podniků automobilového průmyslu, v roce 2009 s podporou agentury CzechInvest Ministerstva průmyslu ČR. Hlavní motivací bylo vědomí členů AutoSAP, že udržení dosavadní pozice českého automobilového průmyslu a další rozvoj závisí na udržení konkurenceschopnosti. Ta vyplývá z konkurenceschopnosti celého ekonomického prostředí ČR a specificky závisí na rozvoji inovačního potenciálu, který je závislý na personálních předpokladech a kvalifikační úrovni technické populace. Základem je systém technického vzdělávání a dále průběžné vzdělávání v souladu rostoucími požadavky. To vyžaduje využití všech forem financování vědy a výzkumu, ale i definování priorit a efektivní komunikaci s odpovědnými státními orgány rozhodujícícmi o podpoře VaV. Pochopitelně úvahy jsou založeny a navazují na národní i evropské dokumenty zabývající se touto problematikou, což jsou v tomto případě Agenda 21 vydaná OSN, „Bílá kniha k dopravě“ publikovaná EU a další dokumenty, např. European Road Transport Research Advisory Council (ERTRAC), European Green Car Initiative, Position Papers EARPA (European Automotive Research Partner Association). Vzhledem ke komplexnosti problematiky se předpokládá spolupráce s platformami na evropské i národní úrovni. Hlavním předpokladem naplnění uvedeného cíle je zpracování základních dokumentů analyzujících celou problematiku, zvážení specifik prostředí a možností i definování reálných cílů českého automobilového průmyslu a souvisejících odvětví, především akademické sféry. 2 Technologická platforma Vozidla pro udržitelnou mobilitu 2.1 Podmínky vzniku a činnosti platformy Automobilový průmysl v České republice dlouhodobě vytváří kolem 20 % průmyslové výroby i exportu, přičemž produkce automobilového průmyslu roste i v době poměrně nepříznivých vnějších podmínek. Uvedené má o to větší význam, že automobilový průmysl má relativně velkou přidanou hodnotu, silně ovlivňuje zaměstnanost a obecně se uvádí, že ovlivňuje kolem 60 % průmyslu ‐ strojírenství, chemický průmysl, elektrotechnický průmysl, gumárenský průmysl a řadu dalších. S vědomím uvedených souvislostí, i zvážením možných přínosů, rozhodla Rada ředitelů AutoSAP o podání žádosti o podporu při založení technologické platformy (TP) v listopadu roku 2009. Pro zpracování základních dokumentů TP byl vytvořen tým složený z členských organizací AutoSAP, které mají institucionálně založená vývojová oddělení a jsou přirozeně zainteresované na rozvoji kvalifikovaného a konkurenceschopného prostředí, protože podmiňuje i jejich rozvoj. Šlo o finální výrobce ‐ Škoda Auto a.s a IVECO CZECH REPUBLIC a.s., představitele dodavatelů – Brisk Tábor a.s., Hella Autotechnik s.r.o. a Visteon–Autopal s.r.o. i představitele poskytovatelů inženýrských služeb – Ricardo Prague s.r.o. Tým samozřejmě doplnilo České vysoké učení technické v Praze, reprezentované Ústavem automobilů a letecké techniky, které je nejenom členem AutoSAP, ale i přirozeným partnerem vývojových pracovišť podniků automobilového průmyslu. Jak již bylo uvedeno, zastřešujícím řešitelem a předkladatelem projektu je sekretariát AutoSAP. Tento model zpracování 8 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ projektu byl zvolen úmyslně, protože zainteresováni na problematice nejsou jen zpracovatelé projektu, ale všichni členové AutoSAP, kteří jsou o obsahu a průběhu zpracování dokumentů průběžně informováni a dostávají k dispozici finální dokumenty. Aktivní přístup k vytváření příznivého prostředí a podmínek k podnikání není jen otázkou činnosti státních orgánů, ale i připravenosti jednotlivých firem a dostupnosti nezbytných atributů vytvářejících příznivé podmínky pro investování do rozvoje nejen obchodních, ale i vývojových kapacit. Hlavní podmínkou je celková úroveň technického prostředí a dostupnost kvalifikované pracovní síly i nezbytných externích služeb, včetně inženýrských služeb a technologické podpory. V době chaotického politického a ekonomického vývoje v Evropské unii je tedy více nežli dobrou zprávou zahájení masivní investice koncernu VW do vývojových kapacit největšího finalisty Škoda Auto a.s. Podle zveřejněných zpráv se předpokládá i podstatný růst počtu vysoce kvalifikovaných pracovních míst v následujících letech. 2.2 Poslání platformy Oficiálním posláním platformy je vytvořit dva povinné dokumenty – Strategickou výzkumnou agendu (SVA) a Implementační akční plán (IAP), které mají nastínit vizi dalšího vývoje českého automobilového průmyslu a definovat konkrétní kroky, jež podpoří rozvoj autoprůmyslu, správnou orientaci výzkumných a vývojových (VaV) aktivit a pomohou oficiálním strukturám pochopit a akceptovat názor odborné veřejnosti. Důležitou úlohou TP je podpořit větší zapojení podniků AutoSAP do řešení výzkumně‐vývojových úkolů, podpořit jejich spolupráci v této oblasti a identifikovat synergie. Představa o potřebném směru vývoje musí být založena na analýze trendů světového vývoje silniční dopravy resp. koncepčním zapojení výroby dopravních prostředků do kontextu řešení obecných problémů dopravy a dalších průmyslových odvětví. To bylo hlavním cílem Strategické výzkumné agendy. Následné zpracování implementačního akčního plánu musí z globálních závěrů a představ odvodit vizi reálné strategie rozvoje českého automobilového průmyslu. Skladba českého automobilového průmyslu se výrazně měnila v posledních dvaceti letech. Z původně centrálně řízeného průmyslového odvětví máme dnes velký počet firem, včetně finalistů a dodavatelů 1., 2. a 3. řádu, které jsou převážně součástí zahraničních koncernů. Svojí orientací i zaměřením produkce ovšem k autoprůmyslu patří i velký počet dalších firem s různou vlastnickou strukturou, které přispívají k produkci dopravních prostředků nebo přispívají odbornými službami výše uvedeným společnostem. Jedinou společnou platformou všech těchto firem je Sdružení automobilového průmyslu (AutoSAP), pokud jsou jeho členy. To jei raison d´etre existence a poslání AutoSAP, i zdůvodnění založení platformy. Na druhé straně je tento fakt i problémem, se kterým se musí AutoSAP průběžně vypořádávat v situaci, kdy plány a priority firem jsou logicky podřízené koncernovým zájmům, plánům a kooperačním vztahům. Co je ovšem jednoznačně spojuje, je životní zájem na rozvoji celkového ekonomického a technologického prostředí, které podmiňuje jejich ekonomické výsledky a možnost rozvoje. Platforma a vzniklé dokumenty by měly kromě zlepšení vztahů a orientace automobilového průmyslu ovlivnit postoj státní správy a jejích orgánů, které někdy limitují reálné možnosti odvětví. Velmi by pomohlo, kdyby ministerstva měla jasně definované strategie jednotlivých odvětví, které by byly skutečně uplatňovány a priority by se neměnily s výměnou politických garnitur. Ambiciozním plánem platformy je ovlivňovat tuto situaci a pokusit se iniciovat vypisování oborově orientovaných projektů v budoucích výzkumných programech státní 9 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ podpory VaV a ovlivnit koordinaci VaV projektů na mezinárodní (zejména 7. rámcový program EU), národní i podnikové úrovni. Souvisí to s řešením ohromné palety problémů, které odvětví má i v souvislosti s evropskými i národními plány v oblasti technické, ekologické i ekonomické. 3 Strategická výzkumná agenda a výzkumné priority Cíle EU jsou založeny jak na objektivní technicky a ekonomicky založené nutnosti, tak i na politicky motivovaných záměrech, spočívajících na očekávaných společenských prioritách. Pro národní výzkumnou strategii byla proto provedena analýza světového i evropského vývoje a její výsledky aplikovány do specifických podmínek ČR, orientované na vývoz výrobků automobilového průmyslu v globálním měřítku, a to při splnění všech očekávaných požadavků EU. Globálně vyžaduje dlouhodobá udržitelnost automobilové mobility zajišťování individuální i veřejné dopravy, snížení energetické spotřeby dopravy, změnu její struktury ‐ především snížení závislosti na fosilních palivech a emisí skleníkových plynů, a to pomocí inovací konstrukce vozidel i dopravní infrastruktury, dále zlepšení bezpečnosti a pohodlí (stárnoucí populace), větší specializaci vozidel podle jejich použití (podstatné nároky na vlastnosti vozidla pro městskou nebo dálkovou dopravu) a konečně konkurenceschopnost výrobků na rozvojových trzích. V neposlední řadě je nutno paralelně rozvíjet prostředky individuální a hromadné mobility. Celou problematiku shrnula paralelně s předkládanou SVA vytvářená a v březnu 2011 schválená Bílá kniha Roadmap to Single European Transport Area – Towards a competitive and resource efficient transport system COM(2011) 144 final, z jejichž zdrojů pocházejí dále uváděné citace (např. společenské cíle dle obr. 8.1.4., které mimochodem vznikly lineární interpolací mezi cíli pro léta 2050+ a současným stavem). Na rozdíl od výrobkově orientované SVA jsou však cílové parametry uváděny jako integrální výsledek inovací vozidel, infrastrukturních opatření ve stavbě silnic i energetických sítí a konečně dopravní telematiky a logistiky. Analýza přesahuje tedy výrobkovou oblast a bere v úvahu i socioekonomické faktory, jako je stárnutí populace a pokračující urbanizace Evropy. Kromě zaměření na samotnou Evropu byl při zpracování SVA pečlivě sledován očekávaný vývoj v rozvíjejících se ekonomikách, jako Čína, Indie, Brazílie a některé země ve východní Asii. Vývoj zatím co do norem životního prostředí i bezpečnosti kopíruje se zpožděním vývoj rozvinutých zemí. Není možné vyloučit rezignaci na některé normy (např. připuštění značného množství lehkých vozidel s alternativním, např. elektrickým pohonem, homologovaných v Evropě jako čtyřkolky, nikoli vozidla M1). I když tento vývoj není slučitelný s rigidní evropskou orientací na maximální bezpečnost a přívětivost k životnímu prostředí, je mu v dalším věnována též pozornost s ohledem na konkurenceschopnost českého automobilového průmyslu. Automobilní výrobci (včetně dodavatelů příslušenství 2. a 3. pořadí) pokrývají 20 % průmyslové produkce a 22 % celkového exportu ČR. Tvoří tak nejdůležitější a současně i vysoce kvalifikované odvětví průmyslu v ČR, významně přispívající i k zaměstnanosti. Zajímavým faktem je, že dodavatelský průmysl se svým obratem vyrovnal s produkcí finalistů a v některých letech dokonce překračuje obrat finalistů. Jde o pozitivní skutečnost, která přispívá je stabilitě odvětví. Roční růst produkce automobilového průmyslu je navzdory 10 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ předcházející recesi velmi rychlý. Tyto výsledky nejsou založeny jen na montovnách s nízkou přidanou hodnotou výrobků, ale na VaV s vysokou úrovní, což se odráží i v rostoucím počtu společností umístěných v ČR a zaměřených na VaV a inženýrské služby. Současná a relativně stabilizovaná výrobní základna zahrnuje výrobu osobních automobilů, autobusů a traktorů i motorů pro mimovozidlové použití a jejich příslušentsví, v malé míře i motocyklů. Z provedené analýzy vyplynuly pro SVA následující hlavní požadavky na konstrukci vozidel do roku 2030: • Pokles emisí CO2 o 20 % do roku 2030 pod úroveň roku 2008 dle COM (2011) 112 vyžaduje pokles o 5 % za každých 5 let. To je z části zajistitelné inovacemi hnacích jednotek s klasickými spalovacími motory a elektrifikací vozidel se současným snižováním emisí CO2 při výrobě elektrické energie. K poklesu spotřeby paliv s fosilním uhlíkem vede i zlepšené řízení vozidel samotných i vozidel v dopravním proudu. Jako cíl pak pro alternativní paliva vyplývá snížení spotřeby fosilního uhlíku o 50 % do r. 2030, u elektromobilů s uvážením evropského mixu pro výrobu elektrické energie taktéž 50 %. • Pro bezpečnost je nutné využít vedle pasivních i aktivních prvků a konceptu integrované bezpečnosti, vázané na infrastrukturu. Číselné údaje dle obr. 8.1.4 zde však není možné dělit, neboť ani neexistují jednotná data pro stanovení míry zavinění fatálních důsledků nehod. •
Samozřejmě mezi hlavními požadavky nemůže chybět dynamicky postupující elektronizace, která je zásadním způsobem implicitně obsažena již ve dvou předcházejících bodech, především ve formě řídících jednotek motorů motor‐
managementu, vstřikovacích souprav, řízení zádržných systémů, on‐board diagnostiky a různých výstražných a informačních funkcí. Přináší zcela nové funkce jako chassis‐
management, head‐up displaye, infotainment atd. Naprosto zásadním způsobem zasáhne do konstrukce i vybavení vozidel v souvislosti se zaváděním integrovaných a inteligentních dopravních systémů. Naopak většina inovací v oblasti elektroniky musí být doprovázena konstrukčními změnami nebo si vyžaduje zcela nová konstrukční řešení a nové přístupy. Nová uspořádání a konstrukce vozidel vyžadují včasné posouzení inovativních koncepcí a následně krátkou dobu do zavedení proveditelných konfigurací na trh. Výzkumné cíle jsou zaměřeny na konstrukci vozidel, hnacích jednotek a prvotních výkonových zdrojů pro snížení spotřeby fosilních paliv a emisí CO2 ‐ o 5 % u vozidel se spalovacími motory a nejméně o 50 % pro spalovací motory na obnovitelná paliva nebo elektromobily (ve smyslu WTW), na emisní parametry (EURO 6+), na maximální bezpečnost, pohodlí a rozkoš z jízdy pro zákazníky různého věku a zvyklostí, na pružné přizpůsobení proměnlivým požadavkům a na konkurenceschopnost i na rozvojových trzích. V souladu s budoucími potřebami průmyslových partnerů jsou dílčí cíle orientovány na další zvyšování kompaktnosti hnacích jednotek, lehkou stavbu, použití alternativních paliv obnovitelných i nekonvenčních pro spalovací motory i elektrické pohony včetně hybridních, integrované prediktivní a adaptivní řízení vozidel, větší podíl informačních technologií v levných vozech a zlepšenou bezpečnost vozidel. Pro tyto požadavky neexistují jednoznačná řešení a strategie tudíž nemůže vytýčit pouze jednu zaručenou cestu k cíli. Známé způsoby se musí kombinovat s inovativními řešeními. Celý systém se musí integrovat pomocí pružného řízení dynamických systémů 11 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ přizpůsobeného novým podmínkám. Tato situace vyžaduje holistický přístup k vozidlu jakožto systému založenému na strojírenství, elektrotechnice, chemickém průmyslu, řízení a materiálovém inženýrství. Základem rychlého a účinného řešení těchto problémů je simultánní inženýrství, založené na integrovaném použití modelování simulacemi a experimenty spojenými se systematickým využitím předešlých zkušeností zachovaných ve znalostních databázích. Simultánní inženýrství zajišťuje obě větve známé V‐křivky ve VaV výrobku, počínaje od obecné studie koncepce ke stále detailnější konstrukci dílů a konče spojováním součástí do oživeného celku připraveného pro výrobu. Proto je dalším cílem vytváření VaV nástrojů (metod simulace o různé úrovni i experimentů a metod ukládání dat i znalostí), jejich ověřování při krátkodobě orientovaném experimentálním vývoji, přinášejícím i okamžitou realizaci výrobků, a jejich aplikace pro strategický aplikovaný výzkum inovativních konceptů. Společná báze dat a znalostí podporuje hladké propojení mezi odborníky zmíněných vědeckých oblastí, zejména mechaniky, termodynamiky, trakční elektrotechniky, řízení, sdělovacích a informačních technologií, mikroelektroniky, mechatroniky a dopravního inženýrství. 4 Metodika zpracování IAP Pracovní skupina pro zpracování IAP zůstala ve stejném složení jako při psaní SVA. Po dokončení strategické studie byl její text poskytnut zájemcům z řad členů Sdružení automobilového průmyslu, aby se mohli vyjádřit k jednotlivým tématům a byla vytvořena anglická verze. Před začátkem prací na IAP byly zpracovány 3 oponentní posudky SVA externími posuzovateli. Oponentní posudky byly pracovní skupinou projednány s oponenty a jejich návrhy a připomínky byly zahrnuty do agendy pro zpracování IAP. V průběhu zpracování IAP byla využita i dotazníková akce k některým bodům. Před započetím práce na IAP byl představenstvem AutoSAP schválen časový plán s cílovým datem listopad 2012. Celý projekt se realizuje 36 měsíců, a to v 5 etapách: I. etapa 6/2010 – 10/2010 výstup: příprava podkladů pro SVA II. etapa 11/2010 – 5/2011 výstup: zpracování SVA III. etapa 6/2011 – 11/2011 výstup: SVA odborná diskuse a iniciace projektů IV. etapa 12/2011 – 11/2012 výstup: zpracování IAP V. etapa: 12/2012 – 5/2013 výstup: projednání IAP, korektury, aplikace V průběhu projektu zakládání technologické platformy byly stanoveny její hlavní úkoly a cíle, které ovšem nekončí uzavřením projektu podpořeného CzechInvestem, ale mají být východiskem k trvalé diskuzi uvnitř AutoSAP nad strategickými otázkami, konsistentní komunikací se státními orgány a hledáním synergií a další spoluprací v oblasti VaV. Nejdůležitější cíle Technologické platformy jsou: •
•
analýza stavu automobilového průmyslu v ČR; zhodnocení trendů světového vývoje, návrh možné strategie rozvoje českého automobilového průmyslu; 12 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
zpracování Strategické výzkumné agendy (SVA) a Implementačního akčního plánu (IAP) – základních dokumentů, které jsou zásadními dokumenty a podkladem pro oficiální stanoviska AutoSAP a jednání se státními orgány; • koordinace VaV projektů na mezinárodní (zejména 7.RP EU), národní i podnikové úrovni; • iniciace podprogramů a výzev k podávání projektů v budoucích výzkumných programech státní podpory VaV. Z výše uvedeného je zřejmý přesah odbornosti do nejrůznějších oblastí a proto byly navázány kontakty s dalšími TP, jejichž témata souvisí s automobilovým průmyslem. Často výstupy těchto platforem mohou být vstupem naší TP nebo okrajovými podmínkami našich úvah a strategie v oblasti paliv, dopravní politiky, energetiky, chemie, atd. Logicky se tedy předpokládá spolupráce s řadou TP. 5 Přehled probíhajících projektů s veřejnou podporou pro hlavní oblasti výzkumu a vývoje v automobilovém průmyslu Automobilový průmysl je znám velkým podílem neveřejných zdrojů, reinvestovaných do VaV Projekty zajišťované z neveřejných zdrojů však obsahují strategické záměry jednotlivých společností a nejsou tudíž publikovatelné. Charakter výzkumně vývojové základny AutoSAP odpovídá současným úkolům souvisejícím zejména s ekologií provozu a bezpečností vozidel a tvoří významný inovační potenciál podniků AutoSAP. Pozitivní je, že se ve větší míře uplatňuje týmová spolupráce firem AutoSAP na mezinárodních projektech v rámci evropských programů VaV. Kvalita jednotlivých firemních útvarů VaV se projevuje i v tom, že jsou pověřena komplexním vývojem výrobku pro svou mateřskou firmu. V rámci AutoSAP tak vzniká celá řada specializovaných a na špičkové úrovni vybavených VaV pracovišť. Vývoj počtu pracovníků v oblasti výzkumu a vývoje (VaV) v rámci členské základny AutoSAP je zřejmý z obr. 5.1. Počet pracovníků ve výzkumu a vývoji
osob
5 100
4 926
4 933
4 589
4 600
4 639
4 490
4 466
4 100
3 600
3 768
3 457
3 100
3 526
3 788
3 742
2004
2005
3 547
3 415
3 072
2 600
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2006 2007 2008 2009 2010 2011 počet pracovníků útvarů VaV 4 466 4 639 4 933 4 490 4 589 4 926 Obr. 5.1 13 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Oproti roku 2010 došlo v roce 2011 v útvarech VaV k nárůstu pracovníků o cca 7 % a jejich celkový počet ke konci roku 2011 tak dosáhl počtu 4 926 osob. Jedná se o počet pracovníků v útvarech VaV firem AutoSAP – mimo vysoké školy. Celkový trend v počtu pracovníků ve vývojových útvarech zůstává pozitivní. V tabulce 5.1 jsou uvedeny počty pracovníků VaV útvarů po jednotlivých skupinách výrobců v uplynulých pěti letech. Hodnoty jsou částečně ovlivněny změnou počtu členské základny AutoSAP. Tabulka 5.1 finální výrobci výrobci příslušenství účelové organizace Počet pracovníků útvarů VaV 2006 2007 2008 2009 2010 2011 1 705 2 524 237 1 713 2 639 287 1 849 2 729 355 1 913 2 224 353 1 786 2 306 497 2 017 2 260 649 V oblasti VaV nachází uplatnění jak individuální schopnost jednotlivce, tak i dokonalá týmová spolupráce. Projevuje se to zejména ve vztahu finální výrobce a výrobce příslušenství, kdy je ze strany finálních výrobců vyžadována větší součinnost v předvýrobních etapách celého projektu. Celý tento systém směřuje ke snížení nákladů na předvýrobní etapy a to jak na straně finálního výrobce, tak v menší míře i na straně výrobců dílů. V neposlední řadě výrazně ovlivňuje pozici dodavatele v rámci dodavatelského řetězce u jednotlivých finálních výrobců. Podíl výrobců dílů a příslušenství, kteří díky uvedené spolupráci získali pozici dodavatele první a druhé řady, tvoří cca 94 % z členských firem, které se touto výrobou zabývají. Problematiku VaV je možno shrnout následujícím způsobem: • V rámci AutoSAP má vlastní VaV nebo oddělení související s touto činností více než 45 % firem. Ke konci roku 2011 v těchto útvarech pracovalo 4 926 osob. • Podle jednotlivých skupin výrobců má vlastní VaV (či obdobný útvar) více jak 46 % podniků příslušenství a 71 % finálních výrobců. • Z celkového počtu 90 firem se zahraničním partnerem uvedlo, že má vlastní VaV 42 firem, což je více jak 46 %. • Na celkovém počtu zaměstnanců firem AutoSAP činí podíl pracovníků VaV 4,5 %. Tento podíl je vyšší než v roce 2010 a dokazuje, že pokud docházelo k redukci počtu pracovníků ve firmách, tak pracoviště VaV byla v řadě případů naopak posílena. • Prostředky, které firmy AutoSAP investují ze svých rozpočtů do činnosti útvarů VaV, se pohybují ve výši 3 ‐ 4 % v závislosti na tržbách z vlastní výroby. • Na celkovém počtu pracovníků ve výzkumu a vývoji v ČR se podílí počet pracovníků VaV ve firmách AutoSAP více jak devíti procenty. 14 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Národní politika VaV Za pozitivní je možno považovat, že si vláda ČR uvědomuje význam VaV pro budoucí rozvoj ekonomiky. Výsledkem je její snaha směřující ke sjednocení vzdělávacího procesu, inovací, výzkumu a aplikační praxe. Jedná se o činnosti které jsou náročné jak z hlediska lidských zdrojů (rozvoj lidského potenciálu), tak z hlediska finančních zdrojů. Efektivní alokace finančních a lidských zdrojů v každé oblasti se však neobejde bez znalosti charakteristik jeho vývoje až do současné podoby, a proto hrají ukazatele vědy a technologií důležitou roli pro určování priorit a tvorbě budoucích politik. Na základě rozhodnutí vlády jsou ze státního rozpočtu každoročně vyčleňovány prostředky pro jednotlivé resorty na zabezpečení úkolů souvisejících se základním i aplikovaným výzkumem a vývojem. Z obr. 5.2 je zřejmá jejich roční alokace včetně podílu připadajícího na MPO. Výdaje na výzkum a vývoj
30 000
24 831 24 842
25 000
22 996
celkem ČR
21 497
MPO
výdaje (mil. Kč)
25 917
18 178
20 000
16 457
14 987
13 920 14 663
12 578
11 820
15 000
9 672
7 772
10 000
8 732
6 238
4 378 4 551 4 897
5 000
229
182
177
526
884
964
3 822 3 848
2 973 3 742
2 176 2 828
1
850
1 198 1 420 1 200 1 000 1 197 1 559
0
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Obr. 5.2 V rámci programu MPO TIP bylo v roce 2011 zahájeno řešení u následujících projektů výrobních členských firem AutoSAP: Tabulka 5.2 Kód Příjemce FR—
Continental Automotive TI3/497 Czech Republic s.r.o. FR—
Jihostroj a.s. TI3/018 FR—
MODELÁRNA LIAZ s.r.o. TI3/460 Projekt Multimediální jednotky — vývoj nových zkušebních a analytických metod určených pro konstrukci produktů s vysokou kvalitou a užitnými vlastnostmi. Konchoidní hydrogenerátor (KHG) — vysokotlaké hydraulické čerpadlo s valivým pístem nové kinematické koncepce Výzkum a vývoj vysoceefektivních technologií a nástrojů pro lisované a vypěňované díly. 15 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Pro rok 2012 by vybrány následující projekty výrobních členských firem AutoSAP: Tabulka 5.3 Kód Příjemce Projekt JAWA Moto FR—TI4/039 Nový univerzální teréní a cestovní motocykl JAWA 1200 spol. s r.o. FR—TI4/310 IDIADA CZ a.s. FR—TI4/701 Zvýšení životnosti dopravních pásů namáhaných rázovým zatížením Continental Automotive Vize budoucnosti — Helický paprsek Czech republic s.r.o. Významní investoři v oblasti VaV V oblasti výzkumu a vývoje patří Česká republika stále mezi nejatraktivnější lokality. Řada nadnárodních společností jako jsou MBtech, Ricardo, Swell, Valeo, Visteon, Robert Bosch a Siemens zde vybudovaly svá střediska výzkumu a vývoje. Je to ovlivněno zejména: •
vysokou úrovní technického vzdělání na některých technických vysokých školách; •
každoročně se stává součástí pracovního trhu více jak 15 000 absolventů škol technického směru a každým rokem tento počet vzrůstá o stovky. Kromě vysokých škol má český vzdělávací systém ještě jiné zdroje kvalifikované pracovní síly včetně specializovaných čtyřletých technických středních škol, jejichž absolventi dosahují vzdělání téměř na úrovni bakalářského vzdělání na vysoké škole. Většina vysokých škol provozuje střediska výzkumu a vývoje zaměřená na úkony spojené s automobilovým průmyslem, která úzce spolupracují s firmami z tohoto oboru. Jako příklad je možné uvést nové laboratoře a zkušebny ČVUT „Centrum vozidel udržitelné mobility“ v Roztokách u Prahy. V tabulce 5.4 jsou pro informaci uvedeni významní investoři v oblasti výzkumu a vývoje v České republice za uplynulé období. Tabulka 5.4 společnost sektor společnost Sektor AMI Semiconductors mikroelektronika Motorola Freescale Mikroelektronika Behr automobilový průmysl On Semiconductors Mikroelektronika Bosch automobilový průmysl Ricardo součástky do motorů Continental Teves automobilový průmysl Rieter automobilový průmysl, přesné strojírenství 16 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ společnost sektor společnost Sektor Ericsson elektronika Rockwell Automation přesné strojírenství Flextronics mikroelektronika Roper Industries přesné strojírenství Honeywell elektronika Siemens automobilový průmysl IMI přesné strojírenství Silicon & Soft Systems Mikroelektronika Indet Safety Systems automobilový průmysl ST Microelectronics Mikroelektronika Ingersoll Rand přesné strojírenství TRW automobilový průmysl Kostal automobilový průmysl Tyco protipožární systémy Latecoere letecké součástky Valeo automobilový průmysl Mercedes Benz automobilový průmysl Visteon automobilový průmysl Neoddělitelná vazba výzkumu a kvalitního vzdělávání tvůrčích pracovníků na univerzitách je dlouhodobě známa. K ní se však ve specifických národních podmínkách přidává nemožnost financování vzdělávání na technických univerzitách bez vlastního rozvinutého výzkumu. Stát nebyl dosud schopen formulovat své priority hospodářské a technologické politiky takovým způsobem, aby výrazně podpořil nosné obory národního hospodářství z hlediska jejich budoucího personálního zabezpečení. Kvalitní technické univerzity jsou proto nuceny zajišťovat konkurenceschopné mzdy svých pracovníků z větší části výzkumnou činností pro udržení špičkových odborníků. Ani protředky na výzkumnou činnost nejsou však směrovány do rozhodujících průmyslových odvětví v proporcích, odrážejících přínos odvětví pro HDP, ale jsou (na rozdíl od západoevropských zemí) přidělovány na velmi obecně formulované cíle jednotlivých výzkumných programů na základě výběrových řízení často značně nesouměřitelných projektů. To v plné míře odhalil projekt 7. RP EU EAGAR, mapující pro EK strategie veřejné podpory automobilového průmyslu v různých zemích EU i mimo ni (USA, Kanada, Japonsko, Korea atp.). 5.1 Existující a nedávno ukončené projekty potenciálních řešitelů Tabulka 5.5 Typ Úroveň EU Nositel Daimler Chrysler AG Téma a období řešení New Integrated Combustion System for Future Car Engines NICE EC TIP3‐CT‐2004‐
506201_NICE 2004‐2008 17 Partneři Daimler Chrysler, CRF, VW AG, PoliTo, AVL, ČVUT ad. Výše financí 362 500 tis. Kč/ ČVUT 3 300 tis. Kč Zdroj financí EU FP6 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ EU EU Volvo Powertrain Corporation Ricardo plc GREen heavy duty ENgine GREEN TIP3‐CT‐2004‐
506201 300 000 tis. Kč/ 2005‐2008 Volvo, AVL, CRF, Daimler Chrysler, Deutz, Iveco,.., ČVUT Roads to Hydrogen Communities Roads2HyCOM EC # 019723 Ricardo plc., AVL, RWTH Aachen,.., ČVUT ad. 112 500 tis. Kč/ IFP EN, FEV, AVL, Ricardo, ..., ČVUT 80 625 tis. Kč/ EU FP6 ČVUT 3 000 tis. Kč EU FP6 ČVUT 1 744 tis. Kč 2005‐2009 EU IFPEN Large‐Eddy and System Simulation to predict, Cyclic Combustion Variability in gasoline engines LESSCCV 233615 EU FP7 ČVUT 5 375 tis. Kč 2010‐2012 EU CRF Integrated Gas Powertrain CRF, AVL, FEV, 350 000 tis. InGAS (FP7‐SST‐2007‐RTD‐ E.ON, SUEZ‐
Kč/ 1) 218447 Gaz de ČVUT France, 2008‐2011 DAIMLER, IFP 4 600 tis. Kč EN,..., ČVUT EU FP7 EU Universidad Politecnica Valencia VEhicle COncept Modelling VECOM EU FP7 Marie Curie UPVLC, IFP EN, AVL, BMW, CRF, ..., ČVUT 92 000 tis. Kč/ POWERtrain of FUture Light‐duty vehicles Sustainable Surface Transport POWERFUL, Coordinated Actions ‐ Large Scale Projects #213543‐2 Renault, VW AG, CRF, IFPEN, AVL LMM, Delphi 375 000 tis. Kč/ Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II 1M0568 ČVUT, VUT v Brně, TU v Liberci, VŠB‐
TU Ostrava, Ricardo Prague s.r.o., TÜV SÜD Czech s.r.o. 309 850 tis. Kč/ #213 543‐2 ČVUT 5 750 tis. Kč 2008‐2012 EU ČR Renault REGIENOV ČVUT 2005‐2011 18 EU FP7 ČVUT 7 650 tis. Kč ČVUT 173 565 tis. Kč MŠMT ČR Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ ČR ČVUT Centrum kompetence ČVUT, VUT automobilového průmyslu v Brně, TU Josefa Božka TE 01020020 v Liberci, VŠB‐
TU Ostrava, 2012‐2017 Ricardo Prague s.r.o., TÜV SÜD Czech s.r.o., Škoda Auto, TATRA, BRANO a.s., ČZ a.s., Honeywell spol. s r.o., ADW s.r.o., Motorpal a.s. 353 000 tis. Kč/ ČVUT 107 000 tis. Kč TA ČR EU/ČR ČVUT Centrum vozidel udržitelné mobility CZ.1.05/2.1.00/03.0125 ČVUT 205 000 tis. Kč MŠMT ČR OP VaVpI ČR Motorpal Jihlava VaV nové generace vstřikovacích zařízení Common Rail s elektronickým řízením FI‐IM5/112 Motorpal Jihlava, ČVUT, TU v Liberci 61 053 tis. Kč/ MPO ČR Impuls ČVUT 1 762 tis. Kč 2008‐2010 ČR Jihostroj Velešín a.s Zařízení na přeměnu tepelné energie v mechanickou založené na principu rotačního motoru nové kinematické koncepce. FT‐TA3/021 Jihostroj Velešín a.s., VZLÚ a.s., ČVUT 35 000 tis. Kč/ Jihostroj Velešín a.s., ČVUT 21 850 tis. Kč/ MPO ČR TANDEM ČVUT 1 400 tis. Kč 2006 – 2009 ČR Jihostroj Velešín a.s Zařízení pro přeměnu tepelné energie v mechanickou založené na principu rotačního motoru nové kinematické koncepce ‐ Rotační generátor (RGŽ) ‐ etapa II. FR‐TI2/292 2010 – 2013 19 MPO ČR TIP ČVUT 3 000 tis. Kč Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ ČR ČR Jihostroj Velešín a.s Honeywell spol s r. o. Jihostroj Velešín a.s. FR‐
TI3/018Konchoidní hydrogenerátor ‐ Vysokotlaké hydraulické čerpadlo s valivým pístem nové kinematické koncepce. MPO. Řešitel ing. Vladimír Ryneš. 2011 – 2014 Jihostroj Velešín a.s SYSTEMATICKÝ NÁVRH ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ PRO OPTIMALIZACE EMISÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ emopt, TA01030170 Honeywell spol s r. o., ČVUT 36 300 tis. Kč/ MPO ČR TIP ČVUT 4 800 tis. Kč 10 133 tis. Kč/ TA ČR ČVUT 4 467 tis. Kč 2011 –2013 ČR ADW s.r.o. Vývoj nízko‐obsahového leteckého motoru, FR‐
TI1/108 Stavus a.s., ADW s.r.o., ČVUT ČR ČVUT Kontrakty s českým a zahraničním průmyslem v oblasti vývoje hnacích jednotek 2005‐2012 EU EU EU EU TIP VW AG, Porsche, Škoda Auto, DAIMLER AG, John Deere, Gamma Technologies ad. 3 000 tis. Kč v průměru /1 rok E‐VECTOORC Škoda Auto a.s. MINIFAROS Škoda Auto a.s. REFORM Škoda Auto a.s. Wear IT@work soukromé solečnosti EU FP7 FP7‐2011‐ICT‐GC E‐
VECTOORC, STREP Škoda Auto a.s. MPO ČR ČVUT 4 377 tis. Kč 2009‐2012 24 354 tis. Kč/ EU FP7 FP 7 #248123 EU FP7 RFSR ‐ CT 2009 ‐ 00016 EU FP6 FP6‐2003‐IST ‐ 2, 004216 V ČR C.I.E.B. Sedadlo City / 2011 Ne interní V ČR C.I.E.B. Podstavec odklop. / 2011 Ne interní 20 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ I CR TÜV SÜD Czech Výzkum a vývoj inovativního bezpečného autobusového sedadla / 2010 Iveco CZ 3 MKč MPO TIP, interní V v realizaci Vision Consulting Automotive s.r.o. Zvyšování pasivní bezpečnosti autobusu – 2010‐2013 SOR Libchavy spol. s r.o., Comtes FHT a.s. MPO ČR – program TIP V v realizaci Vision Consulting Automotive s.r.o. Výzkum a vývoj skeletu SOR Libchavy autobusu z nekonvenčních spol. s r.o., materiálů – 2012‐2014 ČVUT MPO ČR – program TIP EU WITTE Zadní lišta pro Volvo Y555 6/2009 – 12/2010 3 230 637 Kč vlastní ‐ EU WITTE Záchytný hák pro přední kapoty při aktivaci aktivní ochrany chodců ‐ 858 732 Kč vlastní ‐ 864 485 Kč vlastní Samočisticí zpětná kamera ‐ 637 750 Kč vlastní ‐ 7 896 097 Kč vlastní ‐ 3 854 333 Kč vlastní 5/2010 – 2/2011 EU WITTE Integrace kamery do LED Softtouche 9/2010 – 10/2011 EU WITTE 12/2011 – 7/2012 EU WITTE Stabilnější dveřní klikla a výztuha 2/2011 – 4/2013 EU WITTE Samostatné osvětlovací LED těleso 4/2011 – 8/2011 Ve společnosti Škoda Auto a.s. běží v současnosti značný počet projektů VaV financovaných z koncernových prostředků. Tyto projekty jsou financovány interně a jejich náplň i finanční dotace jsou klasifikovány jako interní data. Ve společné organizaci R&D Irisbus Iveco se začleněním Iveco CZ běží v současnosti 18 projektů se zaměřením na oblast bezpečnosti nebo bezpečnost podporující. 21 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6 Prioritní výzkumná témata V návaznosti na SVA byly pro strukturalizaci IAP stanoveny výrobkově nebo průřezově orientované oblasti dle následujícího seznamu: 1. Hnací jednotky 2. Bezpečnost dopravy 3. Podvozky a karoserie 4. Elektrická a elektronická výbava vozidel 5. Inteligentní dopravní systémy (ITS), mobilita a infrastruktura 6. Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu 7. Materiály a výrobní procesy Je zřejmé, že zatímco oblasti 1, 3 a 4 jsou orientovány převážně výrobkově, jsou naopak oblasti 2, 5, 6 a 7 orientovány průřezově, a to v částech 5 a 7 i s přesahem mimo zaměření na výrobu vozidel. Tento přesah se ukázal jako nutný pro komplexní popis multidisciplinární problematiky, stejně jako z dalšího textu patrné vnitřní překryvy jednotlivých oblastí. Po podrobném vyhodnocení aplikačního potenciálu témat SVA byly její původní části 5 a 6 sloučeny do tématu 5. Tím je číslování priorit 6 a 7 posunuto (odpovídají původním prioritám 7 a 8). V detailních tématech jednotlivých priorit byly provedeny jen drobné změny. Popis každé tématické priority obsahuje • Inovovaný popis hlavních směrů rozvoje dané oblasti; • Popis prioritních výzkumných témat IAP, rozepsaný do podrobností obsahujících o aktuální stav o kritická místa vývoje o navržené aktivity o potenciální řešitele; •
Jako dodatek jsou u každé tématické priority uvedena témata již zpracovaná pro realizaci v různých programech a projektech. 6.1 Hnací jednotky 6.1.1 Hlavní směry rozvoje v oblasti hnacích jednotek Výhled podle světových prognóz, zpracovaný např. evropskou technologickou platformou ERTRAC, předpokládá nadále značný podíl spalovacích motorů jakožto účinného transformátoru chemické energie, uložené v zásobnících vozidla nezávislé trakce. Pro využitelnost obnovitelných zdrojů elektrické energie a rekuperaci trakční energie se však tento zdroj kombinuje s elektrickým přenosem výkonu a s akumulací elektrické energie na vozidlech, a to v různé míře od paralelních hybridů až po elektrická vozidla s malým nebo nulovým podílem použití paliv. Elektrická akumulátorová vozidla představují významný technický krok k případnému budoucímu využití vodíku a palivových článků namísto akumulátorů, které však nepřichází v úvahu před rokem 2030. 22 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obr. 6.1.1 ‐ Výhled rozdělení energetických zdrojů pro hnací jednotky Pramen: ERTRAC Roadmap 2011, www.ertrac.org
Základní okolnosti pro návrh výzkumných témat lze shrnout do těchto obecných poznatků: •
neexistuje jediné společné řešení pro energetické, environmentální a socioekonomické požadavky včetně konkurenceschopnosti na vznikajících trzích; •
v nově se rozvíjejících oblastech prognózy často očekávají zásadní objev v analogii se zkušeností z informačních technologií a výpočetní/řídicí techniky; na rozdíl od nich je však v dopravní energetice pro toto očekávání jen omezená naděje; •
řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové energetiky; •
pro hnací jednotku je rozhodující hmotnost včetně zásobníků energií a účinnost zpracování uložené energie včetně rekuperace; •
hnací jednotky je nutno vyvíjet postupně v několika časových horizontech a provedeních podle dosaženého stavu základního výzkumu (spalovací motory, elektromobily, hybridy); •
synergie postupného zavádění nových nosičů energie a infrastruktury pro jejich logistiku i postupné elektrifikace vozidel. Celkové spotřeby energie ze zásobníku a celková účinnost využití energie ze zásobníku pro trakční práci (tank‐to‐wheels, TTW) v evropském jízdním cyklu NEDC (městská UDC a mimoměstská EUDC část) jsou pro různé hnací jednotky se zážehovými (FSI, T, H2 ‐ vodíkový) a vznětovými motory (TDI) spolu s inovativními vícemotorovými koncepcemi, palivovými PEM články (PEM FC) a elektromobilem (FEV) uvedeny na následujících obrázcích. Hlavní zdroj dat pro WTW (včetně WTT) analýzu současného stavu byl použit z JEC ‐ Joint Research Centre‐EUCAR‐CONCAWE collaboration, Well‐to‐Wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context. WELL‐to‐WHEELS Report, Version 3c, July 2011 a Appendix 2. Kromě toho byly použity pro výhled vlastní simulace 23 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ a další údaje sdružení EUCAR http://www.eucar.be/ a EARPA (připravovaný Position Paper on Advanced ICE, Position Paper on HEV and FEV, www.EARPA.org ) a již zmíněné technologické platformy ERTRAC. 50 kWh/100 km
Obr. 6.1.2 ‐ WTW energetické spotřeby a emise CO2 pro standardní spalovací motory a hybridní pohony PISI ... zážehový motor se vstřikováním před sací ventily (dnes běžné řešení) , DPF ... filtr částic pro vznětový motor, DICI ... vznětový motor s přímým vstřikem (dnes běžné řešení), DISI ... zážehový motor s přímým vstřikem, Gasoline ... benzin, Diesel ... motorová nafta, Hyb ... paralelní hybrid. Pramen: JEC ‐ Joint Research Centre‐EUCAR‐CONCAWE collaboration, Well‐to‐wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context. WELL‐to‐WHEELS Report, Version 3c, July 2011 24 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Energy consumption [MJ/km]
3.5
NEDC
UDC
EUDC
3
2.5
1,8 MJ/km=50 kWh/100 km=5 dm3/100 km ... 20%
2
1.5
1
13 kWh el TTW/100 km pro
velmi dobrý ee-mobil s 75%
0.5
PE
M
FC
Px
1.
9T
D
IH
yb
TD
Px
H
yb
PE
M
FC
H
2I
C
E
I
TD
2x
TD
Px
I
1.
9T
D
1.
2T
1.
6F
SI
0
Obr. 6.1.3 ‐ TTW energetické spotřeby pro současné a výhledové hnací jednotky (Vávra, Barák, Macek) FSI, T, H2 ... zážehové motory (standard, s přeplňováním nebo na vodík), TDI ... vznětové motory, 2*TDI dva připojitelné motory, PEM FC ... vodíkový nízkoteplotní palivový článek, FEV... elektromobil) Powertrain efficiency [%]
Powertrain TTW efficiency
in NEDC
80
Hybrid upper estimated eff. gain
70
Powertrain efficiency
60
50
40
20
10
1.1
0.5
14.1
72.0
2.1
1.7
30
1.9
1.2
0.7
0.6
22.0
20.8
15.5
27.5
25.6
40.0
35.0
30.0
26.4
16.4
V
FE
H
FC
PE
M
Px
H
yb
.
yb
yb
TD
M
PE
TD
IH
FC
Px
FC
M
PE
I
H
2I
CE
TD
2x
Px
TD
DI
9T
1.
1.
2T
1.
6F
SI
0
Obr. 6.1.4 ‐ TTW účinnosti pro jednotky dle předchozího obr. 6.1.3 (Vávra, Barák, Macek) 25 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ U elektromobilů a vodíkových technologií je zapotřebí – na rozdíl od spalovacích motorů na běžná paliva ‐ počítat s podstatnými ztrátami při výrobě energie. Spotřeby WTT totiž závisejí na způsobu přípravy a dopravy paliva: •
kapalná ropná paliva – účinnost WTT 80 – 85 %; •
u komprimovaných plynů 70 – 80 % (méně zemní plyn, nejvíce vodík), závisí na tlaku v nádrži (ovlivňuje její hmotnost, opačně TTW); nutno počítat i ztráty zdroje energie pro kompresor; přídavné ztráty započítávají i dopravu plynu plynovodem nebo tankerem (LNG); •
u zkapalněných plynů cca 20 – 60 % (méně zemní plyn, nejvíce vodík); nutno počítat i ztráty zdroje energie pro kompresor zkapalňovače; •
u elektrické energie z tepelných nebo jaderných zdrojů (účinnost elektrárny 30 – 50 %, účinnost rozvodu 85 %, účinnost nabíjení akumulátoru 80 – 90 %), celkově 20 –40 %; u obnovitelných zdrojů více, avšak s několikanásobnými investičními náklady; •
u elektrolytického vodíku kromě výroby elektrické energie ještě účinnost elektrolýzy pod 80 % . S ohledem na hmotnost zásobníku u elektrických akumulačních konceptů je nutno vzít v úvahu i potřebný dojezd, který silně odlišuje vozidla pro různá použití (osobní, nákladní / městská, dálková doprava). Obr. 6.1.5 ‐ Hustota výkonu a energie uložené na vozidle s ohledem na účinnost hnací jednotky a dojezd 26 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.1.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 1 – hnací jednotky 1.1 VaVaI pro spalovací motory se zvýšenou účinností a jejich komponenty při provozu na fosilní paliva, biopaliva 1. a 2. generace pro vozidlové i pro mimosilniční použití Aktuální stav •
•
•
•
•
•
•
Evoluce na základě výzkumného rozvíjení známých cest s využitím optimálních kompromisů, potenciál zlepšení v řádu jednotek % zejména při využití nákladů srovnatelných s jinými řešeními; Možnost pružného přizpůsobení se novým, dosud neznámým podmínkám včetně různých stupňů hybridizace – dílčí řešení jsou již rozpracována; Obvyklý akční radius, neproblematické topení a klimatizace, malé nároky na prostor hnací jednotky a zásoby paliva ve vozidle, zvládnutá pasivní bezpečnost vozidla; Použitelnost vyvinutých motorů i v kombinaci s elektrickými hnacími jednotkami jako hybridy různé úrovně; Využitelnost výsledků VaV ve všech dopravních prostředcích i v distribuované energetice; Nízká cena, využitelnost v tuzemsku i v exportu, tedy neproblematická konkurenceschopnost; Zlepšení fosilního emitovaného CO2 a snížení spotřeby importovaných fosilních paliv až o cca 20 % je možné. Kritická místa •
•
•
Evoluce předpokládá postupný pokrok, který musí být založen na systematickém rozboru odstranitelných ztrát v dosavadních motorech, získaných zkušeností i dosud z ekonomických i technických důvodů nerealizovaných, ale známých řešení ; Maximální úroveň přínosů je předem odhadnutelná, omezení především u účinnosti – zlepšení o 5 % relativně je už úspěchem, ale na rozdíl od plánů předpokládajících uplatnění zatím neznámých technologií se zavede rychle plošně; Legislativní a fiskální podpora dražších hnacích jednotek (cenová úroveň vznětových motorů a výše), paliv a emisních systémů je nutná. Navrhované aktivity k tématu 1.1 1.1.1 Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů. Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů (zejména spalování při nízkých teplotách). Odstranění přídavných ztrát z regulace motoru. Výzkum příslušenství pro tvorbu a zapalování směsi v motoru (včetně použití dvojího paliva a zapalovacích komůrek) a příslušných komponent řídicích systémů. 1.1.2 Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním pomocí účinných prostředků přeplňování motorů. Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním, použití malého počtu válců. Zlepšení pružné reakce motoru na potřebu výkonu s ohledem na účinnost (distribuované zdroje výkonu). Výzkum účinných prostředků přeplňování motorů. 27 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1.1.3 Snižování škodlivých emisí. Snižování škodlivých emisí aplikací nových způsobů ošetření spalin a integrací jejich komponent do systémů přeplňování a zpracování odpadních energií. Tlumení hluku a vibrací motorů. 1.1.4 Konstrukce účinných motorů pro budoucí vozidla. Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním, použití malého počtu válců. Zlepšení konstrukce účinných motorů pro budoucí vozidla. Snižování mechanických ztrát a příkonu pomocných zařízení, např. chladicího systému. 1.1.5 Integrované inteligentní řízení motoru a celé hnací jednotky (přesahuje do části 4). Průřezové téma Integrované inteligentní (prediktivní a adaptivní) řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na systémy pro úpravu spalin. Rozlišení několika úrovní časových měřítek pro hierarchický systém řízení (zásah v rámci jednoho oběhu pro optimální spalování – desítky ms, v rámci desítek oběhů zejména v nestacionárních stavech motoru s přeplňováním – stovky ms, v rámci typických jízdních manévrů a stacionárních operačních režimů podle typu provozu – sekundy, změna řídicí strategie v rámci dlouhodobého charakteru provozu – minuty). Potenciální řešitelé ŠKODA AUTO, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská ‐ Technická univerzita Ostrava, TÜV SÜD Czech, Technická univerzita v Liberci, Ricardo Prague, Honeywell, ZETOR Tractors, ČZ, PBS Turbo, Motorpal, MBtech Bohemia, Porsche Engineering Services Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 1.2 VaVaI pro flexibilní spalovací motory inovativních hnacích jednotek pro vozidla, letectví i energetiku a jejich komponent při provozu na syntetická paliva a biopaliva vyšších generací v městském i mimoměstském provozu Aktuální stav •
•
•
•
•
•
Evoluce na základě výzkumného rozvíjení známých cest s využitím optimálních kompromisů, potenciál zlepšení v řádu 10 % zejména při využití nákladů srovnatelných s jinými řešeními; Možnost pružného přizpůsobení se novým, dosud neznámým podmínkám včetně různých stupňů hybridizace – dílčí řešení jsou již rozpracována; Obvyklý akční radius, neproblematické topení a klimatizace, malé nároky na prostor hnací jednotky a zásoby paliva ve vozidle, zvládnutá pasivní bezpečnost vozidla; Podnět pro postupné budování nových infrastruktur, zejména v případě využití plynných paliv, a to s využitím palivové pružnosti spalovacích motorů; Řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové energetiky; Použitelnost vyvinutých motorů i v kombinaci s elektrickými hnacími jednotkami jako hybridy různé úrovně; 28 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
•
•
Využitelnost výsledků VaV ve všech dopravních prostředcích i v distribuované energetice; Nízká cena, využitelnost v tuzemsku i v exportu, tedy neproblematická konkurenceschopnost; Zlepšení fosilního emitovaného CO2 a snížení spotřeby importovaných fosilních paliv až o cca 50 % je možné. Kritická místa •
•
•
•
Evoluce předpokládá postupný pokrok v návaznosti na předchozí aktivitu, který musí být založen na systematickém rozboru odstranitelných ztrát v dosavadních motorech, získaných zkušeností i dosud z ekonomických i technických důvodů nerealizovaných, ale známých řešení; Maximální úroveň přínosů je předem odhadnutelná, omezení především u účinnosti – zlepšení o 10 % relativně je už úspěchem, ale na rozdíl od plánů předpokládajících uplatnění zatím neznámých technologií se zavede rychle plošně; Nutnost dobudování infrastruktury po nová paliva; Legislativní a fiskální podpora dražších hnacích jednotek (cenová úroveň vznětových motorů a výše), paliv a emisních systémů je nutná. Navrhované aktivity k tématu 1.2 1.2.1 Zvyšování účinnosti optimalizací pro budoucí paliva podle požadavků perspektivních trhů. Výzkum příslušenství pro zvýšení palivové pružnosti, účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním. Využití odpadních toků energie. Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů pro nová paliva (zejména spalování při nízkých teplotách využitím dvoupalivového konceptu) a jejich optimalizací pro budoucí paliva podle požadavků perspektivních trhů (typ provozu, úroveň emisí, cena motoru atd.). Výzkum příslušenství pro zvýšení palivové pružnosti (tvoření a zapalování směsi včetně použití vysokotlakých vstřikovacích systémů s řízením průřezu a orientace otvůrků trysek, průběhu tlaku během vstřiku, výbojů chladného plazmatu a laserových zapalování). Výzkum účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním v kombinovaných mechanicko‐elektricko‐turbinových systémech. Využití odpadních toků energie (turbokompound, parní cykly, termoelektrické generátory). 1.2.2 Konstrukce palivově flexibilních motorů pro budoucí vozidla. Integrace systémů motorů do účinnějších celků s dělením výkonu. Konstrukce palivově flexibilních motorů pro budoucí vozidla. Využití odpadních toků energie. Integrace systémů motorů do účinnějších celků s dělením výkonu. 1.2.3 Prediktivní a adaptivní řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na pružnost při použití různých paliv (přesahuje do části 4). Průřezové téma Integrované inteligentní (prediktivní a adaptivní) řízení motoru a celé hnací jednotky pro různá provozní využití podle její koncepce, zejména s ohledem na pružnost při použití různých paliv. 29 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Potenciální řešitelé ŠKODA AUTO, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská ‐ Technická univerzita Ostrava, TÜV SÜD Czech, Technická univerzita v Liberci, Ricardo Prague, Honeywell, ZETOR Tractors, ČZ, PBS Turbo, Motorpal, MBtech Bohemia, Porsche Engineering Services Popis témat připravených k realizaci Vzhledem k termínu zahájení nejsou. 1.3 VaVaI komponentů alternativních hnacích jednotek (pokročilé mechanické převodovky, komponenty hybridů a elektromobilů) v městském i mimoměstském provozu Aktuální stav •
•
•
•
•
•
Pro hnací jednotku je rozhodující hmotnost včetně zásobníků energií a účinnost zpracování uložené energie včetně rekuperace; Hnací jednotky je nutno vyvíjet postupně v několika časových horizontech a provedeních podle dosaženého stavu základního výzkumu a v synergii postupného zavádění nových nosičů energie a infrastruktury pro jejich logistiku i postupné elektrifikace vozidel; Evoluce na základě výzkumného rozvíjení známých cest s využitím optimálních kompromisů se týká řešení převodů s automatizací řazení novými způsoby; Pro komponenty hybridů a elektromobilů je rozhodující současná vysoká cena a hmotnost (zejména pro akumulátory); U elektromobilů a vodíkových technologií je zapotřebí počítat s podstatnými ztrátami při výrobě energie u elektrické energie z tepelných nebo jaderných zdrojů (účinnost elektrárny 30 – 50 %, účinnost rozvodu 85 %, účinnost nabíjení akumulátoru 80 – 90 %) celkově 20 – 40 %; u obnovitelných zdrojů více, avšak s několikanásobnými investičními náklady, u elektrolytického vodíku kromě výroby elektrické energie ještě účinnost elektrolýzy pod 80 %. S ohledem na hmotnost zásobníku u elektrických akumulačních konceptů je nutno vzít při tržním určení vozidla v úvahu i potřebný dojezd, který silně odlišuje vozidla pro různá použití (osobní, nákladní / městská, dálková doprava). Kritická místa •
•
•
•
Pro komponenty hybridů a elektromobilů je rozhodující snížení ceny, hmotnosti (zejména pro akumulátory), zvýšení životnosti; Návaznost na snižování hmotnosti karoserie a zvyšování pasivní bezpečnosti vytváří synergii s prioritními tématy části 3; Řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové energetiky (zajištění nízkouhlíkových zdrojů elektrické energie); Pro pilotní provedení vozidel je nutná legislativní a fiskální podpora dražších hnacích jednotek. Navrhované aktivity k tématu 1.3 1.3.1 Výzkum a optimalizace vysoce účinných řaditelných mechanických převodovek a děličů výkonu. 30 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Automatické čistě mechanické převodovky s přímým i děleným tokem výkonu a systémy jejich řízení. 1.3.2 Výzkum a optimalizace elektrických pohonů. Výzkum a optimalizace elektrických pohonů (elektromotory, konvertory, invertory) z hlediska účinnosti, hmotnosti a požadavků na příslušenství. Holistický přístup k celkové účinnosti systému vozidla s ohledem na jeho provozní využití. 1.3.3 Výzkum a optimalizace provozních celků akumulátorů elektrické energie a palivových článků z hlediska interakce s vozidlem. Výzkum a optimalizace provozních celků chemických akumulátorů elektrické energie, ultrakapacitorů a palivových článků z hlediska interakce s vozidlem. Optimalizace tepelného hospodářství elektropohonů, vytápění a klimatizace vozidla. Prediktivní řízení energetického systému vozidla podle provozních okolností včetně počasí, plánované trasy a kondice systémů vozidla. Obr. 6.1.6 ‐ Účinnost elektrického přenosu výkonu (Barák, Čeřovský) 1.3.4 Elektrická bezpečnost obsluhy a údržby elektrických vozidel. Pasivní bezpečnost akumulátorů ve vozidlech (přesahuje do části 2). 1.3.5 Infrastruktura pro distribuci vozidlové elektřiny a inteligentní energetické sítě (přesahuje do části 5). Nabíjení veřejné (rychlé) a domácí (pomalé). Zabezpečení proti krádežím energie, vandalismu a teroristickému zneužití. Plánování dojezdu podle zvolené trasy 31 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ a dopravní situace, plánování dobíjení. Využití akumulace ve vozidlech pro inteligentní síť. Systém pronájmu akumulátorů. Potenciální řešitelé ŠKODA AUTO, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská ‐ Technická univerzita Ostrava, TÜV SÜD Czech, Technická univerzita v Liberci, Ricardo Prague, EATON Corp., MBtech Bohemia, Porsche Engineering Services, VÚEZ Brno, SKD, SOR Libchavy Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 1.4 VaVaI hnacích jednotek z hlediska nových koncepcí (převodová ústrojí, koncepce pohonů, včetně hybridních a s palivovými články, řídicí systémy) v městském i mimoměstském provozu Aktuální stav •
•
•
•
•
•
•
Pro hnací jednotku je rozhodující hmotnost včetně zásobníků energií a účinnost zpracování uložené energie včetně rekuperace; Hnací jednotky je nutno vyvíjet postupně v několika časových horizontech a provedeních podle dosaženého stavu základního výzkumu a v synergii postupného zavádění nových nosičů energie a infrastruktury pro jejich logistiku i postupné elektrifikace vozidel; Pro komponenty hybridů a elektromobilů je rozhodující cena a hmotnost (zejména pro akumulátory); U elektromobilů a vodíkových technologií je zapotřebí počítat s podstatnými ztrátami při výrobě elektrické energie z tepelných nebo jaderných zdrojů (účinnost elektrárny 30 – 50 %, účinnost rozvodu 85 %, účinnost nabíjení akumulátoru 80 – 90 %) celkově 20 – 40 %; u obnovitelných zdrojů více, avšak s několikanásobnými investičními náklady; u elektrolytického vodíku kromě výroby elektrické energie ještě účinnost elektrolýzy pod 80 %; S ohledem na hmotnost zásobníku u elektrických akumulačních konceptů je nutno vzít při tržním určení vozidla v úvahu i potřebný dojezd, který silně odlišuje vozidla pro různá použití (osobní, nákladní / městská, dálková doprava); Neexistuje jediné řešení pro energetické, environmentální a socioekonomické požadavky včetně konkurenceschopnosti na vznikajících trzích; současná znalost výhod a nevýhod jednotlivých koncepcí neumožňuje jednoznačně rozhodnout o optimálním řešení; Akumulátorová vozidla jsou reálnější ve středním časovém horizontu, vozidla s palivovými články (včetně hybridů) až v dlouhodobém horizontu. Kritická místa •
•
•
Pro komponenty hybridů a elektromobilů je rozhodující snížení ceny, hmotnosti (zejména pro akumulátory), zvýšení životnosti, zejména akumulátorů; Návaznost na snižování hmotnosti karoserie a zvyšování pasivní bezpečnosti vytváří synergii s prioritními tématy části 3; Řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové energetiky (zajištění nízkouhlíkových zdrojů elektrické energie) a vybudování nákladné infrastruktury; 32 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
•
Prognózy očekávají zásadní objev v analogii se zkušeností z informačních technologií a výpočetní/řídicí techniky; na rozdíl od nich je však v dopravní energetice pro toto očekávání jen omezená naděje; Pro sériová provedení vozidel a vybudování infrastruktury je nutná legislativní a fiskální podpora dražších hnacích jednotek. Hybrid Concepts
ICE
hybrid
parallel hybridwith power splitting
← mild hybrid ←mechanical
electrical→
electrical→
serial hybrid
plugplug-in hybrids→
hybrids→
range extender→
extender→
0%
e-vehicles
WTW efficiency
100 %
share of renewable accumulated
energy on the total power
Obr. 6.1.7 ‐ Rozdělení koncepcí hybridních a elektrických vozidel. Pramen: Morkus J.: Hybridní pohony. Interní učební text, ČVUT v Praze 2012 Navrhované aktivity k tématu 1.4 1.4.1 Výzkum koncepce hybridních pohonů s akumulací různých druhů energií. Výzkum koncepce hybridních pohonů s akumulací různých druhů energií zaměřený na hardwarové prostředky pro optimalizaci strategie řízení. Výzkum systémů a konstrukčních celků děličů výkonu. 33 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1.4.2 Integrace mechanických a elektrických prvků hnací jednotky. Konstrukční výzkum a vývoj kompaktních a hmotnostně příznivých řešení v souvislosti s revizí vzoru vozidla založeného na pohonu spalovacím motorem. Modulární stavba, možnost přizpůsobování vozidla různým provozním požadavkům během doby používání. 1.4.3 Integrované řízení hybridní hnací jednotky a vozidla (přesahuje do částí 4 a 5). Integrované řízení hybridní hnací jednotky a vozidla. Rozlišení několika úrovní časových měřítek pro hierarchický systém řízení (zásah v rámci jedné otáčky motoru pro optimální okamžitou účinnost – desítky ms, v rámci desítek otáček zejména v nestacionárních stavech motoru – stovky ms, v rámci typických jízdních manévrů a stacionárních operačních režimů podle typu provozu – sekundy, změna řídicí strategie v rámci dlouhodobého charakteru provozu – minuty, optimalizace dojezdu a dobíjení – desítky minut). Potenciální řešitelé: ŠKODA AUTO, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská ‐ Technická univerzita Ostrava, TÜV SÜD Czech, Technická univerzita v Liberci, Ricardo Prague, EATON Corp., MBtech Bohemia, Porsche Engineering Services, VÚEZ Brno, SKD, SOR Libchavy Popis témat připravených k realizaci: Vzhledem k termínu zahájení nejsou. 1.5 VaVaI výroby a infrastrukturních opatření pro alternativní paliva a provozní tekutiny spalovacích motorů a elektromobilů Aktuální stav •
•
•
•
Existuje infrastruktura pro distribuci 2 kapalných paliv (E85 a bionafta), plynná paliva zastupuje s celostátním pokrytím jen LPG, existují izolované tankovací stanice pro CNG a izolované stanice dobíjecí pro rychlonabíjení elektromobilů; Plynová vozidla mají omezenou možnost oprav v servisech, elektrická vozidla dosud žádnou; Neexistuje koncepce recyklace a likvidace nebezpečných látek z elektrických vozidel; Téma je interdisciplinární a přesahuje z rozsahu SVA i IAP do dalších TP. Kritická místa •
•
•
•
Řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové energetiky (zajištění nízkouhlíkových zdrojů elektrické energie); Prognózy očekávají zásadní objev i pro bezkontaktní účinné a neškodné nabíjení vozidel; pro toto očekávání existuje jen omezená naděje; Je nutná legislativní a fiskální podpora; Je nutná koordinace výzkumu v oblasti vozidel a energetiky. Navrhované aktivity k tématu 1.5 1.5.1 VaV výroby a skladování syntetických kapalných paliv a kapalných paliv založených na biomase (přesahuje do TP Energetika). 34 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ VaV výroby a skladování syntetických kapalných paliv (tříděný odpad, uhlí, zemní plyn, X to Liquid procesy xTL, jako GTL, CTL atd.) a kapalných paliv založených na biomase (konverze na kapalná paliva Biomass to Liquid BTL, např. dimetyléter DME, hydrogenace rostlinných olejů HVO Nestlé atp.). 1.5.2 VaV výroby, skladování a přímého využití plynných paliv včetně vodíku (přesahuje do TP Energetika). VaV výroby, skladování a přímého využití plynných paliv včetně vodíku. Výzkum a vývoj cesty k vodíkové energetice. Oleje pro mazání motorů na alternativní paliva. 1.5.3 Vliv paliva na tvorbu a zapalování směsi a možnosti kompenzace vlivu paliva adaptivním řídicím systémem. Infrastrukturní opatření pro přenos informací o palivu do vozidla a zavedení dat do řídicího systému vozidla. Adaptivní řídicí systémy palivově flexibilních motorů (spolu s výsledky výzkumu hnacích jednotek). 1.5.4 Hodnocení dopadů paliv metodikami WTT a TTW (přesahuje do TP Energetika). Určení potřebných dílčích vstupů pro tyto metodiky (spolu s výsledky výzkumu hnacích jednotek). 1.5.5 Pasivní bezpečnost skladování alternativních paliv (přesahuje do části 2). Pasivní bezpečnost skladování alternativních paliv, zejména plynných a snadno odpařitelných paliv (DME) a nabitých akumulátorů elektrické energie v případě zavedení výměnného fondu akumulátorů místo rychlonabíjení. 1.5.6 Infrastruktura pro distribuci plynových paliv, včetně vodíkové infrastruktury (přesahuje do části 5). Úloha spalovacích motorů na paliva obsahující vodík (NG+H2) a motorů na čistý vodík při přechodu na infrastrukturu pro budoucí vozidla s palivovými články. Potenciální řešitelé Oblast energetiky a palivářského průmyslu ČR. Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 1.6 VaVaI v oboru materiálů hnacích jednotek v návaznosti na jejich koncepci a konstrukci Aktuální stav •
Materiály pro hnací jednotky zahrnují jak klasické strojírenské kovové i nekovové materiály spalovacích motorů a převodovek, tak nové materiály elektrických zařízení; •
U klasických materiálů probíhá postupný přechod na lehké kovy, vysokopevnostní oceli a litiny, plasty a kompozity; speciální požadavky jsou na ložiskové kovy a vysokoteplotní slitiny s ohledem na cenu, dostupnost nebo toxicitu některých kovových složek; •
U materiálů pro elektrická zařízení a chemické reaktory probíhá bouřlivý vývoj s aplikací některých speciálních prvků (zejména vzácných zemin pro elektromagnety, 35 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ elektrické akumulátory a ultrakapacitory, palivové články i katalyzátory) se současnou aplikací nanotechnologií (zejména v akumulátorech a palivových článcích, částečně i zásobnících plynů). Kritická místa •
Řešení musí být vázáno i na vývoj evropské a světové surovinové situace; •
Prognózy očekávají zásadní objevy pro náhradu úzkoprofilových prvků (drahých kovů, vzácných zemin) aplikacemi nanotechnologických struktur; •
Je nutná koordinace výzkumu s oblastí obecného materiálového výzkumu. Navrhované aktivity k tématu 1.6 1.6.1 Výzkum nových jednoúčelových materiálů speciálních vlastností (přesahuje do části 7). Výzkum nových materiálů pro lehké nosné části motorů, teplotně zatížené části, části zatížené setrvačnými silami s požadavkem na nízkou hustotu a pro části zatížené otěrem (včetně povrchových úprav a nanotechnologií) a pro snížení obsahu částic z otěru ve výfukových plynech. Výzkum nových materiálů s omezeným a recyklovatelným obsahem vzácných prvků pro části zapalovacích svíček, chemicky aktivní materiály a jejich nosiče pro úpravu spalin a nízkoteplotní reakce v elektrochemických zařízeních, pro akumulátory a pro elektrické stroje (vodiče, magnety, ...). 1.6.2 Multifunkční, inteligentní a kompositní materiály (přesahuje do části 7). Nanotechnologie z hlediska tribologie, elektrochemie, povrchové aktivity jako adsorpce atp. Výzkum nových struktur materiálů pro současné plnění více funkcí (nosných, tepelně izolujících nebo naopak teplo sdílejících, reagujících na provozní podmínky změnou tvaru nebo tuhosti atp.). 1.6.3 Integrované hodnocení materiálů z hlediska ekonomiky a ekologie (CtG, craddle to grave ‐ přesahuje do části 7). 1.6.4 Návaznost na konkurenceschopnou technologii výroby a na aktivní řízení kvality (xFQ ‐ přesahuje do částí 6 a 7) Potenciální řešitelé ŠKODA AUTO, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská ‐ Technická univerzita Ostrava, TÜV SÜD Czech, Technická univerzita v Liberci, Ricardo Prague, Honeywell, ZETOR Tractors, ČZ, PBS Turbo, Motorpal, MBtech Bohemia, Porsche Engineering Services Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 36 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.1.3 Dodatek – témata v oblasti 1 připravená pro realizaci 1.1.1 Zvyšování účinnosti přeměny chemické energie paliva na práci ve spalovacích motorech aplikací nových spalovacích procesů Pokročilé systémy pro přípravu směsi a spalování připravené směsi s vysokou účinností a nízkou emisí škodlivin Řeší se spalovací systém umožňující rychlé, a tedy energeticky efektivní, prohoření extrémně chudé směsi. Extrémní ochuzení směsi povede na nízkou teplotu pracovní látky během vysokotlaké části cyklu, což výrazně omezí tvorbu oxidů dusíku. Na rozdíl od implementace konvenčních optimalizačních opatření, která vyhledávají vhodný kompromis mezi navzájem recipročním dopadem na účinnost motoru a tvorbou oxidů dusíku, umožní nová strategie současné zlepšení palivové ekonomie i obsahu oxidů dusíku v surových spalinách. Zkrácení celkové doby hoření též omezí výskyt klepání, což umožní modifikovat konstrukci a seřízení motoru směrem k dalšímu zlepšení účinnosti. Hlavním prostředkem, jehož nasazení se plánuje, je zapalovací systém s vysokou a stabilní zapalovací energií. Předpokládá se dosažení až 10% úspory paliva při současném zjednodušení požadavků na složitost zařízení pro dodatečnou úpravu spalin. Implementace inovativního zapalovacího procesu je provedena dvěma způsoby konstrukčního a technologického uspořádání: ƒ
Nekompromisní řešení předpokládá přítomnost obohacené směsi v okolí mezery mezi elektrodami zapalovací svíčky. ƒ
Technologická implementace bude uskutečněna jako zapalovací komůrka se zvláštním přívodem paliva a s vestavěným jiskřištěm. Po zapálení obohacené směsi v komůrce výšleh hořící pracovní látky do hlavního spalovacího prostoru excituje bezpečný zážeh a zajistí dokonalé prohoření špatně zápalné extrémně chudé směsi. Nízkonákladová verze předpokládá umístění jiskřiště zapalovací svíčky v komůrce bez přívodu paliva. Zastínění jiskřiště proti makroskopickému pohybu náplně pracovní látky omezí vynášení aktivovaných částic z objemu mezi elektrodami svíčky, což zejména při vysoké hustotě pracovní látky vede k efektivnějšímu využití zapalovací energie s následným příznivým dopadem na rychlost rozvoje plamene. 1.1.2 Zvyšování účinnosti a intenzifikace výkonu přeplňováním pomocí účinných prostředků přeplňování motorů Pokročilé systémy výměny náplně válce a aerodynamických potrubních systémů s cílem snížení spotřeby paliva/skleníkových plynů Hlavním nástrojem pro dosažení cílů jsou vícerozměrné simulace založené na CFD. Je třeba prozkoumat nové techniky modelování turbulence (LES, PANS, DNS, …), o kterých se předpokládá, že zlepší prediktivní schopnost těchto komplexních simulací. To pak umožní spolehlivěji provádět optimalizace komplexních potrubních systémů (včetně sacích/výfukových potrubí) již v úvodní fázi vývoje spalovacího motoru. Dalším přínosem je pak velmi detailní informace o důležitých veličinách v celém spalovacím prostoru, což umožní další zpřesnění znalostí o funkci motoru. Hlavními tématy jsou minimalizace vlivu mezicyklových variací a snížení ztrát v komplexních potrubních systémech, vývoj efektivní metody pro přenos informací z detailních CFD výpočtů do modelů „menší fyzikální hloubky“ (např. do 0‐D/1‐D modelů vhodných pro simulaci celého spalovacího motoru včetně příslušenství a řízení). Mezicyklová variabilita je známý problém zážehových spalovacích motorů. Pokročilé simulace založené na CFD jsou schopny tento fenomén postihnout (při dodržení „rozumných“ výpočetních časů). To umožní jeho podrobnější studium a analýzu. Je nutné propočítat a pak následně statisticky vyhodnotit mnoho po sobě následujících cyklů motoru, což je časově velmi náročné. Určení hlavních příčin mezicyklové variace je tedy hlavní náplní této fáze výzkumu. Je nutné prověřit potenciál nových technik určených pro modelování turbulence (LES, PANS, DNS, …). Zjištění výhod/nevýhod při aplikaci na spalovací motor je velmi důležité pro jejich správné využití při vývoji a optimalizaci budoucích spalovacích motorů. Korektní modelování turbulence je klíčové při optimalizaci komplexních potrubních systémů (např. sací/výfukové potrubí). Očekává se, že tyto zpřesněné optimalizace (použitelné již v ranných fázích vývoje) umožní snížení práce na výměnu náplně válce. To má napomoci dosažení cíle v rámci balíčku WP10 (snížení produkce CO2 o 5 %). Možnost řídit velké vírové struktury uvnitř spalovacího prostoru je důležitá pro budoucí pokročilé systémy spalování (a to nejen u zážehových motorů). Lepší pochopení dějů uvnitř spalovací komory motoru umožní nejen optimalizaci jejího tvaru, ale také pokročilejší řízení motoru jako celku. Vhodná a srozumitelná kvantifikace velkých vírových struktur pomocí integrálních parametrů (vírové číslo samo o sobě nestačí) je žádoucí pro porovnání různých variant, zejména při použití pokročilých systémů výměny náplně válce (VVT, VVL, VVA, …). Vyhodnocení integrálních parametrů bude prováděno z výsledků numerických simulací i z experimentálních dat získaných na stanovišti pro měření vlastností kanálů spalovacích motorů.
Turbodmychadla a výkonové turbiny – aerodynamická optimalizace, dynamika rotorů a přiřazení pro účinné přeplňované motory Aktivita má za cíl vyvinout nástroje, které umožní dosáhnout zlepšení účinnosti lopatkových strojů o 5 % (relativně). To úzce souvisí s vylepšením následujících parametrů – návrh tvaru lopatek kompresoru/turbiny, řízení turbodmychadla (s využitím spolehlivé předpovědi 37 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ pracovních map lopatkových strojů), snížení mechanických ztrát. Dynamické vlastnosti během normální funkce turbodmychadla jsou úzce spjaty s mechanickými ztrátami. Navíc jsou ovlivněny působením aerodynamických a setrvačných sil. Tyto efekty budou podrobeny detailnímu zkoumání, obzvláště pak termodynamické procesy uvnitř turbodmychadla. Nemalou roli hrají vůle, které jsou nezbytné pro bezpečnou funkci turbodmychadla. Hlavním prostředkem realizace tohoto výzkumu budou simulace. Půjde o různé typy SW produktů od 0‐
D, přes 1‐D až po plně 3‐D nástroje. Na základě výsledků a optimalizací bude vyroben prototyp, který bude podroben detailnímu zkoumání. Půjde hlavně o mechanické vlastnosti rotoru turbodmychadla. Jde hlavně o zlepšení účinnosti budoucích turbodmychadel (o 5 % relativně) a dynamiky jejich rotorů. Bude studován vliv výkonové turbiny a inovativních koncepcí turbodmychadel v rámci experimentálního vývoje (EV). Vývoj 1‐D nestacionárních CFD modelů turbiny a kompresoru, jež se využijí v rámci 0‐D/1‐D simulací celého motoru včetně příslušenství. Dalším cílem plánovaných prací je najít vhodný postup pro efektivní kalibraci těchto modelů. Dále je třeba ověřit správnou funkci vyvíjených 1‐D modelů (turbina/kompresor) za podmínek odpovídajících běžné funkci motoru. Tyto pracovní podmínky se obtížně realizují na zkušebních stavech turbodmychadel díky značné nestacionaritě. Experimenty na spalovacích motorech zaměřené na zpřesnění kalibrace 1‐D modelů turbiny/ kompresoru. To je velmi důležitý krok, neboť tyto 1‐D modely vyžadují (pro správnou kalibraci) větší rozsah měřených dat v porovnání se standardními zkouškami. Měření okamžitých pracovních stavů turbodmychadla na motoru (což je velmi obtížný úkol) pak zpřesní proces kalibrace a také pochopení dějů odehrávajících se uvnitř lopatkových strojů. Detailní 3‐D CFD nástroj pro kalibraci 1‐D modelu turbiny/kompresoru. Budou vyvíjeny, podrobně testovány a na základě získaných poznatků a dat postupně dále rozvíjeny originální nástroje sloužící k modernímu návrhu kompresorů/turbin a k rychlé predikci aerodynamických charakteristik těchto částí používaných turbodmychadel pomocí zjednodušeného CFD nástroje. Takto získaná data budou pak přenesena do 1‐D modelu turbiny/kompresoru. Výše zmíněné CFD nástroje mají větší „fyzikální hloubku“, lze je tedy použít jako výchozí data pro kalibraci 1‐D modelů. Databáze 1‐D modelů turbodmychadel. Tato databáze umožní zobecnění z hlediska kalibračních parametrů 1‐D modelů turbiny/kompresoru. Bude existovat přehled o tom, jak se tyto parametry mění s velikostí stroje nebo s typem konstrukce. To umožní „interpolaci“ (tj. relativně spolehlivý odhad) v případě, že lopatkový stroj ještě neexistuje. Tato vlastnost se hodí hlavně v úvodní fázi návrhu, kdy se řeší/posuzují různé varianty, aby bylo možné vybrat „nadějné“ kandidáty. Jakmile bude stroj vyroben a proměřen, dojde ke zpřesnění kalibračních parametrů. Virtuální testování turbodmychadel s cílem optimalizovat strategie řízení (společná aktivita s Honeywell s.r.o). Řízení turbodmychadla je kritický parametr, který nelze posuzovat odděleně – je nutné vzít v úvahu vliv na celý motor. Studium (pomocí vhodných simulačních nástrojů) komplexních interakcí mezi motorem a lopatkovým strojem zlepší pochopení klíčových dějů, což umožní návrh sofistikovanějších řídících strategií. Očekává se, že tyto pokročilé strategie pak povedou ke snížení spotřeby paliva a zlepšení odezvy motoru v přechodových režimech. Analytické simulování a porovnávání různých konceptů, které přicházejí v úvahu pro využití energie spalin obsažené ve výfukových plynech vozidlového motoru, kombinace turbodmychadla a výkonové turbíny, vliv na brzdění motorem, regeneraci DPF, regulace průtoku, zhodnocení výhod axiální versus radiální turbíny, regulace průtoku spalin, zajištění dynamiky vozidla v přechodových režimech, využití energie z výkonové turbíny pro pohon vozidla nebo pro pohon pomocných agregátů na vozidle, začlenění systému eventuálně do hybridního konceptu pohonu vozidla s elektrickým přenosem výkonu. Zpracování vybraného konceptu do podoby možného konstrukčního řešení s ohledem na omezení daná zástavbovými prostory na vozidle, zohlednění výrobních nákladů na celý systém, řešení problémů s tepelným sáláním z povrchu turbíny. Optimalizování turbínové části systému a interakce s ostatními komponenty tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti při minimálním ovlivnění vlastností turbodmychadla, určení správné velikosti turbíny s ohledem na provozní režim, ve kterém bude nejčastějii využívána. Optimalizování řídícího systému rozdělení výkonu, který je nedílnou součástí celého systému nezbytného pro smysluplné začlenění do řízení pohonu vozidla, definování vhodných regulačních strategií a návrh prvků řídícího systému tak, aby se integrovaly elementy řízení EGR, řízení průtoku, brzdění motorem, řízení aftertreatment systémů apod. 1.1.3 Snižování škodlivých emisí Přizpůsobení motorů alternativním palivům a inovativní systémy pro snížení znečištění a emisí GHG Zlepšení základních parametrů pokročilých spalovacích motorů v kombinaci s alternativními a obnovitelnými palivy a v kombinaci s hybridními nebo plně elektrickými hnacími jednotkami včetně použití nových materiálů). Řeší dopady použití (obnovitelných) plynných paliv na spalovací motory a využitím biomasy, plynů při zpracování odpadu nebo odpadních plynů z různých výrobních procesů sníží spotřebu fosilních paliv o 50%. Toto je dosaženo minimalizováním doby hoření a zabráněním vzniku klepání s vysokou hustotou výkonu (úroveň plnícího tlaku) na úrovni regulovaného znečištění oxidy dusíku. Navíc lze kapalných paliv z obnovitelných zdrojů použít pro nezávislé vozidlové topení (vhodné i pro elektromobily). Virtuální termodynamický motor – SW pro simulaci / optimalizaci spalování Řešení je založeno na vývoji/aplikaci nástrojů, které jsou schopny detailního popisu procesu spalování včetně tvorby hlavních škodlivin včetně „netradičních“ módů spalování (klepání). Tyto modely mají také poskytovat okrajové podmínky do dalších simulací pro vývoj mechanických/aerodynamických dílů. Zmíněné nástroje budou použity pro vyhodnocení potenciálu inovativních řešení pro optimalizaci celkové energetické náročnosti hnacího řetězce včetně emisí. Jde hlavně o snížení spotřeby paliva a emisí nové generace motorů. Jedním z nástrojů, který umožní těchto cílů dosáhnout, je použití simulačních technik pro modelování termodynamických procesů uvnitř motoru (virtuální realita). Tyto modely však musejí být dostatečně přesné, aby bylo možné je použít v ranných fázích vývoje motoru. Často pak výstupy z těchto modelů slouží jako okrajové podmínky pro jiné fyzikální disciplíny (dynamika mechanických částí, hluk atp.). Očekává se, že zpřesněné modelování turbulence zlepší také modely spalování založené na turbulentních transportních vlastnostech. Budou testovány různé modely spalování, jejichž základem jsou lokální vlastnosti turbulence a zjednodušená chemická kinetika. Tyto 38 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ modely budou kombinovány s různými přístupy k modelování turbulence, aby bylo možné ověřit jejich vlastnosti a vhodnost pro aplikaci na spalovací motor. Předmětem zájmu budou jak zážehové, tak vznětové motory. Jakmile budou tyto modely spolehlivě otestovány, je možné je použít pro optimalizaci procesu spalování (a tedy zvýšení účinnosti vysokotlaké fáze oběhu) při současném snížení tvorby škodlivin. Předpokládá se také přenos znalostí z detailních vícerozměrných CFD přístupů do rychlých 0‐D/1‐D SW nástrojů, jež jsou vhodné pro simulaci celého motoru. Výzkum simulačních systémů a strategie řízení za účelem optimalizace celkové spotřeby energie a produkovaných emisí s ohledem na výpočet celkové energetické náročnosti (tzv. well‐to‐wheel). Včetně zahrnutí celkové produkce emisí, celkové výroby elektrické energie a nákladů pro koncového zákazníka. Vytvoření modelu pro simulaci různých typů a nastavení hnacích soustav (např. konvenční spalovací motor, sériové a paralelní hybridní pohony, elektrický pohon). Použití modelu k návrhu a optimalizaci řídicí strategie hybridního vozidla a porovnaní k alternativním typům pohonu za účelem minimalizace spotřeby energie a produkce emisí prostřednictvím simulace. V první etapě bude výzkum zaměřen na rešerši stávajících technologií (např. bateriové technologie, elektrické a spalovací motory, architektury hybridních pohonů) a problematiku celkové energetické náročnosti. Uvažovaná náročnost zahrne energetické náklady na těžbu a zpracování zdrojů, jejich logistiku až ke koncovému zákazníkovi, včetně započítání energetických nákladů na konci životního cyklu (např. recyklace baterie). Dále bude provedena rešerše problematiky standardních jízdních cyklů oproti reálným jízdním cyklům za účelem zpracování metodiky simulací a rešerše optimalizačních metod včetně stanovení ukazatelů pro hodnocení optimálnosti. Na konci první etapy bude vyhotoven předběžný model jedné varianty konfigurace hnací soustavy a návrh formátu vstupních dat. V další fázi bude vyvinut základní simulační software včetně implementace algoritmu pro minimalizaci kombinované spotřeby energie (palivo + elektrická energie) s ohledem na emise hybridního vozidla během jízdního cyklu. Simulační model bude mít takovou strukturu, aby bylo možné jej snadno modifikovat za účelem změny parametrů motoru, případně konfigurace hnací soustavy (např. klasické vozidlo se spalovacím motorem, sériový nebo paralelní hybrid, start/stop systém, atd.). K výpočtu celkové energetické spotřeby použijeme výstupy ze simulace daného jízdního cyklu a připočteme náklady vyplývající z poznatků z první etapy. Například při výpočtu spotřeby hybridního vozidla bude uvažována jak náročnost výroby a recyklace baterií, tak i vypočítaná spotřeba energie ze simulace. Konečná etapa projektu přinese rozšíření funkcionality základního softwaru ve smyslu zahrnutí nových technologii v době ukončení projektu, např. nové typy hnacích soustav a nové jízdní cykly. 1.1.4 Konstrukce účinných motorů pro budoucí vozidla Konstrukce cenově příznivých motorů pro rozvíjející se trhy a prodlužovače dojezdu elektromobilů S pomocí nástrojů experimentálního vývoje se realizují výsledky aplikovaného výzkumu ke snížení termodynamických ztrát spalovacího motoru podle předcházejících aktivit. Vývoj motoru s atmosférickým plněním a se vstřikováním paliva do sacího traktu pro vozidla nižší/střední třídy nevyčerpal dosud svůj potenciál, zejména po zavedení mírného stupně přeplňování. Tyto motory díky své konstrukční jednoduchosti a nízké ceně najdou uplatnění zejména v rozvíjejících se trzích. Uplatnění pokročilého řízení vstřikování, optimalizace výměny náplně a účinnost katalyzátorů umožní takovým motorům splnit budoucí emisní požadavky při současném snížení spotřeby paliva a emisí CO2. Simulační metody umožní kvantifikovat mechanické ztráty všech hlavních částí zážehových pohonných jednotek, jako jsou kluzná a valivá ložiska, pístní skupina, dílů ventilových rozvodů, řetězových a řemenových pohonů, ozubených kol a dalších příslušenství. Snížením termodynamických a mechanických ztrát se spotřeba paliva a emise CO2 sníží minimálně o 5 % za 5 let při současném respektování platných emisních limitů. Vyřešením problémů spojených s nízkým počtem válců a vývojem válcových jednotek těchto motorů vznikne motor kompaktní konstrukce a vysoké účinnosti, který se uplatní též jako prodlužovač dojezdu elektromobilů. Vývojové aktivity budou zaměřeny na snížení indikované spotřeby paliva v nízkém zatížení a zkrácení času náběhu katalyzátoru prostřednictvím optimalizace časování vstřiku paliva do sacího traktu, na posouzení příspěvku tangenciálního a příčného rozvíření náplně válce ke zvýšení rychlosti vývinu tepla, na kombinaci uvedených opatření společně s možnostmi systému variabilního časování ventilů včetně optimalizace kompresního poměru v kombinaci s vybranými předchozími opatřeními. Provedena bude koncepční studie a zhodnocení vícemotorových vozidel se systémem vypínání motorů. Zrealizují se konstrukční uspořádání a výběr koncepce budoucích motorů. Zlepšení návrhu hnacích traktů vozidel s využitím virtuálního hnacího traktu Výzkum a vývoj metod řešení mechanických problémů hnacích traktů osobních a nákladních vozidel na základě aplikace virtuálního hnacího traktu, koncipovaného jako modulární výpočtový systém. Výsledky virtuálních prototypů a technických experimentů jsou aplikovány při vývoji pohonných jednotek osobních a nákladních automobilů. Předpokládané práce povedou ke skutečnostem, že nové pohonné jednotky budou vykazovat požadované funkční vlastnosti již ve fázi prvních prototypů. Dojde tedy ke značné redukci nákladných technických experimentů spolu s výrazným zkrácením doby vývoje od prvních koncepčních návrhů k finálnímu výrobku. Jedná se o vývoj numerických výpočtových metod nutných k rozšíření mechanického virtuálního motoru o dynamický model pístové skupiny, model kontaktu mezi částmi ventilového rozvodu, o dynamický model valivého ložiska, o model pružného bloku motoru a jeho aplikace na vývoj nového klikového mechanismu. Dále jde o vývoj virtuální převodovky a vývoj virtuálního hnacího traktu, umožňující aplikace virtuální pohonné jednotky při vývoji pohonných jednotek osobních i nákladních automobilů. Snižování mechanických ztrát pohonných jednotek Náplní práce je výzkum, vývoj a realizace výpočtových a experimentálních přístupů vhodných ke kompletnímu řešení mechanických ztrát s následnými návrhy pro snížení spotřeby paliv a emisí CO2 budoucích pohonných jednotek na bázi spalovacích motorů, elektromotorů nebo hybridních pohonů (vznětový motor/elektromotor, zážehový motor/elektromotor a další). Výpočtové simulace nové generace jsou formulovány na základě propojených řešení soustav dílčích tribologických problémů společně s dynamickými modely částí nebo celé pohonné jednotky a zároveň za úzké spolupráci výpočtových a experimentálních přístupů nové generace. Výpočtové metody zahrnují komplexní ohodnocení mechanických ztrát všech částí pohonné jednotky, jako jsou kluzná a valivá ložiska dílů spalovacích motorů nebo rotorů elektromotorů, pístní skupina, ventilový rozvod, řetězový a řemenový pohon, ozubená kola a další příslušenství pohonných 39 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ jednotek. Výpočtové metody z oblasti tribologie popisují problematiku smíšeného mazání kontaktních dvojic na základě řešení hydrodynamických modelů zahrnujících vliv elastických deformací částí, tepelného zatížení, kontaktu povrchových nerovností a dalších podstatných vlivů. Experimentální metody budou realizovány na specializovaných testovacích stanovištích a zařízeních včetně zařízení zcela nových a unikátních. Budou vyvíjeny a aplikovány stávající a nové technické experimentální postupy za účelem přesného stanovení mechanických ztrát celých pohonných jednotek nebo jejich částí při ustálených provozních režimech. Měřenými parametry jsou například ztrátové momenty, tepelné ztráty nebo profuky plynů pístní skupinou. Náplní bude rovněž návrh konstrukčních a technologických změn vybraných částí pohonných jednotek umožňující snížení mechanických ztrát. Výsledky výpočtových a experimentálních činností budou průběžně aplikovány při vývoji nových pohonných jednotek. Vstřikovací zařízení pro spalovací motory s vyššími technicko‐ekonomickými parametry a nízkými emisemi Vedle analýzy termodynamiky oběhu spalovacího motoru, analýzy průběhu výměny náplně válce a analýzy mechanického a teplotního zatížení dílů motoru představují vstřikovací zařízení další důležitou oblast, které je třeba při vývoji spalovacího motoru věnovat zvláštní péči. Průběh vstřiku paliva do válce a následná tvorba směsi ve spalovacím prostoru motoru má značný vliv na výkonové, ekonomické i ekologické parametry motoru. Další optimalizace funkce současných vstřikovacích zařízení pro vznětové motory, zejména pak zvyšování vstřikovacích tlaků, zvyšování přesnosti řízení vstřikovacích zařízení a zvyšování energetické účinnosti jednotlivých součástí vstřikovacích zařízení je nutnou podmínkou pro vyhovění budoucím emisním předpisům pro vznětové motory. Spolupráce mezi detailními matematickými simulacemi a experimenty představuje osvědčenou cestu k dosažení tohoto cíle s minimálními časovými i finančními náklady. Cílem je za pomoci cenově výhodných vstřikovacích zařízení typu Common Rail zvýšit dosažitelné vstřikovací tlaky až k hranici 200 MPa a zároveň umožnit tvarování průběhu zákona vstřiku výhodné z hlediska zlepšení průběhu spalování a minimalizace tvorby škodlivin. Práce jsou založeny na vývoji a validaci matematického modelu pro vstřikovací zařízení Common Rail na základě experimentů. Dále bude provedena další optimalizace konstrukce vstřikovače, zejména pak konstrukce řídícího elektromagnetického ventilu pomocí validovaného matematického modelu a optimalizace řízení vstřikovače a optimalizace konstrukce vstřikovače pro jeho použití ve vstřikovacích zařízeních pracujících se zvýšenými vstřikovacími tlaky. Bude ověřena možnost navyšování vstřikovacích tlaků v akumulačních vstřikovacích systémech typu Common Rail s elektromagneticky řízenými vstřikovači s cílem vyhovění budoucím emisním předpisům z hlediska požadovaného průběhu vstřiku paliva do válce motoru a to bez výrazného navýšení výrobních nákladů ve srovnání se stávajícími provedeními vstřikovacích soustav typu Common Rail. Následně proběhne výroba a testování funkčních vzorků vstřikovače na zkušebním zařízení – netěsnost, průběh výstřiku, možnosti děleného výstřiku, maximální vstřikovací tlak. Dále proběhne výroba a zkoušky funkčního vzorku vysokotlakého čerpadla pro vstřikovací zařízení typu Common Rail a kompletace funkčního vzorku vstřikovacího systému Common Rail – vstřikovače, vysokotlakého čerpadla, trubky a řídící jednotky ECU pro funkční testy na zkušební stanici. Rozšířený hydraulický model vysokotlakého čerpadla a vstřikovače pro akumulační vstřikovací systémy zahrne dále uvažování vlivu provozního tlaku a z něj plynoucích deformací a provozních vůli v jednotlivých součástech vstřikovacích zařízení na hydraulickou funkci vstřikovací soustavy. Dále bude ověřena možnost zvyšování energetické účinnosti stávajících akumulačních vstřikovacích zařízení pomocí omezení průtoku netěsnostmi ve vstřikovači a vysokotlakém čerpadle. Bude provedena optimalizace celkové energetické účinnosti celé vstřikovací soustavy na základě simulací a výroba i optimalizace funkčních vzorků. Pokročilé zkušební metody pro spalovací motory a hnací řetězec Použití pokročilých zkušebních metod pro měření motorů a celých pohonných řetězců je neoddělitelnou součástí výzkumu nových motorů. Tyto metody budou jednak vyžadovány současnými předpisy pro schvalování nových typů vozidel a budou využity pro vývoj nových vozidel. Nyní se vývoj spalovacích motorů v oblasti emisí soustřeďuje na splnění limitů složek CO, THC, NOx a PT. V připravovaných limitech EURO 6 se zavádí limit v PN – počet částic. Provádění vývojových prací na legislativně schváleném pracovišti není optimální. Vlastní testy vyžadují finančně a časově náročnou přípravu. Ani výsledky nejsou operativně k dispozici. Proto se aktivita zaměřuje na simulační metody, pomocí kterých se lze dobrat požadovaných výsledků rychleji a za nižších nákladů, a to kombinací měření a simulací. Simulační nástroje jsou založeny na původním konceptu vycházejícím z pseudo‐přechodové rychlé simulace pro celé vozidlo (včetně hybridních technologií), která využívá výsledky simulací v nestabilních režimech, a „chytré“ interpolace mezi nimi. Simulační nástroj bude obsahovat otevřenou, volně rozšiřitelnou knihovnu modulů, reprezentující jednotlivé součásti pohonného řetězce. Tento nástroj nalezne uplatnění i při návazné simulaci dopravního proudu. Samostatnými, navzájem propojitelnými moduly, bude popsán spalovací motor, převodové ústrojí, nápravy, karoserie, případně elektrické motory, generátory, různé formy zásobníků energie a další součásti konvenčního či hybridního vozidla. Parametry těchto součástí nutné pro vlastní simulaci budou experimentálně naměřeny a simulační nástroj bude následně vůči experimentálně naměřeným hodnotám ověřen. Simulační nástroj bude napojený na komerční produkt řešící detailně termodynamiku spalovacího motoru pro co nejdokonalejší podchycení složitých dějů, jako je chování spalovacího motoru v přechodových režimech, produkce emisí nebo výpočet aktuální spotřeby paliva. Virtuální vozidlo simulované ve vytvořeném nástroji bude sloužit ke zhodnocení vlivu jednotlivých řídicích strategií na jeho účinnost, emise výfukových plynů, spotřebu paliva, dynamiku a další parametry, což značně zredukuje nákladná měření a experimenty. Ty budou tímto omezeny pouze na měření nutná ke zjištění vstupních parametrů simulace, ověření funkčnosti jednotlivých modulů simulačního nástroje a kontrolní měření omezeného množství optimalizovaných variant určených simulačním nástrojem. Experimentální data budou nejprve naměřena v laboratorních podmínkách na motorovém dynamometru a válcové brzdě. Následovat budou měření na vozidle v reálném provozu. Výsledná optimalizovaná řídicí strategie zajistí díky zvolenému přístupu požadovaný výkon, spotřebu paliva a emisní hodnoty vozidla nejen během homologačních testů, ale také ve skutečném provozu. Aerodynamika motorového prostoru a chlazení Řešení této problematiky vyžaduje s ohledem na složitost geometrie motorového prostoru a okrajové podmínky kombinaci jak numerických simulací tak i reálných experimentů. Důraz je kladen na detailní měření jednotlivých parametrů a jejich implementace do numerických simulací. Cílem je získat konkrétní informace o proudových a tepelných charakteristikách v oblasti motoru. Budou vytvářeny 40 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ simulační modely pro přenos tepla do prostoru pro cestující. Pozornost je věnována zvláště vlivu proudění v oblasti chladiče na celkové třecí ztráty a účinnost přestupu tepla. Měřena bude i tlaková ztráta a silový účinek vyvozený na jednotlivé výměníky a jejich případné modifikace. Měření jsou koncipována jak bez, tak také s uvažováním sdílení tepla mezi výměníky a okolím. Sledována bude celková tepelná bilance i vliv sdílení tepla na tlakovou ztrátu výměníků. Zvýšení schopnosti separace vodního aerosolu se provede pomocí eliminátorů na vstupu sání motoru. Součástí projektu je i optimalizace a návrh nových účinnějších eliminátorů. Výsledky tepelných polí budou použity pro návrhy motorových prostorů, izolaci od prostoru pro cestující, optimalizaci výměníků a aerodynamické uspořádání motorového prostoru. Součástí projektu jsou i numerické simulace proudění a následné optimalizace jednotlivých prvků s cílem minimalizovat třecí ztráty tepelných výměníků. Numerické simulace budou použity i při vývoji nových typů eliminátorů. Testování jednotlivých navržených komponent se bude provádět v reálných podmínkách a při testech v aerodynamických tunelech. Tvar a poloha výměníku tepla budou optimalizovány s ohledem na minimalizaci tlakových ztrát. Na základě provedených měření a simulací budou navrženy takové změny v uspořádání výměníku tepla vzhledem k vnitřku motorového prostoru s respektováním proudových charakteristik, které povedou k minimalizaci tlakových ztrát. Na základě provedených měření a simulací bude navrženo nové uspořádání výměníků tepla uvnitř motorového prostoru. Cílem bude eliminovat negativní vliv třecích ztrát jednotlivých výměníků na celkový odpor automobilu. 1.1.5 Integrované inteligentní řízení motoru a celé hnací jednotky (přesahuje do části 4) Prediktivní nebo adaptivní řízení motoru za účelem snížení spotřeby paliva a škodlivých emisí Motory s vnitřním spalováním jsou z pohledu řídicích systémů velmi složité systémy. Jedná se zejména o nelineární chování s rychlou dynamickou odezvou. Dalším komplikujícím prvkem z pohledu řízení jsou předepsané emisní limity, jejichž splnění vyžaduje zavádění různých přídavných technologií (např. EGR, TWC, DOC, SCR atd.). Nové technologie přidávají nové akční členy, které je třeba řídit a zde přicházíme ke kritickému bodu – úprava již existujících řídicích strategií nebo vývoj zcela nových pro nové aplikace motorů. Z důvodu silné nelinearity a rychlé dynamiky motorů je velmi obtížné nebo zcela nemožné upravit stávající strategii řízení pro nový motor. V takovém případě je potřeba vyvinout zcela novou strategii řízení, což je časově a finančně velmi náročný úkol. Tato informace byla potvrzena nezávisle několika světovými producenty motorů. Hlavním cílem aktivity je vyvinout modulární unifikovanou řídicí strategii pro vznětové (CI), zážehové (SI) a hybridní pohonné systémy pomocí optimálních/adaptivních/prediktivních/robustních strategií, založených na modelech řízené soustavy. To umožní optimalizovat chování motorů s předpokládanou redukcí času na vývoj řídicích algoritmů a jejich kalibraci v řádu minimálně 20 %. Součástí aktivity bude: ƒ
Definice architektury modulární unifikované řídicí strategie a specifikace systémových požadavků. ƒ
Vývoj optimalizace experimentů pro rychlou tvorbu a identifikaci nelineárních prediktivních a simulačních modelů. ƒ
Vývoj unifikovaných řídicích strategií/modulů/nástrojů podle specifikovaných požadavků. ƒ
Vývoj unifikované řídicí strategie, vývoj jednotlivých komponent, integrace modulů a implementace modelů do řídicí strategie. ƒ
Vývoj adaptivních kalibračních algoritmů s ohledem na různé vlastnosti paliv. ƒ
Identifikace modelů a vývoj robustního a prediktivního řízení pro nelineární systémy spalovacích motorů včetně aplikačních softwarových nástrojů. ƒ
Vývoj unifikované řídicí strategie vysokotlakého vstřikovacího systému pro dieselové motory. ƒ
Pokročilé řízení vzduchové cesty pro přeplňované zážehové motory založené na "Control Oriented Model" (COM) a "Model based Predictive Control" MPC regulátoru. ƒ
Předpokládá se implementace řídicích algoritmů do prototypových řídicích jednotek. ƒ
Softwarové nástroje plánování experimentů a identifikačních technik pro rychlou tvorbu nelineárních a prediktivních modelů. ƒ
Komplexní vývoj řídicího systému pro optimalizaci spotřeby paliva a minimalizaci emisí motoru. ƒ
Validace unifikovaných řídicích strategií a softwarových nástrojů. ƒ
Experimenty s unifikovanými řídícími strategiemi a softwarovými nástroji za účelem optimální koordinace pro hybridní pohonné systémy, vstřikovací zařízení a přeplňovací systémy. 1.3.1 Výzkum a optimalizace vysoce účinných řaditelných mechanických převodovek a děličů výkonu Zdokonalení ozubených převodů pro vyšší trvanlivost, nízkou hmotnost a nízký hluk Pro zákazníka je jedním z velice významných parametrů automobilu jeho hluk. Převodová skříň je jedním z jeho zdrojů. Proto je významné provádět výzkum vlivu přesnosti, tvaru a tuhosti ozubení, zejména u nestandardního profilu HCR, na hluk a vibrace. Provede se výzkum dalších vlivů, podílejících se na úrovni vibrací a hluku převodovky jako např. tuhost hřídelů, tuhost zubů ozubených kol, tuhost uložení hřídelů a tuhost tělesa skříně převodovky. Práce se soustředí na teoretickou analýzu vlivu vybraných chyb evolventního ozubení, tvaru zubů a jejich modifikací (modifikovaný a nestandardní tvar zubů s vysokým kontaktním poměrem) a změny tuhosti zubů při záběru a jejich vliv na hluk a vibrace. Výzkum se bude zabývat i vlivem modifikací profilu a podélné modifikace na úroveň hluku a vibrací a metodiky zhodnocení optimálního tvaru a velikosti modifikací. Cílem je komplexní výzkum metod snižování hluku a vibrací ozubení a jejich ověření. Bude vytvořena databáze příčin vzniku vibrací a hluku ozubení a zpracována metodika jejich možné eliminace. Kromě této databáze možností snižování hluku a vibrací u evolventních ozubení bude navržen a následně ověřen návrh konkrétních úprav tvarů zubů na konkrétní převodovce z hlediska hluku a vibrací a z hlediska únavy v dotyku a ohybu. Dále bude dokončen vývoj metodiky měření a hodnocení chyby převodu jako hodnotícího parametru účinnosti modifikací ozubení ve vztahu k jeho hluku a vibracím. Měření chyby převodu bude realizováno na testovacím standu s možností zatěžování podle reálného zátěžného spektra. Budou provedeny životnostní testy úprav s využitím výsledků měření zátěžných spekter získaných při jízdách osobního automobilu na reálných komunikacích v různých jízdních podmínkách. Důležitý je kompaktní a lehký řadicí mechanismus převodovky s ozubenými koly. Vývoj v oblasti hnacího ústrojí vedoucí ke snížení spotřeby paliva a emisí výfukových plynů vede v posledních letech k nárůstu použití hybridních pohonů ve smyslu kombinace klasického spalovacího motoru a elektromotoru. Sériově, případně i paralelně řazené elektrické motory přitom nemusí být využity čistě k pohonu vozu, ale mohou 41 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ být využity například i pro externí synchronizaci. Zdvojená funkce elektromotoru by potom dovolila nahradit synchronizační spojku za jiný mechanismus, který by měl kompaktní rozměry a menší hmotnost. Nový mechanismus řazení musí samozřejmě zajišťovat veškeré funkce stávající synchronizační spojky (vymezení radiálních vůlí, blokování proti vyřazení rychlosti, jistota zařazení rychlosti za všech podmínek) vyjma samotného vyrovnání otáček. Cílem etapy je navrhnout nový vnitřní mechanismus řazení, který by dovolil zkrácení délky převodovky o 5 % oproti stávající koncepci. Proběhne návrh převodovky s novým mechanismem řazení a porovnání jejích vlastností se standardní koncepcí. Agregáty s dělením toku výkonu pro vysoce účinné mechanismy CVT/IVT, hybridní vozy a vozidlové diferenciály Výkon dodávaný spalovacím motorem nemůže být plně využit pomocí stupňových převodovek. Pomocí bezestupňových převodovek CVT (variátorů) je možné udržet motor v ideálním pracovním bodě z hlediska spotřeby a požadovaného výkonu. Agregáty CVT (ať už mechanické, hydrodynamické nebo hydrostatické) jsou však zatíženy nízkou účinností a v případě mechanických variátorů ještě navíc omezeným přenositelným momentem. Potlačit obě zmiňované nevýhody je možné pomocí děliče výkonu – mechanismu s alespoň dvěma stupni volnosti pracujícím dohromady s variátorem a případně dalším převodem (ať již čistě vazebním převodem nebo řaditelnou převodovkou). Vazbami mezi jednotlivými členy odebereme stupně volnosti a vznikne tedy bezestupňová převodovka typu IVT, případně CVT (variátor) s dělením toku výkonu do paralelních větví, typu IV. Rozvedením výkonu do několika paralelních větví je možné dosáhnout vysoké účinnosti a zároveň vysokého přenášeného momentu. V případě variátoru (CVT) se převodový poměr mění pouze v jednom kvadrantu, tedy například pouze pro jízdu vpřed. Pro jízdu vzad musí být zařazen další převod měnící smysl otáčení. V případě IVT je možné pouze změnou převodového poměru vloženého variátoru dosáhnout plynulé změny výstupních otáček celého mechanismu od záporných hodnot (jízda vzad), přes neutrál (veškerá energie vstupu se maří v cirkulující výkon v převodovce) až po plynulou změnu převodového poměru při jízdě vpřed. V motorových vozidlech našly své pevné místo mechanismy s dělením toku výkonu (zpravidla typ IVT) zatím pouze u traktorů. V osobních vozidlech se využívají děliče výkonu u hybridních pohonů. Záměr aktivity je nalezení vhodného konceptu mechanismu IVT, případně CVT s dělením toku výkonu pro použití v osobních vozidlech a vozidlech s hybridním pohonem. Bude vypracován základní systém pravidel pro syntézu mechanismů s dělením toku výkonu CVT/IVT. Pro validaci teoretických výsledků energetických ztrát ve vozidlech s hybridním pohonem budou provedena experimentální měření spotřeby paliva a ztrátové energie a bude vytvořena databáze různých systémů sériově vyráběných vozidel s hybridním pohonem využívajících technologii s dělením toku výkonu. Maticová metoda pro analýzu mechanismů s dělením toku výkonu má potenciál stát se významným nástrojem pro počítačovou syntézu. Bude provedena validace metody pro výpočet energetických poměrů ve vybraných mechanismech. A následně bude výpočet energetických poměrů zobecněn na další typy mechanismů. Syntéza mechanismů s dělením toku výkonu vyústí v návrh nových koncepcí mechanismů s dělením toku výkonu. Součástí aktivit je inteligentní řízení toku momentu v nákladních vozidlech s pohonem více náprav, které zahrnuje tvorbu simulačních modelů současného vozidla a hnacího ústrojí, vytipování jízdních manévrů důležitých pro další části projektu, simulaci vytipovaných jízdních manévrů a validaci modelů. Následně proběhne příprava 3D modelů jednotlivých komponentů hnacího traktu a příprava vstupů do výpočtových modelů. Zároveň dojde k vytipování kritických jízdních manévrů a proběhne validace výsledků výpočtových modelů pomocí technických experimentů na vozidle. Proběhne analýza nedostatků současného řešení, z níž vyplynou návrhy možných variantních technických řešení pro inteligentní ovládání toku hnacího momentu podvozkem řídicí elektronikou s využitím akčních členů na bázi elektrických nebo hydraulických prvků. Proběhnou konstrukční a výpočtové práce zajišťující automatické spínání uzávěrek diferenciálů bez zásahu řidiče na základě aktuálních jízdních podmínek pro zlepšení ovladatelnosti vozidla při jízdě v těžkém terénu a při uzavřených nápravových osových diferenciálech. Náplní bude rovněž specifikace měřicích míst na vozidle (například otáčky jednotlivých kol nebo natočení volantu) a způsobu vyhodnocování signálů z měřicích míst pro dosažení požadovaných parametrů. Proběhne příprava podkladů modifikovaných komponentů hnacího traktu se zabudovanými senzory a akčními členy a zpracování rámcových zástavbových výkresů. Bude vypracována strategie, definice vstupních podmínek pro ovládání toku hnacího momentu a budou formulovány požadavky na řídicí algoritmus. Bude provedena podrobná analýza navrhnutých řešení, posouzení hlavních výhod a nevýhod nově navrhnutých řešení vůči stávajícímu řešení s klasickými diferenciály s manuálním ovládáním a následný výběr nejvhodnější varianty pro detailnější rozpracování, a to z pohledu technického i ekonomického. Proběhne další zpracování potřebné dokumentace (konstrukční a technologické) a výroba funkčních vzorků diferenciálů. Uskuteční se detailní rozpracování vybrané varianty a provedení optimalizačních výpočtů a analýz. Bude realizován funkční vzorek elektronické řídicí jednotky. Po zpracování konstrukční dokumentace proběhne výroba jednotlivých dílů podvozku a stavba funkčního vzorku vozidla pro zkoušky a ověření parametrů. V závěrečné etapě proběhnou rozsáhlé provozní zkoušky vozidla dle vypracované metodiky, z nichž případně vyplynou závěrečné úpravy parametrů jednotlivých částí prototypu vozidla. Závěrečná etapa zahrnuje provozní zkoušky komponentů a prototypu těžkého nákladního vozidla s inteligentním řízením toku krouticího momentu pro vybrané varianty jízdních manévrů, různých typů terénů a klimatických podmínek. K měření sledovaných fyzikálních veličin v průběhu provozních zkoušek bude využito experimentální zařízení na základě GPS, optických senzorů (Correvit) a snímačů výšky nebo zrychlení. Teoretický výpočet účinnosti diferenciálu je zpravidla založen na odhadu dílčí účinnosti, která se pro jednoduchost zpravidla uvažuje jako konstantní při všech režimech a podmínkách, což neodpovídá realitě. Proto je aktivita zaměřena na teoretické a experimentální stanovení účinnosti diferenciálu převodovky osobního automobilu s předním pohonem. Hlavní část tkví v realizaci experimentů na zkušebním vozidle při různých jízdních režimech a na zkušebním stavu při simulaci jízdních podmínek. Budou provedeny experimenty na zkušebním vozidle a stanovena zátěžná spektra ozubení, hřídelů a ložisek děličů výkonu. Pomocí těchto výsledků se navrhne nová metodika pro životnostní výpočty ozubení, ložisek a hřídelů nápravových diferenciálů motorových vozidel. 1.3.2 Výzkum a optimalizace elektrických pohonů Vývoj a návrh elektrických přenosů a jejich komponent (motory, frekvenční měniče, akumulátory energie) pro silniční vozidla Elektrická vozidla budou do roku 2025 dle aktuálních odhadů expandovat na trh s podílem mezi 5 % (čistě elektrická akumulátorová vozidla) až 20 % (včetně hybridních vozidel). Cílem je sestavit spolehlivé simulační procedury, využívající experimentálně zjištěná data 42 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ a parametry jednotlivých elektrických součástí pohonu (motory, frekvenční měniče, atd.) i aplikace akumulátorů a battery‐management. Výzkum budou využívat výrobci pro návrh elektrických vozidel a optimalizaci jejich řízení s celkovou globální úsporou fosilních paliv 50 %. Aktivity budou rozšířeny na experimentální zařízení. Součástí aktivit je problematika návrhu a výpočtů mechanických děličů výkonu založených na ozubených kolech zejména formou planetových převodů. Cílem je nalezení reálných okrajových podmínek pro vytvoření metodologie optimalizace konstrukce děličů výkonu s vhodným poměrem vybraných parametrů, jimiž jsou zejména trvanlivost, hmotnost a hluk. Z hlediska využití v elektropohonech a elektrických děličích výkonu pro automobily se jako nejperspektivnější jeví synchronní stroje s permanentními magnety ze vzácných zemin. Tyto stroje vynikají pro trakci velmi výhodnými vlastnostmi ‐ velmi malý objem, hmotnost a moment setrvačnosti (což umožňuje jejich využití v bezpřevodovkových pohonech a snadnou zástavbu), velká momentová přetížitelnost a vynikající dynamické vlastnosti, dobrá řiditelnost, trvalé nabuzení (s tím související stálá připravenost k výkonnému elektrodynamickému brzdění), robustní konstrukce a minimální nároky na údržbu. Uvedené výhody synchronního stroje s permanentními magnety lze v plné míře využít při dosazení kvalitního sofistikovaného regulačního systému. Bude probíhat výzkum a optimalizace regulačního systému automobilního trakčního synchronního motoru s permanentními magnety zohledňujícího specifika elektrického pohonu pro silniční vozidla. V první fázi bude proveden rozbor požadavků na elektrický automobilní pohon z hlediska trakčních vlastností a z hlediska optimálního využití vlastností synchronního motoru s permanentními magnety. Výsledkem těchto prací bude návrh optimální trakční charakteristiky pohonu a parametrů motoru. Vlastní vývoj regulačního systému pohonu lze rozdělit do několika oblastí: problematika vyhodnocování okamžitého úhlového natočení rotoru, tvorba regulační struktury, řešení šířkově pulsního modulátoru pro generování řídících pulsů pro měnič, řešení nepřímého odbuzování a řešení limitace provozních veličin v mezních stavech. V oblasti vyhodnocování okamžitého úhlového natočení rotoru, jehož znalost je nezbytná pro momentovou regulaci, bude provedena rešerše možných metod, analýza dostupnosti snímačů a budou studovány i možnosti bezsenzorového vyhodnocování. Na základě provedených analýz bude specifikován a vyvinut konkrétní systém z hlediska optimálního využití v automobilní technice. V oblasti tvorby regulační struktury budou studovány lineární i nelineární metody a bude vytipována nejvhodnější struktura, která bude implementována. Specifickou úlohou regulace synchronního stroje s permanentními magnety je nepřímé odbuzování. Tento režim je pro trakční pohon klíčový, neboť v něm dochází k provozu vozidla na trakční hyperbole. Budou studovány možnosti nepřímého odbuzování a bude vytipována a implementována nejvhodnější varianta z hlediska nasazení v automobilním pohonu. Z hlediska řešení šířkově pulsního modulátoru připadají v úvahu postupy založené na suboscilační metodě a na principu vektorové modulace. Budou zmapovány možnosti obou přístupů a bude vytipována a implementována optimální varianta pro použití v automobilu. Zásadní problematikou je řízení trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety v limitních stavech z hlediska omezení proudu a zátěžného úhlu. Bude prováděn výzkum a implementace optimálního postupu pro pohon automobilu. Problematika regulace trakčního motoru bude nejprve studována na simulačních modelech. Poté bude přikročeno k implementaci a experimentům. Z hlediska implementace bude probíhat výzkum optimalizace řídícího HW s provedením srovnání vlastností HW na bázi DSP nebo FPGA. Po provedení implementace budou probíhat experimenty s reálným pohonem. V kontextu s experimenty bude proveden výzkum a vývoj odpovídajícího testovacího zařízení, které zohlední specifika zkoušek předmětného pohonu. Výsledků výzkumu v oblasti řízení trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety bude v nemalé míře využito při výzkumu a vývoji regulačního systému pro elektrický dělič výkonu hybridního pohonu. Jako optimální řešení se jeví použití synchronního děliče výkonu s permanentními magnety s otočným statorem i rotorem. Při výzkumu regulace děliče výkonu budou využity poznatky týkající se regulační struktury, vyhodnocování úhlového natočení, šířkově pulsního modulátoru, odbuzování, provozu v limitních stavech a optimalizace řídícího HW. Použitelné budou i některé části simulačních modelů a řídícího SW vzniklé při vývoji regulace trakčního motoru. Navíc však bude nutno řešit další specifické problémy, zejména: vyhodnocování úhlu při otáčení statoru i rotoru, start regulace děliče výkonu (přechod měniče do zvyšovacího režimu), regulace výstupního DC napětí měniče (lineární i nelineární metody), součinnost s další energetickou technologií hybridního pohonu (superkondenzátor, baterie, trakční pohon). Bude prováděn výzkum dané problematiky na simulační i experimentální úrovni včetně vývoje nutného specifického HW a SW vybavení pro provádění experimentů. Jedním z nedořešených problémů všech mobilních elektrozařízení je spolehlivý ukazatel stavu napájecí baterie. Pro elektromobily bude pro zajištění strategie spolehlivého dojezdu do cíle určení zbývající energie zvláště důležité. Stávající systémy určování stavu baterie bude vhodné přezkoumat z hlediska jejich vhodnosti pro elektromobil a přizpůsobit je nárokům provozních stavů baterie za měnících se klimatických podmínek. Je třeba také zohlednit měnící se vlastnosti chemické baterie v procesu jejího stárnutí. Základní metodou bude integrační bilance přivedených, odvedených a ztracených energií provedená na základě parametrů ošetřovaných expertním systémem. Spolehlivé určení zbytkové energie v hlavním chemickém vozidlovém akumulátoru bude hlavní vstupní informací pro power‐management elektromobilu. Při nabíjení akumulátorů elektromobilů i hybridních vozidel je možné využívat dva režimy. Jednak klasické "pomalé" nabíjení a rychlonabíjení. Při rychlonabíjení je akumulátor vozidla i elektrorozvodná síť vystaven značnému proudovému zatížení. Výkonově typicky v desítkách až stovkách kW. Moderní nabíječky, aby dosáhly co nejlepších technickoekonomických parametrů, využívají principu spínaných zdrojů, které však nepříznivě ovlivňují zatížení rozvodné sítě vyššími harmonickými. Jejich vliv se kompenzuje přídavnými prvky, jako jsou filtrační tlumivky a sinusové filtry. Dílčím cílem této etapy je sestavit model vstupních obvodů nabíječe zpětně působících na rozvodnou síť s možností modelovat vliv jednotlivých filtračních elementů na výsledné neharmonické zatížení sítě. Model by měl být experimentálně ověřen. Další možnou výzkumnou aktivitou z hlediska přenosu energie do vozidla je bezkontaktní (indukční) přenos elektrické energie s možností dobíjení akumulátorů i mimo nabíjecí stanice (typicky parkování v obchodních centrech nebo na speciálně vybavených parkovacích místech). Zde je nutné řešit jednak technické problémy při bezdrátovém přenosu energie a dále způsob odečtu a fakturace odebrané energie. Na druhé straně řetězce stojí akumulátor, který je limitujícím faktorem dojezdu i ceny vozidla. Z tohoto důvodu je nutné optimalizovat jeho využívání ve spojení se superkondenzátory při rekuperaci při brzdění a dalšími potenciálními zdroji elektrické energie (pomalé dobíjení ze sítě či ze solárních zdrojů). V budoucnu lze uvažovat alternativně i o dalších metodách jako faziregulace či nelineární neuronové sítě pro modelování chování akumulační soustavy vzhledem k dojezdu vozidla.
43 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1.3.3 Výzkum a optimalizace provozních celků akumulátorů elektrické energie a palivových článků z hlediska interakce s vozidlem Návrh a optimalizace bateriových elektrických vozidel se zvýšenou operabilitou Specifické verze bateriových elektrických vozidel vyžadují sběr přesných dat o vlastnostech a stavu baterií, návrh a bezpečnostní analýzu elektromobilu, simulaci dynamiky vozidla a spotřeby energie pro chytré hospodaření s energií. Pro získání experimentálních dat budou postavena potřebná měřicí pracoviště. Bude vytvořeno automatizované pracoviště pro měření elektrických akumulátorů. Měření umožní podrobně zaznamenat jak krátkodobý provoz akumulátoru (1 cyklus vybití a nabití), tak i dlouhodobý provoz akumulátoru (v závislosti na parametrech cyklování stovky až tisíce cyklů), který je podstatný pro stanovení cyklové životnosti akumulátoru. Měření nebude omezeno pouze na elektrochemické akumulátory, ale bude možné testovat i jiné typy elektrických zásobníků energie (superkapacitory apod.). Měřením budou získány hodnoty nebo přímo časové průběhy veličin, které jsou při vybíjení resp. nabíjení elektrických akumulátorů podstatné. Na základě těchto změřených hodnot bude možné stanovit pro daný typ akumulátoru důležité charakteristiky a charakteristické parametry, jako účinnost procesu vybití a nabití akumulátoru (podíl energie odebrané z akumulátoru během vybíjení a energie dodané do akumulátoru během nabíjení). Tuto účinnost bude možné stanovit např. v závislosti na teplotě akumulátoru nebo na násobku jmenovitého vybíjecího resp. nabíjecího proudu. Účinnost cyklu vybití a nabití je přitom důležitou hodnotou nejenom z hlediska vlastního elektromobilu, ale i z hlediska potenciálního využití vozidlového akumulátoru jako zásobníku energie v budoucích „smart‐grids“. Uvedené charakteristiky akumulátorů a jejich charakteristické parametry získané vyhodnocením výše uvedených měření budou napomáhat výrobcům vozidel při výběru vhodného typu akumulátoru energie. Je přitom zřejmé, že akumulátor energie je v případě čistě elektrických akumulátorových vozidel zásadní komponentou vozidla. Od akumulátoru se odvíjí zásadní parametry vozidla, jako je dojezd vozidla při různých vnějších vlivech (hustota dopravy, teplota okolí), doba dobíjení vozidla nebo životnost akumulátoru, přičemž uvedené parametry jsou na sobě vzájemně závislé. Testované akumulátory musí být velmi pečlivě vybrány. Na základě měřených hodnot a závislostí elektrických akumulátorů bude možné vytvořit model elektrického akumulátoru, který danému provoznímu režimu akumulátoru přiřadí např. hodnoty výkonu, energie a opotřebení akumulátoru. Opotřebení lze vyjádřit buď pomocí snížení hodnoty kapacity akumulátoru, nebo pomocí ceny za opotřebení (bude‐li známa cena nového akumulátoru). Pro účely simulace jízdy vozidla bude následně vytvořen model dynamiky vozidla a spotřeby energie. Model v každém časovém kroku na základě vstupních údajů (druh vozidla, typ vozidla, rychlost, zrychlení/zpomalení, jízdní odpory, hodnota stoupání/klesání komunikace, počasí apod.) určí potřebný výkon vozidla. Tento výkon se následně přepočítá na potřebný výkon komponent vozidla (kola, elektrický motor, akumulátor, popř. spalovací motor u hybridních vozidel). Na základě těchto veličin se pak určí také nároky na zdroje energie jako je spotřeba paliva nebo opotřebení (vyčerpání) akumulátoru. Pokud bude známa cena komponent, spotřebu model přepočítá i na cenu (paliva resp. odčerpané elektrické energie z akumulátoru a jeho opotřebení). Model pro stanovení opotřebení využije naměřených charakteristik z výše uvedeného dlouhodobého (cyklového) automatizovaného měření, popř. přímo z výše uvedeného modelu akumulátoru. Na základě simulací bude možné vymezit koncepci inteligence trakčního řídicího systému z hlediska chytrého hospodaření s energií. Při větší inteligenci systému toto však vyžaduje poměrně detailní informace o zamýšlené jízdě ze strany uživatele, takže není jisté, že budou všechny výhody inteligentního hospodaření s energií v praxi ze strany zákazníka plně využity. Bezpečnostní analýza návrhu elektromobilu obsahuje několik fází. Základní z nich je analýza současných konceptů s ohledem na různé systémy elektrického pohonu a jejich kombinace s konvenčními pohony ve vozidlech. Jedná se především o Hybrid Electric vehicle (HEV), Plug‐In Hybrid Electric vehicle (PHEV), Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle (FCHEV) a Battery Electric Vehicle (BEV). Z provedené specifikace rizik konceptů vozidel s alternativním pohonem vyjdeme při návrhu řešení na jejich eliminaci. Při specifikaci rizik vycházíme z metod funkční bezpečnosti. Tyto metody dle standardů ISO/IEC 61508 (ISO 26262 přicházející v platnost přímo pro silniční motorová vozidla) by měly být v budoucnu použity u vozidel již od fáze konceptu. Cílem je, aby byla v rané fázi vývoje identifikována potenciální rizika ve funkcích vozidla. Dalším krokem je stanovení akceptovatelné úrovně rizik a ustanovení bezpečnostních požadavků a opatření pro předejití či redukování rizik. Optimalizace konceptu vozidla s elektrotrakcí se zaměří také na požadavky umístění a zajištění polohy a bezpečnosti částí pohonu včetně zdroje a zásobníku energie. Tato optimalizace navrhne takové uspořádání, které dosahuje akceptovatelné úrovně nebezpečí pro posádku v případě nehody. Ze současné praxe víme, že většina požadavků na zvýšení pasivní bezpečnosti je v konfliktu s nároky na nízkou hmotnost a tudíž nízkou spotřebu energie. Návrh konceptu počítá i s možnostmi řešení tohoto problému. Hlavním cílem je dosažení dojezdu elektromobilu většího než 120 km bez ohledu na vliv hustoty dopravy a počasí. Musí dojít k celkovému snížení spotřeby fosilních paliv o více než 50 % (WTW – od primárního zdroje na kola). Získané poznatky budou následně využitelné pro koncepční návrh inteligentních sítí (smart grids), které jsou základem pro rozvoj budoucí síťové infrastruktury energetických společností. Bude zpracována analýza a návrh vhodných konceptů řešení pohonu vozidla z hlediska mechanického umístění na podvozku a z hlediska mechanického přenosu výkonu na kola. Součástí bude i analýza a návrh řešení podvozku z hlediska vibračních vlastností a dynamiky vozidla celkově. 1.5.3 Vliv paliva na tvorbu a zapalování směsi a možnosti kompenzace vlivu paliva adaptivním řídicím systémem Návrh a zkoušky příslušenství pro plnění a vstřikování paliva ve vznětových motorech pro uvažovaná budoucí paliva Cílem je vývoj spolehlivého a ekonomicky výhodného základního příslušenství pro vznětové motory vhodného pro použití v nákladních automobilech a v zemědělských strojích. Cílem použití obnovitelných paliv je redukce emisí CO2 z fosilních zdrojů o 50 % při zachování účinnosti motorů nad hranicí 40 % v oblasti provozního režimu maximálního točivého momentu. Návrh těchto nových příslušenství pro 44 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ vznětové motory je založen na výsledcích výzkumu v rámci předchozích aktivit v oblasti vstřikovacích zařízení a turbodmychadel spolu s jejich integrovanou regulací. Návrh a optimalizace provozu inovativních motorů na alternativní paliva Segment plynových motorů má mnohonásobný vliv na celkový vývoj spalovacích motorů. Interakce mezi motory na výrobu energie a automobilovými motory přinesla mnohokrát zajímavé výsledky, počínaje použitím přeplňování ze stacionárních motorů na HD a PC. V tomto případě jsou plyny z obnovitelných zdrojů zkoumány pro stacionární účely ještě předtím, než je tento koncept připraven pro automobily. Cíl se zaměřuje na poptávku snížení spotřeby fosilních paliv min. o 50 % a to aplikací výsledků předchozích aktivit. V návaznosti na vlastnosti různých plynů z hlediska spalování a použití samostatných turbodmychadel ke stlačování málo výhřevných plynů budou provedeny návrhy motorů vhodných pro nízkotlaké směšování plynů s vysokou teplotou pro paliva získaná z obnovitelných zdrojů (např. pyrolýzou biomasy). Zkoumané principy mohou být použity pro jiné kombinace uvedených nepříznivých vlastností paliva. Motor využívá palivo z obnovitelných zdrojů s nulovými emisemi CO2 a vysokou účinností díky kogeneraci. Součástí aktivit bude optimalizace termodynamického cyklu a uspořádání přeplňování, stanovení vlastností systému regulace výkonu a stanovení okrajových podmínek pro hlavu válců a návrh ostatních komponentů. S výpočtovými procesy proběhne porovnání možných konstrukčních provedení motoru pro dosažení maximálních mechanických účinností a optimalizace výměny náplně válce se zřetelem na možnosti oddělení plnicího vzduchu a plynu ve čtyřdobém i dvoudobém cyklu. Bude nalezena optimální konstrukce jednotlivých prvků motoru, které umožní optimálně využít tepelnou energii obsaženou v palivu. 1.6.1 Výzkum nových jednoúčelových materiálů speciálních vlastností Vývoj pokročilých metod hodnocení nízkocyklové únavy při teplotním zatěžování Moderní návrh komponent cyklicky zatěžovaných teplotně‐mechanicky, případně i kontaktem, vyžaduje co nejlepší predikci životnosti. Současná fyzika pevných látek a aplikované materiálové vědy dokáží vysvětlit i kvantitativně popsat řadu degradačních procesů v materiálech na úrovni mikrostruktury (dislokační teorie aj.), ale tyto přístupy nejsou vhodné pro hodnocení životnosti celých součástí a uplatňují se při hledání a vývoji nových materiálů nebo povrchových úprav. Při inženýrské analýze životnosti komponent se úspěšně využívá fenomenologický přístup založený na kontinuálním popisu, kde namáhání materiálu vyjadřují pole deformace a napjatosti. Míra degradace materiálu‐poškození je také funkcí polohy a určuje se sumací přírůstků poškození přes historii zatěžování. Vyjádření přírůstku poškození jako funkce napjatosti (resp. deformace) je základem fenomenologických přístupů. Pro různé skupiny materiálů a zkoumaných procesů se používají různé formulace poškození (různé materiálové modely), při čemž pro konkrétní materiál je nutno kalibrovat parametry modelu pomocí vhodných experimentálně získaných dat. V oblasti fenomenologických materiálových modelů probíhá nepřetržitě výzkum a vývoj nových modelů a hledání vhodných kalibračních a experimentálních metod, jejichž cílem je dosahovat co nejlepších predikčních schopností při zachování únosných požadavků na objem a cenu nutných experimentů. Aplikací je např. komplexní hodnocení životnosti (zejména) skříní turbodmychadel. Hlavním cílem je vyvinout a ověřit metodiku vyhodnocení nízkocyklové termomechanické únavy v interakci s creepem. Skříně turbodmychadel jsou podrobeny zejména zatěžování teplotou, která osciluje jednak v cyklech uvedení do provozu – odstavení, jednak při přechodech mezi různými provozními režimy. Dalšími významnými zatíženími jsou montážní předpětí a jejich změny v důsledku nerovnoměrného ohřátí jednotlivých částí motoru. V důsledku těchto zatížení se na čerpání životnosti materiálu skříní turbodmychadel podílí zejména nízkocyklová teplotní únava a creep. 45 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.2 Bezpečnost dopravy 6.2.1 Hlavní směry a cíle rozvoje bezpečnosti dopravy Ambice a cíle bezpečnosti v dopravě jsou z důvodů ekonomických, etických, ekologických nebo technických posunovány stále výše, někdy až do hypotetických rovin („target zero“ atp.). Oblast se navíc nadále rozšiřuje i díky novým technologiím, které nejsou bezpečnostně, právně ani eticky ošetřeny. Bezpečnost konstrukce vozidel je prioritním cílem zejména z toho důvodu, že automobilový průmysl má k takovému pokroku výzkumný i aplikační potenciál. Rozhodně není možné spoléhat na to, že učiněním vozidel 100% bezpečnými by poklesl objem škod a počet zranění na nulu. V tomto směru je nutné pokračovat ve vývoji infrastruktury a působení na „nevozidlové“ účastníky provozu. Zásadním prvkem celého konceptu (nejen oblasti bezpečnosti) je podpora obnovy vozidlového parku. Výzkum, vývoj a inovace jsou schopny ovlivnit pouze tu techniku, která bude v nejbližší době vyjíždět z výrobních linek. Pokud zůstane v platnosti současný trend průměrného věku vozidel, vliv nově vzniklých technologií na realitu v provozu se nezačne významně projevovat dříve než za patnáct až dvacet let. Základní teze pro návrh výzkumných témat jsou následující: •
Rozvoj techniky pasivní a aktivní bezpečnosti vozidel se dostává do fáze, kdy je nutné zvažovat náklady na plošnou aplikaci a reálné přínosy. •
Zajištění bezpečnosti provozu je směřováno na techniku vozidel, přičemž rozvoj infrastruktury a aplikace na VRU by bylo v některých případech efektivnější. •
Nejrizikovějším faktorem ve vozidle je řidič. Je proto žádoucí vytvářet podpůrné systémy, které předcházejí, eliminují nebo snižují dopad jeho chyb – ať formou (semi‐) autonomní reakce nebo výstrahy. •
Nové technologie v oblasti aktivní a integrované bezpečnosti otevírají problematiku situací, ve kterých řidič není nadřazeným řídícím prvkem. Tyto situace je třeba vyřešit jak technicky (logika funkce), tak eticky, legislativně a právně (rozdělení zodpovědnosti mezi řidiče, provozovatele a výrobce vozidla). •
Nastupující alternativní modely pohonu vozidel s sebou nesou otevřené otázky v oblasti bezpečnosti výrobní, provozní až například bezpečnosti při záchranných pracích a opravách takových vozidel. •
S rozvojem nových technologií a zvyšování rizik spojených s rizikem jejich poruchy je vhodné věnovat se výzkumu a rozvoji spolehlivosti a chování celku v případě dysfunkce systému. 6.2.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 2 – bezpečnost dopravy 2.1 VaVaI pokročilých prvků pro zlepšování pasivní bezpečnosti vozidel nových koncepcí a zranitelných účastníků silničního provozu Aktuální stav Cílem této oblasti výzkumu a vývoje je jednak ošetřit rizika vyplývající z pasivní bezpečnosti nových technologií (jak informační oblast, tak oblast pohonů), jednak ošetření rizik VRU při střetu s vozidlem a střetu osob „nestandardní velikosti a chování“ s interiérem vozidla. 46 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ V současné době se dostává do reálného provozu množství vozidel s různými verzemi a kombinacemi alternativních pohonů, které s sebou nesou rizika vyplývající jednak z jejich podstaty (výbušnost CNG a vodíku, tlakové nádoby, zkratování akumulátorů), jednak z faktu, že záchranné složky nejsou připraveny na postup při vyprošťování osob nebo odstraňování následků nehod. Ani servisní síť není dostatečně vybavena odborníky nebo například normami bezpečnosti práce při opravách (běžný servis nebo opravy po kolizi). K tomu je třeba zmínit i nové technologie v oblasti podpůrných prostředků s autonomním nebo částečně autonomním chováním, které v určitých situacích přebírají řízení vozidla. V tomto směru je nutné ošetřit rizika vyplývající z možné poruchy systému nebo protichůdné reakce jednotlivých systémů v nestandardních situacích. V oblasti ochrany VRU a nestandardních osob je relativně značný potenciál při vývoji a výzkumu robustních prvků, které budou schopny ochránit širší skupinu osob – děti, nadměrné osoby, cyklisty, osoby s atypickou tělesnou a psychickou konstrukcí atp. Většina bezpečnostních prvků je pilotně vyvinuta pro vozidla kategorie M1, přičemž jejich použití v dalších kategoriích vozidel naráží zejména na ekonomické a psychologické bariéry. Jejich aplikace povede k pozitivnímu pokroku v oblasti bezpečnosti zejména v kategoriích M2 a M3. Tato aplikace nicméně není automatická a je třeba dalšího vývoje systémů a prvků v prostředí, pro které prvotně nebyly určeny. Jako podpora a zpětná vazba je bezpodmínečně nutné sledovat následky reálných nehod a následné vyhodnocení směrů VaV s ohledem na účinnost opatření. S tím souvisí i legální a etické rozbory možností sběru dat, potřebných pro tyto analýzy (zdravotní, psychický stav, věk účastníků nehody, čtení řídících jednotek atp.) a následná distribuce výsledků zkoumání. Obr. 6.2.1 47 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Kritická místa •
•
•
•
Není kladen dostatečný důraz na řešení potenciálních rizik jiným způsobem, než zlepšováním konstrukce vozidel bez dostatečného ošetření zpětné vazby. Nejsou dostatečně zkoumány nové možnosti snižování / řešení rizik. Z ekonomických i jiných důvodů je podporován rozvoj alternativních koncepcí pohonu, jejichž bezpečnost není dostatečně řešena na žádné úrovni. Prvky ochrany osob (VRU nebo osádky vozidla) i komfortní systémy jsou směřovány do oblasti osob standardní velikosti a standardního chování. Existuje velký potenciál ve zvyšování robustnosti prvků. Aplikace bezpečnostních prvků, vyvinutých pro kategorii vozidel M1, na jiné kategorie naráží na ekonomické a technické překážky. Navrhované aktivity k tématu 2.1 2.1.1 VaV adaptivních vozidlových bezpečnostních systémů pro VRU a osoby „nestandardní“ velikosti. Systémy ochrany VRU při kolizním kontaktu s vozidlem nebo infrastrukturou. Aplikace výsledků výzkumů a zkušeností z provozu v „pilotní“ kategorii vozidel M1 na ostatní kategorie vozidel. 2.1.2 VaV podpůrných systémů pro řidiče včetně způsobu předávání informací, vývoj prostředků zvýšení viditelnosti zranitelných účastníků (optická, elektronická). 2.1.3 VaV pasivní bezpečnosti vozidel s alternativními hnacími jednotkami a palivy, postupů záchranných prací při nehodách vozidel s alternativními hnacími jednotkami a palivy. Provozní bezpečnost, příprava norem a legislativních nástrojů pro konstrukci, výrobu a opravy vozidel s alternativními pohony. Výchova odborníků na tyto technologie na všech úrovních (výzkum, výroba, opravy). 2.1.4 Analýza a zahrnutí výsledků detailního monitorování reálných nehod pro usměrnění vývoje s ohledem na výsledky zavedených opatření a konstrukčních prvků. Etické a právní analýzy možností sběru dat a zveřejňování závěrů analýz dopravních nehod. Obr. 6.2.2 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 2.1 – pokročilé prvky pro zlepšování pasivní bezpečnosti vozidel nových koncepcí a zranitelných účastníků silničního provozu 48 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Potenciální řešitelé Toyoda Gossei Czech, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Škoda Auto, UO Brno, Iveco Czech Republic, Hella Autotechnik, Idiada, Visteon‐Autopal, 3M Česko, Brano Group, Witte Nejdek, TRW Autoelektronika, Swell, SOR, TATRA, ČVUT 2.2 Výzkum vozidlových systémů integrální bezpečnosti Aktuální stav Integrální bezpečnost je relativně novou oblastí pohledu na bezpečnost vozidel. Jedná se o sloučení zkušeností z oborů pasivní a aktivní bezpečnosti a jejich rozšíření o další prvky. Vozidlo je schopno se chovat prediktivně a aktivovat prvky, které mohou snížit následky blížící se kolize, popřípadě nehodě předejít. S tím souvisí i schopnost „napovídat“ řidiči při řešení rychlosti průjezdu zatáčkou, křižovatkou či obcí tak, aby průjezd byl co nejbezpečnější, nejplynulejší a nejekonomičtější. Automatické systémy s sebou nesou i potenciál rizika. V případě poruchy systému je třeba rapidní změna chování řidiče, což si řidič často neuvědomí a v budoucnu toho možná nebude ani schopen. Kritická místa •
•
•
•
Velký potenciál mají systémy podpory bezpečného a ekonomického chování řidiče, predikce a varování před kolizní situací s eventuálním automatickým zásahem. Jsou aplikovány nové technologie aktivní bezpečnosti a podpůrných systémů, často vzájemně spolupracující a suplující reakce a schopnosti řidiče. Není přitom dostatečně vyřešeno riziko řetězení závad, popřípadě funkce vozidla a akce řidiče v případě závad. Nejsou k dispozici dostatečné etické, legislativní a právní nástroje pro řešení zodpovědnosti za (semi‐) autonomní chování vozidla, popřípadě nehody jako následek selhání vozidlového systému. Velký potenciál mají systémy na úrovni ITS (blíže viz kapitola 6.5). Navrhované aktivity 2.2.1 VaV a podpora rozšíření systémů navázaných na ITS (doporučené chování řidiče, predikce střetu atp). Kvalitativně nová logika prediktivních funkcí. 2.2.2 VaV návaznosti bezpečnosti vozidla na pokročilé hnací jednotky, podvozky, karoserie a systémy řízení. 2.2.3 VaV nových technologií komponent, OBD a materiálů, zajišťujících nezbytnou bezpečnost vozidla po celou dobu životnosti. Technologie zajišťující neměnnost fyzikálních vlastností materiálů, spojů a dalších prvků s vlivem na bezpečnost vozidla. 2.2.4 Etické a právní analýzy situací, kdy vozidlové podpůrné systémy přebírají ovládání vozidla a následuje nehoda. Tvorba legislativy, zohledňující možnosti vlivu samostatného chování vozidla na vznik a průběh nehody. Technika a technologie komponent / vozidlových systémů, zajišťující velmi vysokou spolehlivost provozu podpůrných funkcí. 2.2.5 VaV aplikace známých prvků bezpečnosti do nových aplikací. Výcvik a výchova odborníků na výzkum/vývoj/výrobu/opravy nových technologií. 49 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obr. 6.2.3 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 2.2 ‐ výzkum vozidlových systémů integrální bezpečnosti Potenciální řešitelé Mecas ESI, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, UO Brno, Hella Autotechnik, Idiada, Visteon‐Autopal, Barum Continental, ÚAMK, 3M Česko, Brano Group, Witte Nejdek, TRW Autoelektronika, Klein & Blažek, Swell, Škoda Auto, ČVUT Obr 6.2.4 50 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 2.3 Podpůrná opatření Aktuální stav Je zřejmé, že vývoj techniky a technologií vozidel nemůže sám o sobě dosáhnout cílů, které jsou na dopravu jako na celek kladeny. V návaznosti a s odkazem na práci dalších technologických platforem v tomto odstavci ve zkratce zmíníme body, na které má automobilový průmysl včetně jeho výzkumných a vývojových aktivit v podstatě okrajový vliv, nicméně z pohledu obecného zvýšení bezpečnosti provozu je považujeme za důležité. Na aplikaci těchto prvků může automobilový průmysl spolupracovat jak formou odborné spolupráce, tak například vývojem a výrobou komponent. Kritická místa •
•
•
•
Vysoká úroveň regulovanosti techniky v EU vyžaduje nákladná a někdy i zákaznicky nepříjemná technická řešení, což ohrožuje globální konkurenceschopnost evropského automobilového průmyslu. Automobilky mohou řešit pouze technologie vozidel, která právě vyrábějí. Reálný vozový park nicméně alespoň v minimálně významné statistické míře absorbuje tyto technologie řádově s desetiletým zpožděním. Moderní technologie (automatické rozpoznávání dopravního značení, navádění vozidel atp.) nejsou schopny pracovat s nekvalitní nebo přesycenou infrastrukturou. Snahy o snížení nehodovosti jsou do jisté míry omezovány na regulaci techniky vozidel (tedy přenášeny do zóny zodpovědnosti a nákladů výrobců vozidel), přičemž jiná řešení by mohla být efektivnější. Navrhované aktivity 2.3.1 Prosazování harmonizace světové legislativy pro konstrukci vozidel. 2.3.2 Podpora obnovy vozového parku. 2.3.3 Odstraňování kritických dopravních situací, oddělování druhů dopravy. 2.3.4 Výchova účastníků silničního provozu v návaznosti na pokročilé konstrukce vozidel a systémy integrované bezpečnosti. Obr. 6.2.5 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 2.3 – podpůrná opatření Potenciální řešitelé: Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, 3M Česko, Brano Group, Motor Jikov Group, Global Assistance 51 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.2.3 Dodatek – témata v oblasti 2 připravená pro realizaci Integrovaná bezpečnost vozidel a dopravních systémů pro budoucí dopravní systémy Integrovaná bezpečnost vozidel a dopravních systémů pro budoucí dopravní systémy se věnuje výzkumu bezpečnostních systémů jak na straně dopravy, tak i vozidla. Hlavními cíli jsou výzkum systémů integrované bezpečnosti, odvrácení kolizí, snížení přetíženosti dopravních systémů a komunikace vozidla s okolím (infrastrukturou a okolními vozidly ‐ tzv. komunikace v2x) včetně výzkumu simulačních prostředků založených na tzv. agentním přístupu. Tento výzkum se zaměří nejen na zvýšení bezpečnosti silničního provozu, ale i na snižování spotřeby paliva, respektive zátěže životního prostředí zbytečnými emisemi díky lepší organizaci dopravních toků. Cílem je vytvoření softwarových prostředků pro podporu a hodnocení integrované bezpečnosti, vytvoření nástrojů pro vývoj a testování interakcí mezi dopravními systémy a to jak v rámci jednotlivého vozidla, tak mezi vozidly navzájem a dopravní infrastrukturou. Prostředky pro hodnocení jsou založeny na kombinaci programování a testování interakce mezi vozidly a infrastrukturou a vozidly vzájemně. Zkoumání integrované bezpečnosti bude primárně zaměřeno na systémy zabraňující převrácení vozidel kategorie M1. Tyto systémy jsou aplikovány ve stále se rozšiřující skupině vozidel, která jsou zejména kvůli vyšší poloze těžiště riziková z hlediska převrácení. Zkušenosti ukazují, že tyto systémy nefungují vždy bezchybně a nevhodně naladěný systém může například bránit řidiči v provedení nouzového vyhýbacího manévru. Hlavní části aktivity: 1. Metody pro hodnocení inovativních bezpečnostních dopravních a vozidlových systémů včetně stability 2. Softwarové prostředky pro simulaci komunikace v2x s použitím inteligentních agentních systémů 3. Definice konceptů pro sběr a zpracování dat, předběžná metoda testování 4. Software a hardware pro hodnocení integrované bezpečnosti a systémů proti převrácení 5. Hodnocení rozhraní člověk ‐ stroj 6. Návrhové metody a simulace systémů komunikace v2x 7. Verifikace metody pro hodnocení systémů integrované bezpečnosti 8. Rozšíření a verifikace návrhu hodnotících metod pro inovativní bezpečnostní systémy 9. Softwarové prostředky slučující bezpečnostní strategie . Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z hlediska snižování hmotnosti a zvyšování pasivní bezpečnosti Testovací metody ‐ cílem je nabídnout metodiku pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel s ohledem na snižování jejich hmotnosti a současně zvyšování pasivní bezpečnosti. Dalším cílem je prokázat dostatečnou shodu s požadavky jak současných, tak i budoucích předpisů. Metody ověření pro vývoj systémů pasivní bezpečnosti ‐ cílem je vyvinout a ověřit metodiku pro sestavení typických fyzických ověřovacích zkoušek. Tyto zkoušky slouží k prokázání dostatečné shody mezi reálnými testy a výstupy FE analýzy (nelineární dynamické MKP analýzy s využitím komplexních modelů vozidel popř. jejich částí). Cílem je tedy vyvinout jednoduchou metodiku použitelnou nejen při přípravě ověřovacích testů, ale také pro nestandartní případy a další simulace podle Předpisů EHK. Výzkum kompozitových absorbérů energie nárazu je jedním z důležitých prvků moderních lehkých konstrukcí vozidel. V dnešní době je většina těchto absorbérů vyvíjena na základě plastické deformace kovových částí. Navrhovaný výzkumný přístup je postaven na využití kompozitních materiálů i v této oblasti. Navrhovaný absorbér energie pracuje s disipací energie vlivem řízené delaminace a tříštění materiálu. Navrhovaný komponent se skládá z rovnoběžných kompozitových trubiček vyplněných pěnou, která v průběhu deformace řízeně expanduje do meziprostoru. Předpokládaný přínos je v poměru hmotnosti ku množství absorbované energie a v možnosti poměrně širokého ladění vlastností absorberu díky parametrům trubiček a pěny. Cílem je sestavení komplexní metodiky pro numerické simulace a konstrukci kompozitních absorberů. Výzkum zvýšení bezpečnosti karoserie a interiéru autobusů s ohledem na zachování nebo snížení hmotnosti ‐ u velkých autobusů prvky interiéru (zejména sedadla) nahrazují cestujícímu deformační zónu, jak je známa u menších vozidel. Tím jsou jednak zvýšeny požadavky na tyto konstrukční prvky, jednak je znevýhodněn řidič a spolujezdec. Cílem je optimalizovat hmotnost, pevnost a deformační vlastnosti prvků interiéru a karoserie jako celku při zachování vysoké úrovně požadované variability interiéru. Výzkum možností kontroly stavu bdělosti řidiče ‐ velká část nehod dálkových autobusů je způsobena mikrospánkem. Dnes je ochrana proti tomuto riziku omezena na stanovení pracovní doby a odpočinku osádek vozidel, což je dnes v podstatě jediné plošně aplikovatelné, nicméně nedokonalé řešení. Existuje několik směrů, kterými je možné tuto oblast rozvíjet. Cílem je identifikovat správné řešení a podpořit jeho plošnou aplikaci ve vozidlech dálkové přepravy (nákladní nebo osobní). Výzkum bezpečnosti akumulátorů a elektrických vozidel jako takových ‐ akumulátor o vysoké kapacitě představuje podstatně větší riziko, než palivová nádrž vozidla i s ohledem na to, že všechny aspekty, druhy spojených rizik a možnosti vzniku rizika nejsou dostatečně prozkoumány. Cílem je prozkoumat chování při nehodě, zkratování, požáru, ale i chování po nehodových dějích atp. a stanovit způsoby odstranění rizik. Monitorování nehod v reálném provozu ‐ vytipováním skupiny vozidel s konkrétním bezpečnostním prvkem a spojením se záchrannými složkami lze získat informace o nehodě, účastnících, podmínkách jejího vzniku a průběhu atd. s cílem vytvořit statisticky dostatečnou informaci o účinnosti a tím o vhodném směřování vývoje. 52 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.3 Podvozky a karoserie 6.3.1 Hlavní směry rozvoje konstrukce vozidel Pro popis očekávaného vývoje konstrukce vozidel ve druhé a třetí dekádě našeho století je použito shodné struktury kapitoly jako ve Strategické výzkumné agendě (SVA). V této době lze těžko předpokládat revoluční změny, které by bránily použití následujícího dělení: 1. konstrukce vozidel a podvozků 2. rámy a karoserie 3. nápravy, zavěšení kol a systémy odpružení 4. uložení kol, řízení, posilovací systémy 5. vnitřní aerodynamika, chlazení a tepelný komfort Do dalších oblastí IAP zasahují následující témata, jejichž působení na konstrukci podvozku a karoserie je třeba vzít v úvahu: 6. elektrifikace pohonů vozidel 7. elektronika a podpůrné systémy 8. bezpečnost vozidel 9. pokročilé způsoby vývoje K hlavním cílů vývoje patří: ekonomika výroby vozidla i provozu, využití nových technických možností a přístupů, ekologičnost, jízdní komfort, bezpečnost posádky i okolního prostředí a mnoho dalších včetně trvalé udržitelnosti, která je v názvu této Technologické platformy. Zvláště v poslední době jsou zřetelné politické vlivy, které zasahují do konstrukce vozidel a jejich pozadím bývá nezřídka demonstrace správnosti politických koncepcí nebo víceméně skrytá podpora určitých segmentů hospodářství či partikulárních zájmů. Konstrukce a vývoj silničních vozidel se podstatně mění díky změnám dodavatelsko‐
odběratelských vztahů mezi finalisty (resp. OEM) a dodavatelským průmyslem, což ovlivňuje konstrukci i technologii vozidel. V delších cyklech můžeme pozorovat kolísání strategie finalistů mezi tendencemi koncentrovat vývojové a výrobní aktivity nebo je naopak decentralizovat. Pochopitelně postupující globalizace značně ovlivňuje uvedené změny hlavně u osobních vozidel, tzn. masově vyráběných vozidel. Finální výrobu lze charakterizovat jako skládání podstatného podílu nakupovaných komponentů, pocházejících většinou od globálních dodavatelů, se základní strukturou vyráběnou „doma“. Konečnému cíli udržitelnosti dopravy se musí přizpůsobovat i konstrukce a funkcionalita silničních vozidel. Uvažované směry vývoje se týkají především osobních vozidel, kde masová výroba zdůvodňuje využití nejsofistikovanějších a tedy nejdražších technologií. Transferem vyvinutých technologií i do dalších segmentů automobilové výroby dochází k vývoji dalších kategorií vozidel. 53 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.3.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 3 – podvozky a karoserie 3.1 Optimalizovaná konstrukce vozidla (snižování hmotnosti, aerodynamika, technologičnost) Aktuální stav Vlastní konstrukce rámů resp. samonosných karoserií zřejmě nečekají převratné změny, ale průběžně probíhají inovace sledující optimální technologičnost konstrukce a experimentují s různými materiály – od vysokopevnostních ocelí, hliníku až po maximální využití plastických materiálů, kompositů a v poslední době i biologických recyklovatelných materiálů. Co se týče vlastní konstrukce nosných struktur, dá se říci, že nastává odklon od platforem, využívaných po několik desetiletí. Nyní se jde i cestou modularity konstrukce, umožňující výrobu různých kategorií vozidel na jedné standartní výrobní lince či na pružných výrobních linkách. Současně se nejen vývoj komponentů, ale i jejich výroba a částečně i montáž přesouvá na dodavatelský průmysl. Vývoj samonosných karoserií osobních vozidel je ovlivňován nadále především požadavkem snižování hmotnosti, zvyšováním pasivní bezpečnosti (optimalizace absorpce deformační energie), snižováním aerodynamického odporu, zlepšováním jízdního komfortu a zlepšováním technologičnosti. To se ovšem projevuje různě u jednotlivých výrobců a těžko lze vytipovat jednotné trendy. Hlavními směry je využití lehkých nebo naopak vysokopevnostních kovových materiálů a jejich kombinace s plasty, komposity i dalšími netradičními materiály s jediným cílem ‐ snížení hmotnosti vozidla a zlepšení aerodynamických vlastností (spotřeba paliva a snížení aerodynamického hluku). Obr. 6.3.1 Pokud jsme zmínili zmenšování aerodynamického odporu, měli bychom krátce uvést důležitý problém, který sice přímo nepatří do stavby základní struktury vozidla, ale výrazně se podílí hlavně na aerodynamickém odporu vozidla a tedy spotřebě paliva ‐ jsou to chladiče, které jsou již i součástí vnitřní aerodynamiky. Chladičů na vozidlech, ať již užitkových či osobních, 54 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ přibývá a není vyjímkou použití 4 až 6 chladičů. Většinou jde o samostatně nakupované díly nebo komponenty dodávané jako součást určitého systému, např. klimatizace. Jednoznačným trendem je zmenšování hloubky chladičů s cílem snížit tlakovou ztrátu a optimalizovat přestup tepla, což obojí umožňuje řazení chladičů za sebe, eventuelně kombinaci jednotlivých chladicích systémů. To umožňuje výrazně optimalizovat zabudování chladičů, které se výrazně projeví na vnitřní i vnější aerodynamice. Tento trend vyžaduje velmi přesné termodynamické výpočty a standardní použití kombinace simulačního a experimentálního přístupu, hlavně při řešení proudění v motorovém prostoru, které významně ovlivňuje funkci a účinnost pohonného systému. Pouze tento přístup umožňuje efektivní optimalizaci aerodynamických poměrů i správné nastavení kontrolních a regulačních funkcí. Stejné přístupy se uplatní i při řešení partikulárních problémů vnitřní aerodynamiky – HVAC, odmražování a odmlžování, proudění ve světlometech, odvětrání akumulátorů atd. Kritická místa • Zvyšování jízdního komfortu a pasivní bezpečnosti v souladu s požadavky trhu; • Snižování hmotnosti a aerodynamického odporu s cílem snížit spotřebu a emise; • Zlepšování funkčnosti a technologičnosti rámů a karoserií (výroba, údržba a opravy); • Vývoj CAE a simulačních nástrojů pro řešení většiny vytipovaných oblastí, včetně vytváření nezbytných databází. Navrhované aktivity 3.1.1 Zdokonalování technologičnosti základní struktury vozidla (využití lehkých nebo naopak vysokopevnostních materiálů; zvyšování podílu nekovových a recyklovatelných materiálů; konstrukce spojů s ohledem na opravy a recyklaci; 3.1.2 Zdokonalování nosných konstrukcí užitkových vozidel a využívání netradičních materiálů; vývoj zcela nových koncepcí vozidlových struktur, ať již v souvislosti s alternativními pohonnými jednotkami, zaváděním elektromobilů nebo přizpůsobováním specifickým provozním podmínkám; 3.1.3 vyšší využití výpočetních a simulačních metod pro efektivnější využití konstrukčních materiálů, optimalizaci deformačních charakteristik a minimalizaci nákladných experimentálních přístupů. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, Ricardo Prague, MECAS ESI, TÜV‐SÜD Czech, Porsche Engineering Services, Swell, ČVUT, Buzuluk, Edscha Automotive Kamenice, Brano Group, Klein & Blažek, MTX 3.2 Výzkum a vývoj v oblasti Podvozky a chassis‐management Aktuální stav Základní koncepce náprav a odpružení se u jednotlivých kategorií silničních vozidel víceméně ustálily. Přesto podvozky vozidel jsou často nejrychleji se měnícími partiemi a v blízké budoucnosti tento trend zřejmě ještě zesílí s postupným zaváděním chassis‐managementu resp. jednotlivých řídících funkcí a nástupem systémů x‐by‐wire. Výsledné vlastnosti 55 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ podvozků jsou komplexní záležitostí, která je výslednicí kombinace mechanických vlastností karoserie, podvozkových částí i systémů a pneumatik. Kombinace těchto tří komponent může dramatickým způsobem ovlivnit vlastnosti vozidla i jeho konkurenceschopnost. Charakteristiky podvozku výrazným způsobem ovlivňují chování vozidla ‐ např. jízdní komfort, pasivní i aktivní bezpečnost, NVH apod. Největší změny v podvozku můžeme očekávat v souvislosti se zaváděním skutečného chassis‐managementu neboli integrovaného řízení podvozku, které bude navazovat na existující funkce podvozku, jejich harmonizaci včetně využití synergií a zavádění aktivních členů a zavádění dalších funkcí (automatické brzdění, regulované tlumiče, x‐by‐wire, parking system atd.), které budou často již přípravou na integrované dopravní systémy. Cílem bude optimalizovat funkci vozidla uprostřed dopravního prostředí z hlediska podélné, příčné i vertikální dynamiky, dalších funkcí a jejich vzájemné vazby či synergie. Kromě technologického vývoje bude tento proces logicky provázen instrumentací a elektronizací podvozku, aplikací inteligentních silových prvků a přechodem na systémy x‐by‐wire. Zmíněné změny budou podporovány vývojem CAE a simulační podpory. Vývoj, kalibrace a nasazení těchto nástrojů představuje velký objem práce, bez které není možno dané úkoly v budoucnu zvládat. Nemenší nasazení bude vyžadovat vývoj řídících strategií a souvisejících technologií, tzn. vývoje hardware i softwarového vybavení. Řídící software se přitom bude stále více přesouvat k sofistikovanějším formám založeným na průběžné simulaci regulované funkce a tedy k prediktivnímu řízení a samoučícím strategiím chassis‐managementu. Kritická místa •
•
•
•
•
Vývoj chassis‐managementu; Vývoj nástrojů CAE a simulační podpory nezbytné pro vývoj podvozků a zavedení nových technologií; Vývoj komponentů (např. řízené tlumiče, poloaktivní či aktivní odpružení, rekuperace energie, akční členy a instrumentace atd.); Vývoj řídících systémů a strategií (HW a SW); Zavádění systémů x‐by‐wire. Navrhované aktivity Vývoj nových mechatronických koncepcí podvozků 3.2.1 Vývoj komponentů náprav především s cílem snížení váhy využitím nových materiálů i nových konstrukčních řešení a zlepšování funkčnosti novými koncepčními řešeními (polo‐ nebo aktivními tlumiči, rekuperací energie pružících jednotek nebo KERS, zaváděním nebo zdokonalováním funkcí chassis‐managementu, použitím nových řídících jednotek a strategií). 3.2.2 Zdokonalení podvozků z hlediska jízdních vlastnosti, jízdního komfortu, hluku a aerodynamiky pod vozidlem (jízdní vlastnosti, úspory paliva, snižování hluku i vibrací ‐ NVH) využitím nových materiálů, inteligentních silových prvků a nových řídících strategií. 3.2.3 Vývoj konstrukčního řešení komponentů zavěšení s cílem snižování neodpružených hmot a možností použití nových vysokopevnostních materiálů a technologických postupů. 56 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, Toyoda Gossei Czech, Federal‐Mogul Friction Products, 3M Česko, Aisin Europe Manufacturing Czech, Mecas ESI, Swell, Ricardo Prague, Porsche Engineering Services, ČVUT a další akademická pracoviště, Witte Nejdek, TRW Autoelektronika, TRW DAS 3.3 Implementace nových silových prvků a inteligentních konstrukcí podvozků Aktuální stav Již bylo uvedeno, že konstrukce podvozku má pro jednotlivé kategorie vozidel víceméně ustálenou koncepci a to se týká i uchycení kol, systému řízení a posilovačů. Vývoj v této oblasti, která je většinou doménou dodavatelů, probíhá hlavně v technologické oblasti. Podstatnější změny by mohly být spuštěny zavedením systémů x‐by‐wire. Problém není jen technický a u systémů týkajících se bezpečnosti (řízení, brzdění, komunikace atd.) jde primárně o řešení spolehlivosti a vytvoření odpovídajícího legislativního prostředí. Dílčí kroky směřují k integrované dopravě. V určité době bude nezbytné doplnit podvozek o inteligentní akční členy. Zavedení systémů x‐by‐wire otevře cestu novým konstrukčním řešením, která přinesou snížení váhy, ekonomické úspory a v rozporu s výše zmíněným i zvýšení spolehlivosti. V současné době již řada evropských automobilek zavádí prvky související s koncepcí v2v i v2g, ale aplikace je zatím většinou omezena na brzdění a výstražné resp. informační systémy. Výrobci zvláště užitkových vozidel přicházejí s pokusy vylepšit podstatně jízdní vlastnosti a manévrovací schopnosti systémem řízení například přiřizováním zadní nápravy, ale skutečné opodstatnění to má pouze u některých kategorií, např. autobusů, které zajíždějí do měst, musejí manévrovat v omezených prostorech a tam systémy jako řízení zadní nápravy, klekání atd. mají své opodstatnění. Do této kategorie evidentně patří i parkovací systémy osobních vozidel, ale tam jde hlavně o problém vývoj čidel monitorujících prostor kolem vozidla a řídícího software. Zcela nové možnosti může přinést zavedení elektropohonů. V partiích uložení kol, řízení a posilovačů se konstrukce jednotlivých výrobců příliš neliší a vývoj těchto partií směřuje hlavně ke zlepšování technologičnosti konstrukce (záměny materiálů, integrovaná řešení, optimalizace konstrukce ložisek, životnost, servisovatelnost atd.), snižování parazitních odporů a snížení neodpružených hmot. Mezi dalšími očekávanými změnami vedoucími ke snížení neodpružených hmot budou kompozitové ráfky. Kompozitové ráfky se začaly vyrábět pro jízdní kola a motocykly a podle literatury se v současné době začínají objevovat u specifických automobilových aplikací s cílem zlepšit jízdní vlastnosti hlavně v terénu a snížit rotační setrvačné hmoty. U elektromobilů se objevily kolové hnací jednotky, které nejsou pevně spojeny s těhlicí, ale mají vlastní uložení a slouží jako dynamické tlumiče. Zatím se nepředpokládá výraznější rozšíření tohoto řešení i vzhledem k předpokládaným výrobním počtům EV a omezeným možnostem nasazení EV v tvrdších jízdních podmínkách. Již v SVA bylo uvedeno, že hlavním problémem pneumatik v současnosti i nadcházející budoucnosti je jejich hluk. Byla zkoušena opatření v konstrukci pneumatik, použitých směsích pryže i na straně konstrukce a materiálu vozovky. Do výzkumu souvisejícího s generováním hluku při valivém pohybu pneumatik byly věnovány velké prostředky, ovšem bez dosažení odpovídajícího výsledku. Dnes jsme svědkem snižování rychlosti vozidel v exponovaných místech, kde je třeba snížit hladinu hluku a důsledkem je snižování 57 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ průchodnosti komunikací a celkové zhoršování dopravní situace, hlavně v městských aglomeracích. Z komerčního hlediska je hlavní zájem výrobců pneumatik samozřejmě soustředěn na další vývoj adhezních a jízdních vlastností i na životnost pneumatik. Na trhu je široký výběr pneumatik pro všechna vozidla i pro specifické provozní podmínky, ovšem přínos technického pokroku a vývojových prací je využit jen částečně, především proto, že provozovatel vozidla není dost kvalifikovaný pro volbu pneumatik a také proto, že hlavním kritériem pro volbu pneumatik není dosažení optimálních jízdních vlastnosti. Dá se říci, že nejdůležitějším hlediskem bývá pořizovací cena. Setkáme se i s případy, kdy hlavním kriteriem je např. vzhled, takže je možno vidět běžné značky vozidel obuté do drahých sportovních pneumatik se 40% profilem. V těchto případech nedefinovaným a nepředvídatelným způsobem ovlivníme jízdní vlastnosti vozidla a zcela ztratíme jízdní komfort, který byl v závěrečné fázi vývoje vozidla pečlivě optimalizován. V dokumentaci vozidla jsou samozřejmě doporučeny vhodné typy pneumatik, tyto údaje ovšem prakticky nikdo nepoužije. Tím se dostáváme k otázce technické legislativy, která byla zmíněna i ve Strategické výzkumné agendě. V předpisech EHK/OSN jsou normovány a homologovány pouze vlastnosti samotné pneumatiky bez vazby na vlastnosti vozidla, pro které má být použita. Vlastnosti pneumatiky se pochopitelně mění v průběhu její životnosti skladováním, údržbou i opotřebením. I při správném obutí se jízdní vlastnosti vozidla v průběhu životnosti pneumatiky podstatně mění. V ještě větší míře to platí o vozidlech, která jsou vybavena pneumatikami, jež jsou pro vozidlo zcela nevhodné až nebezpečné. To samozřejmě vnáší zcela nový pohled a nároky na požadované vlastnosti elektronických systémů podvozku resp. řídící jednotky chassis‐managementu. Kritická místa •
•
•
•
•
•
•
•
•
Technologický vývoj s podporou CAE (ložiska čepy, těhlice, atd.); Technologický vývoj umožňující zmenšování neodpružených hmot, momentů setrvačnosti a parazitních ztrát v kolové jednotce; Změny systému řízení a posilovačů v souvislosti se zaváděním systémů x‐by‐wire; Zavádění inteligentních akčních členů a odpovídající instrumentace; Adhezní a mechanické vlastnosti pneumatik; Hluk pneumatik; Životnost pneumatik; Nové konstrukce pneumatik (např. inteligentní pneumatiky); Normotvorné činnosti ovlivňující kombinaci vozidlo ‐ pneumatika. Navrhované aktivity 3.3.1 Výzkum možnosti použití inteligentních silových prvků a příprava na další elektronizaci podvozku včetně funkcí x‐by‐wire. 3.3.2 Vývoj sofistikovaných konstrukcí brzdových systémů včetně nových brzdových kotoučů (nové materiály včetně karbonu, integrovaná řešení např. brzd. kotouč + ložisko) s cílem snížit neodpružené hmoty i pasivní odpory a vývoj nových třecích materiálů s omezeným obsahem škodlivých látek, vyšší tepelnou odolností a možností recyklace. 58 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 3.3.3 Technologický vývoj podporující konstrukci a vývoj nových podvozkových komponentů (např. řízené tlumiče, vývoj instrumentace a akčních členů podvozku, rekuperace energie) 3.3.4 Výzkum a vývoj nových konstrukcí pneumatik s lepšími adhezními vlastnostmi a menším valivým odporem a především sníženou hladinou hluku. Další pokrok je možno očekávat v konstrukci pneumatik, ve využití nových materiálů na kostru pláště, ve vývoji směsí a v návrhu desénů. Výzkum pneumatik musí být doprovázen i odpovídajícím vývojem legislativy. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, BRANO Group, TRW, Toyoda Gossei Czech, Aisin Europe Manufacturing Czech, Ricardo Prague, Swell, ČVUT, VŠB, Technická univerzita v Liberci, Vysoké učení technické v Brně a další pracoviště základního materiálového výzkumu s podporou spolupracujících firem dodavatelského průmyslu, Barum Continental, Gumárny Zubří a výzkumně‐vývojové organizace i univerzitní pracoviště zaměřená na vývoj pneumatik a problematiku chassis‐managementu. 3.4 Automatické funkce vozidla a prvky ITS Aktuální stav Už bylo řečeno, že převážná část inovací očekávaných v následujících desetiletí se odehraje v elektronice. V této kapitole je třeba zmínit některé oblasti, které by bylo obtížné řešit samostatně v rámci elektroniky, protože souvisí přímo se stavbou vozidla. Obecně je možno říci, že se do všech kategorií vozidel zavádějí nové elektronické systémy ovlivňující hlavně jízdní vlastnosti, trakční schopnosti a jízdní komfort (např. chassis‐management, resp. dílčí funkce jako ABS, ESP, ASR atd., vytápění‐ventilace‐klimatizace ‐ HVAC), head‐up display apod.). Hlavní oblastí zájmu ovšem budou podpůrné funkce řízení podvozku a jejich postupná integrace do chassis‐managementu. Jde o zásahy, které podstatně ovlivňují chování vozidel v krizových situacích nebo za obtížných adhezních podmínek (sníh, aquaplaning, kluzký terén atd.), čímž nahradí nezkušenost řidiče a maximálně využijí schopností vozidla nezávisle na vnímání a chování řidiče. Postupně jsou a budou zaváděny automatické funkce pro krizové situace – např. krizové brzdění, vectoring, udržování jízdního pruhu, anti‐slip atd. Oblastí s velkými možnostmi, které výrobci věnují mimořádnou pozornost, jsou informační, výstražné a zabezpečovací systémy. Ty budou přímo navazovat na komunikační funkce v2v, v2r nebo v2g. Po zvýšení jízdní pohody jsou samozřejmě vyvíjeny i různé systémy infotainmentu, které mají kromě zábavy přispět k bezpečnosti provozu (monitorování bdělosti a koncentrace řidiče). Oblastí, která se logicky paralelně rozvíjí, jsou čidla, převodníky a akční členy, které můžeme shrnout pod výraz instrumentace vozidla resp. podvozku. Všechny elektronické systémy stojí na kvalitním sběru dat, jejich vyhodnocení a stanovení optimálního zásahu. Vývoj elektronických systémů vyžaduje investice, protože každý systém musí být také navržen a ověřován z hlediska funkční spolehlivosti, EMC kompatibility a bezpečnosti. Z toho vyplývá i specifický požadavek na vývoj veškerého softwarového vybavení, které musí být logicky modulární, aby při pokračujícím vývoji nové moduly byly hardwarově i softwarově plně kompatibilní s ostatními původními moduly elektroniky vozidla, samostatně homologovatelné a nebylo tedy nutno opakovaně vyvíjet a schvalovat celý elektronický systém. 59 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Další elektronický systém, který se bude rozšiřovat, je aktivní tlumení hluku a generátory umělého hluku, které v případě pečlivého odhlučnění karoserie a odstranění vibrací budou imitovat hluk motoru, aby umožnily řidiči intuitivní ovládání vozidla. Generovaný hluk je možno individuálně nastavit, aby splnil popsanou funkci a neobtěžoval zbývající posádku. Současně bude navenek šířený umělý hluk upozorňovat další účastníky silničního provozu na velmi tichá vozidla, zejména elektromobily. Tato dílčí tématická priorita je zpracována v části 4 s přihlédnutím k výhledům části 5. Kritická místa •
•
Hardware pro využití optimalizace funkce podvozku pomocí elektronizace; Vývoj specifických konceptů vozidel při nástupu e‐mobility. Navrhované aktivity 3.4.1 Vývoj řídících jednotek a řídících strategií chassis‐managementu. 3.4.2 Vývoj podvozkových komponentů elektropohonů a instrumentace podvozku. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, MECAS ESI, SWELL, Ricardo Prague, ČVUT, ZČU, Vysoké učení technické v Brně, BRANO Group 3.5 Nové koncepce podvozků vozidel s pokročilými hnacími jednotkami Aktuální stav Ve střednědobém horizontu se bude prosazovat skupina vozidel poháněných elektrickou energií. Bude se jednat o vozidla poháněná bateriemi, která budou převážně určena pro městský a příměstský provoz a vozidla s palivovými články s delším dojezdem. Přechodovou fází s nejasným časovým vymezením bude hybridizace vozidel, především kategorie tzv. plug‐
in hybridů a elektromobilů s range‐extenderem. Vzhledem k současným cenám a hmotnostem, hlavně baterií na bázi lithia, lze očekávat větší specializaci vozidel pro určitý typ nasazení. Především v městském provozu se budeme častěji setkávat s vozidly kategorie L7e, tedy tzv. motorovými čtyřkolkami, která umožní přepravu dvou osob ve městě. Souběžně se všemi konstrukčními a technologickými změnami bude pokračovat snaha o snížení spotřeby energie a zvětšení dojezdu snižováním hmotnosti karoserie a jejích nároků na vytápění, klimatizaci a odmrazování/odmlžování oken. Současně je nutné řešit speciální požadavky pasivní bezpečnosti uložení baterií. Kritická místa •
•
•
•
Vývoj lehkých, cenově příznivých, kapacitních a bezpečných baterií; Dostupnost cenově přístupných lehkých materiálů; Příznivá tržní odezva na nové dopravní prostředky, zejména pro městskou mobilitu; Legislativa pro městská vozidla a městskou mobilitu (sdílení vozidel atp.). Navrhované aktivity 3.5.1 Konceptuální návrh základní struktury karoserie elektrického vozidla (využití lehkých nebo naopak vysokopevnostních materiálů; zvyšování podílu multifunkčních nekovových materiálů). Bezpečnostní rizika elektrických pohonů. 60 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 3.5.2 Výzkum topologie vozidel s elektrickým pohonem. Výzkum a vývoj optimálního pohonu pro elektromobily s ohledem na minimalizaci a rozdělení hmotnosti (neodpružené hmoty) i jízdní vlastnosti a aktivní bezpečnost. Umístění pohonů u kol nebo přímo v kolech umožňuje modulární varianty pohonu, například pohon přední nápravy u menšího vozidla a všech kol u většího vozidla realizovaný stejným elektromotorem. U kol s integrovaným pohonem bude třeba řešit integraci z pohledu vlivů prostředí a funkční bezpečnosti. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, Ricardo Prague, MECAS ESI, TÜV‐SÜD Czech, Porsche Engineering Services, Swell, ČVUT, Buzuluk, Edscha Automotive Kamenice, BRANO Group, Klein & Blažek, MTX 3.6 Vnitřní aerodynamika ‐ chlazení, HVAC, výfukový systém, filtrace, světlomety a další elektrické spotřebiče Aktuální stav Vnitřní proudění vzduchu ve vozidle je důležité jak z hlediska tepelného komfortu posádky, tak z hlediska vzájemné teplotní interakce mezi zařízeními motorového a podvozkového prostoru, z nichž především motor, výfukový systém, turbodmychadlo a vedení neochlazeného plnicího vzduchu mohou negativně ovlivňovat elektrická zařízení, plastové a pryžové části i podlahu karoserie vozidla. Na druhé straně rychlý ohřev výfukového systému přispívá ke splnění emisních parametrů vozidla. Velmi speciální požadavky na chlazení výkonové elektroniky a kompaktních elektromotorů mají elektromobily, u nichž je dále nutné řešit topení, odmlžování a odmrazování oken a zrcátek i klimatizaci s co nejmenší spotřebou uložené elektrické energie. Do tohoto systému patří i soustava chladičů, jejichž instalace se výrazně podílí hlavně na aerodynamickém odporu vozidla a tedy na spotřebě paliva. Chladičů na vozidlech (ať již užitkových či osobních) přibývá a není vyjímkou použití 4 až 6 chladičů. Většinou jde o samostatně nakupované díly anebo dodávané jako součást určitého systému, např. klimatizace. Jednoznačným trendem je zmenšování hloubky chladičů s cílem snížit tlakovou ztrátu a optimalizovat přestup tepla, což obojí umožňuje řazení chladičů za sebe, eventuelně kombinaci jednotlivých chladicích systémů. To umožňuje výrazně optimalizovat zabudování chladičů, které se výrazně projeví na vnitřní i vnější aerodynamice. Tento trend vyžaduje velmi přesné termodynamické výpočty a standardní použití kombinace simulačního a experimentálního přístupu, hlavně při řešení proudění v motorovém prostoru, které významně ovlivňuje funkci a účinnost pohonného systému. Pouze tento přístup umožňuje efektivní optimalizaci aerodynamických poměrů i správné nastavení kontrolních a regulačních funkcí. Stejné přístupy se uplatní i při řešení partikulárních problémů vnitřní aerodynamiky – HVAC, odmrazování a odmlžování, proudění ve světlometech, odvětrání akumulátorů atd. Kritická místa •
•
Interakce designu, legislativních požadavků (výhled z vozidla) a znalostí o subjektivním tepelném komfortu vozidla s požadavky na konstrukci a aerodynamiku motorového prostoru i tepelný komfort prostoru posádky; Vývoj lehkých a kompaktních chladičů; 61 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
Dostupnost cenově přístupných multifunkčních materiálů. Navrhované aktivity 3.6.1 Konceptuální návrh a konstrukce tepelného hospodářství elektromobilů a jeho řízení. 3.6.2 Optimalizace interakce vnější a vnitřní aerodynamiky vozidel různého určení a využití odpadních energií s cílem snížení spotřeby paliva. 3.6.3 Výzkum principů a vývoj konstrukce účinných zařízení pro přesné topení, chlazení a tepelnou izolaci daných oblastí prostoru ve vozidle. 3.7
Paralelní vývoj simulací a experimentů pro návrh nových vozidel Aktuální stav Tato kapitola chce zdůraznit důležitost faktu, že silniční vozidlo je velmi komplexní mechanismus, jehož funkční vlastnosti jsou výsledkem kombinace řady komponentů a systémů, které jsou vyvíjeny samostatně, řada z nich je nakupována, ale očekává se jejich součinnost a komunikace ve prospěch optimální funkce celého vozidla. S definitivními vlastnostmi vozidla je konstruktér, bez ohledu na využití všech prostředků a nástrojů CAE, konfrontován teprve po sestavení vozidla v průběhu prototypových laboratorních a jízdních zkoušek. V době, kdy v průběhu konstrukce a vývoje vozidla máme k disposici nejrůznější nástroje CAE, modelování a simulace, lze výsledné vlastnosti předvídat s poměrně velkou mírou jistoty, ale přesto se výrobce vozidla nevyhne nákladnému komplexu experimentálních zkoušek. Průběh vývojových zkoušek je specifický u jednotlivých výrobců vozidel nebo vývojových firem, kterým výrobce závěrečný vývoj a kalibraci vozidla svěří. Pro provádění závěrečného vývoje a homologaci vozidla jsou budovány nákladné laboratoře, nejrůznější zkušební dráhy a podstatnou část nákladů je nutno věnovat silničním zkouškám v běžném provozu. Komplexnost zkoušek a přístrojové vybavení si mohou dovolit jen největší výrobci, kteří budují vlastní polygony nebo se využívají polygony, které si výrobce pronajme. Přesto se výrobci nevyhnou nutnosti provádění silničních zkoušek a vyjíždění za zkouškami do specifických pouštních, tropických anebo arktických podmínek. Jak již bylo uvedeno, rozsah zkoušek při závěrečném vývoji a homologaci vozidla se snižuje využitím výpočetních a simulačních prostředků a nyní i prostředků virtuální reality. Kritická místa •
•
•
Vývoj legislativy, vybavení a nástrojů pro provádění zkoušek komfortu, jízdních a legislativně ověřovacích zkoušek; Zkoušky vozidel s vysokým stupněm autonomního řízení a řízení v silničních vlacích; Metody kalibrace funkčních vlastností celého vozidla. Navrhované aktivity 3.7.1 Výzkum a vývoj systémů pro hodnocení komfortu a bezpečnosti funkcí vozidel a automatickou kalibraci řídicích systémů. Potenciální řešitelé Škoda Auto a ostatní OEM s eventuální podporou výzkumně‐vývojových společností či akademických pracovišť vybavených dlouhodobými zkušenostmi a databázemi. 62 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.3.3 Dodatek – témata v oblasti 3 připravená pro realizaci Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z hlediska snižování hmotnosti a zvyšování pasivní bezpečnosti Testovací metody ‐ cílem je nabídnout metodiku pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel s ohledem na snižování jejich hmotnosti a současně zvyšování pasivní bezpečnosti. Dalším cílem je prokázat dostatečnou shodu s požadavky jak současných, tak i budoucích předpisů. Metody ověření pro vývoj systémů pasivní bezpečnosti ‐ cílem je vyvinout a ověřit metodiku pro sestavení typických fyzických ověřovacích zkoušek. Tyto zkoušky slouží k prokázání dostatečné shody mezi reálnými testy a výstupy FE analýzy (nelineární dynamické MKP analýzy s využitím komplexních modelů vozidel popř. jejich částí). Cílem je tedy vyvinout jednoduchou metodiku použitelnou nejen při přípravě ověřovacích testů, ale také pro nestandartní případy a další simulace podle předpisů EHK. Výzkum kompozitových absorbérů energie nárazu je jeden z důležitých prvků moderních lehkých konstrukcí vozidel. V dnešní době je většina těchto absorbérů vyvíjena na základě plastické deformace kovových částí. Navrhovaný výzkumný přístup vychází z využití kompozitních materiálů. Navrhovaný absorbér energie pracuje s disipací energie vlivem řízené delaminace a tříštění materiálu. Navrhovaný komponent se skládá z rovnoběžných kompozitových trubiček vyplněných pěnou, která v průběhu deformace řízeně expanduje do meziprostoru. Předpokládaný přínos je v poměru hmotnosti ku množství absorbované energie a v možnosti poměrně širokého ladění vlastností absorberu díky parametrům trubiček a pěny. Cílem je sestavení komplexní metodiky pro numerické simulace a konstrukci kompozitních absorberů. Aerodynamika motorového prostoru a chlazení Řešení této problematiky vyžaduje s ohledem na složitost geometrie motorového prostoru a okrajové podmínky kombinaci jak numerických simulací tak i reálných experimentů. Důraz je kladen na detailní měření jednotlivých parametrů a jejich implementace do numerických simulací. Cílem je získat konkrétní informace o proudových a tepelných charakteristikách v oblasti motoru. Budou vytvářeny simulační modely pro přenos tepla do prostoru pro cestující. Pozornost je věnována zvláště vlivu proudění v oblasti chladiče na celkové třecí ztráty a účinnost přestupu tepla. Měřena bude i tlaková ztráta a silový účinek vyvozený na jednotlivé výměníky a jejich případné modifikace. Měření jsou koncipována jak bez, tak také s uvažováním sdílení tepla mezi výměníky a okolím. Sledována bude celková tepelná bilance i vliv sdílení tepla na tlakovou ztrátu výměníků. Zvýšení schopnosti separace vodního aerosolu pomocí eliminátorů na vstupu sání motoru ‐ součástí projektu je optimalizace a návrh nových účinnějších eliminátorů. Výsledky tepelných polí budou použity pro návrhy motorových prostorů, izolace od prostoru pro cestující pro optimalizace výměníků a aerodynamické uspořádání motorového prostoru. Součástí projektu jsou i numerické simulace proudění a následné optimalizace jednotlivých prvků s cílem minimalizovat třecí ztráty tepelných výměníků. Numerické simulace budou použity i při vývoji nových typů eliminátorů. Testování jednotlivých navržených komponent proběhne v reálných podmínkách a při testech v aerodynamických tunelech. Bude optimalizován tvar a poloha výměníku tepla s ohledem na minimalizaci tlakových ztrát. Na základě provedených měření a simulací budou navrženy takové změny v uspořádání výměníku tepla vzhledem k motorovému prostoru s respektováním proudových charakteristik, které povedou k minimalizaci tlakových ztrát. Návrh a ověření nového uspořádání motorového prostoru ‐ na základě provedených měření a simulací bude navrženo nové uspořádání výměníků tepla uvnitř motorového prostoru. Cílem bude eliminovat negativní vliv třecích ztrát jednotlivých výměníků na celkový odpor automobilu. Snížení problémů hluku a vibrací (tzv. NVH) a zlepšení vibračního pohodlí pro budoucí vozidla Spalovací motory, elektromotory a převodovky, zejména v kompaktních převodových řetězcích redukovaných rozměrů, jsou zdrojem hluku a vibrací (tzv. NVH). Cílem aplikovaného výzkumu je výzkum vhodných softwarových nástrojů pro analýzu energetického toku v akusticko‐
strukturálních systémech a zlepšení vibračního a hlukového (NVH) pohodlí ve vozidlech. Tyto nástroje budou použity pro přípravu doporučení pro snížení úrovně hluku a vibrací osobního a nákladního vozidla s aplikacemi v experimentálním vývoji: ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Vhodné metody pro výpočet rozsáhlých akustických tlakových polí v interiérech a exteriérech vozidla. Softwarový nástroj pro analýzu energetického toku v akusticko‐strukturálních systémech. Softwarový nástroj pro analýzu komplexního vibračního pohodlí ve vozidle. Konstrukční návrhy pro zlepšení vibračního a hlukového (NVH) pohodlí ve vozidlech. Matematické modelování akustických polí řešeného celku může značně přispět k analýze příčin hluku a k nalezení vhodné geometrické konfigurace konstrukce či návrhu volby optimálního materiálu. Vzhledem k náročnosti problému neexistuje v současné době univerzální metoda modelování akustických polí. Existují různé přístupy k řešení, které lze v zásadě rozdělit do dvou skupin. Metody statistického modelování (SAE), kdy jsou sledovány toky akustické energie sledovanými strukturami. Jsou vhodné na velkých a komplikovaných celcích pro vysokofrekvenční hladiny hluku. Tyto metody jsou založeny na rovnováze dynamické energie a toku výkonů mezi skupinami vlastních tvarů kmitu. Deterministické metody modelování hluku vycházejí z popisu prostředí jako kontinua se spojitě rozloženými fyzikálními parametry. Šíření zvukových vln je popsáno elasto‐dynamickými rovnicemi. Pro komplikovaná absorbující heterogení prostředí se zakřiveným rozhraním není možné tyto rovnice řešit analyticky a je nutné přistoupit k numerickému řešení na bázi konečných či hraničních prvků. Těchto přístupů se s úspěchem používá pro nízkofrekvenční spektra kmitajících jevů. Pro vyšší úrovně frekvencí se s ohledem na prostorovou diskretizaci kontinua a na diskretizaci řešené úlohy v časové oblasti stává tento přístup numericky velmi náročným problémem. Náplní je návrh vhodných metod a to jak simulačních, tak i experimentálních pro zjištění primárních zvukových zdrojů v rozsáhlých akusticko‐strukturních systémech a jejich následné využití pro řešení akustických (tlakových) polí v interiéru i exteriéru dopravních prostředků. Bude snaha rozšířit použitelnost deterministických metod i pro řešení hlukových polí pro střední hladiny frekvencí. Jedním z možných přístupů je použití Trefftzových funkcí k aproximaci tlakových polí v geometricky jednoduchých doménách. Základní myšlenkou tohoto přístupu je rozdělit řešený akustický prostor do jednotlivých geometricky „jednoduchých“ podoblastí, pro které je možné nalézt přesné analytické řešení. Tyto oblasti budou pomocí přechodových prvků propojeny se zbývající diskretizovanou částí konstrukce. 63 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Dané přístupy budou v první fázi aplikovány na jednoduché struktury a následně dojde k aplikacím na rozsáhlé struktury typu spalovací motor či převodovka. Vstupními údaji pro řešení povrchových vibrací budou rovněž výsledky multi‐body simulací pohonné jednotky v časové oblasti. Pracovní náplní je vytvoření nového systému měření zdrojů hluku na osobních nebo nákladních automobilech a traktorech, a to buď na úrovni měření vibrací či měření tlakových polí. V rámci měřicího systému bude využito pokročilých experimentálních metod (skenovací laserový vibrometr, akustická kamera, akustická sonda, mikrofonní pole a další). Činnosti se zaměří nejen na lokalizaci problematických míst, ale i integrální hodnocení úrovně jednotlivých částí struktury. Dále bude řešena problematika nejen vibračního ale i akustického pohodlí řidiče dopravního prostředku. Pro tyto účely budou odladěny vlastní specializované softwarové nástroje pro zjištění energetických toků v akusticko‐strukturních systémech a vyhodnocení kritérií pro predikci vibračního a akustického pohodlí interiéru dopravního prostředku. Na základě těchto simulačních nástrojů vznikne softwarový produkt optimalizující konstrukční modifikace strukturní části systémů za účelem snížení úrovně budících vibrací systému a tím i zlepšení akustického pohodlí obsluhy dopravního prostředku. Integrované řízení podvozku pro zvýšení bezpečnosti, ekologičnosti, radosti z jízdy a pohodlí Koordinace řízení jednotlivých prvků podvozku vozidel dosud není dokonalá. Cílem je návrh nových tlumičů s lepšími charakteristikami a lepší možností řízení a příznivou cenou. Zároveň je cílem jejich pokročilá integrace do uceleného řídícího systému. Návrh integrovaného řízení podvozku je založen na užití pokročilých systémů virtuální reality v simulační i experimentální podobě. Jedním z cílů je výzkum tlumičů s nekonvenčními charakteristikami, které nemohou být dosaženy standardními pasivními hydraulickými systémy (netradiční tlumič). Na základě toho bude zkoumán řízený tlumič se sníženým objemem MR kapaliny a bude navržena integrace řízeného tlumiče se vzduchovou pružinou. Dalším cílem výzkumu bude použití těchto pokročilých tlumičů pro integrované řízení podvozků vozidel užívajících synergie řízeného pérování s příčnou a/nebo podélnou dynamikou vozu. Integrované řízení podvozků vozidel užívajícího synergie s řízeným pérováním. Podvozky a jejich řízení představují jednu z největších vývojových změn ve vozidlech v poslední době. Bylo vyvinuto mnoho různých podsystémů. Přesto je vývoj v této oblasti stále neukončený. Na jedné straně stále probíhá z důvodů nákladů, spolehlivosti a životnosti vývoj ve směru úprav tradičních pasivních podsystémů podvozků a jejich aktuátorů tak, že pasivní mechanická řešení přebírají funkčnost počítačem řízených variant. Na druhé straně je stále neuzavřený vývoj integrovaného řízení podvozků. Je celá řada podsystémů s velmi užitečnými funkcemi, ale jejich koordinace a synergie, která by vedla i k nové kvalitě funkce podvozku je stále otevřenou výzvou. Z dosavadního výzkumu se ale podařilo vyvodit, že součástí zlepšené funkce podvozku vždy musí být řízení vertikálních sil, neboť z důvodů nelinearity pneumatiky každá dynamická fluktuace síly mezi kolem a vozovkou zhorší příčnou i podélnou dynamiku vozidla. Proběhne výzkum a vývoj vlivu různého řízení kol na laterální dynamiku a stabilitu vozidel za řízeného pérování a výzkum a vývoj různých variant příčné a podélné stabilizace dynamiky vozidel opět za řízeného pérování.
Modely lidských faktorů a optimalizace hardwaru kabiny z hlediska vytápění, větrání a klimatizace Spotřeba energie v současných systémech HVAC v kabinách automobilů přispívá významně ke spotřebě paliva a emisím CO2. Navíc jsou tyto systémy limitujícím prvkem pro operační rozsah eletromobilů. Tepelný komfort je jedním z důležitých faktorů pro hodnocení kvality automobilu zákazníkem. Obsahem je vývoj modelů, které zvýší komfort řidiče a cestujících v kabině automobilu, současně sníží bezpečnostní a zdravotní rizika a ustaví základní pravidla pro větrací, vytápěcí a chladicí systémy kabiny. Základem těchto modelů je dynamický simulační nástroj pro tepelné chování kabiny automobilu a fyziologický a psychologický model lidského tepelného komfortu včetně jejich validace pomocí měření při provozu („driving“ a „parking“ testy) a dat z klimatické komory, obojí s použitím jak dobrovolníků tak tepelného manekýna. Vývoj modelů pro tepelný komfort je úzce propojen se studií a vývojem individuálních větracích vyústek a navazujícím výzkumem zdrojů hluku generovaného vyústkou a návrhem opatření k redukci hluku. 64 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.4
Elektrická a elektronická výbava vozidel 6.4.1 Hlavní směry rozvoje elektrické a elektronické výbavy vozidel Elektronizace řídicího systému automobilu Současný rychlý vývoj na poli elektrických a elektronických systémů, využití inovativních technologií, vysoký stupeň integrace, miniaturizace, zvyšování výkonu a v neposlední řadě díky velkoobjemové produkci klesající výrobní náklady – to vše jsou faktory, které se odpovídajícím způsobem odráží i v automobilovém průmyslu. Tomuto oboru stejně jako jiným (např. zábavní průmysl, IT aj.) to umožňuje reagovat na požadavky a potřeby zákazníků a na nové legislativní předpisy stále širším využitím sofistikovaných a komplexních řídících systémů. Dnes se do základní výbavy vozidel prosazují prvky a funkce, které byly dříve výsadou luxusních modelů, popřípadě jejich využití v automobilech nebylo reálné z technických nebo technologických důvodů (airbagy, centrální zamykání, parkovací senzory aj.). Obdobný vliv má i stále větší množství zákonných požadavků kladených postupně například na bezpečnost vozidel jako takových (ABS, ESP, plánované automatické přivolání pomoci v případě nehody), emise CO2 (evropské emisní normy) atd. Dalšími faktory jsou pak snaha výrobců zajistit maximální možnou kombinovatelnost výbav, modularizaci (použitelnost dílů v různých produktech s minimálními změnami) a propracovaný systém vlastní diagnostiky. To jsou hlavní motivační prvky pro pokračující elektronizaci automobilových řídících systémů. Dnes je již běžnou součástí i základních modelů většiny automobilových výrobců datová komunikační sběrnice propojující větší či menší počet řídících jednotek. Ta umožňuje sdílení a vzájemné předávání velkého množství dat mezi jednotlivými komunikačními uzly sítě všude tam, kde použití diskrétních signálových vodičů již není efektivní z důvodů finančních nebo výrobních, nehledě na vysokou flexibilitu a kombinovatelnost jednotlivých výbav, která by bez elektronizace byla velmi komplikovaná. . Obr. 6.4.1 ‐ Příklad komunikační sítě systému automobilu (zdroj: http://www.renesas.eu/app/automotive/) 65 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Elektrifikace hnacích jednotek automobilů V souvislosti s výhledy elektrické mobility jakožto určitého řešení pro snížení emisí a využití energie z obnovitelných zdrojů se v poslední době věnuje velká pozornost hybridním a elektrickým hnacím jednotkám (kapitola 6.1.1). Elektrifikovaný automobil má výkonovou síť o dostatečně vysokém napětí, které umožňuje aplikovat další výkonné elektrické ovladače. S elektrifikací proto bude souviset i velké množství pomocných elektrických pohonů (posilovač brzd, řízení, klimatizace, chladicí ventilátor, chladicí čerpadlo, v budoucnosti i mazání, zásobování tlakového akumulátoru vstřikovacího zařízení palivem nebo dokonce výkonově velmi náročné přeplňování motoru) nebo dalších ovladačů. 6.4.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 4 – Elektrická a elektronická výbava vozidel 4.1 Výzkum a vývoj vozidlových sdělovacích sítí z hlediska spolehlivosti a zapojení autonomních spolupracujících jednotek do hierarchického systému Aktuální stav Elektrická a elektronická výbava představuje „nervový systém“ automobilu, který zasahuje do všech segmentů a integruje je do jednoho celku za účelem správného a bezpečného chodu automobilu. Na sběrnicích umožňujících vzájemné propojení řídících systémů automobilu pomocí dostatečně rychlých a spolehlivých sdělovacích sítí, na jejich vlivu na spolehlivost vozidla i na splnění legislativních požadavků se v současnosti intenzivně pracuje. Systém Standard FlexRay by měl nahradit dosud převážně používaný CAN Bus tam, kde je spolehlivost a rychlost (včetně priority vybraných přenášených informací) rozhodující podmínkou použití technologií ovládání vozidla elektrickými akčními členy bez přímého mechanického spojení. Kritická místa •
•
•
Konstrukce nových HW jednotek, jejich přenosové rychlosti a spolehlivost. Standardizace SW formou zavádění závazných norem pro výrobce jednotlivých komponent. Výcvik a výchova specialistů pro oblast elektroniky a její aplikace v automobilovém průmyslu. Navrhované aktivity 4.1.1 VaV se zaměřením na rozvoj propojení řídících systémů motorů, převodů a vozidel k zajištění nejvyšší účinnosti využití paliva a snížení emisí škodlivin. 4.1.2 VaV propojení řídicích systémů akumulátorů a elektrických pohonů spolu s topením a klimatizací vozidla i s infrastrukturními informacemi o jízdních podmínkách a dobíjecích možnostech zajišťující dojezd na větší vzdálenost. 4.1.3 VaV architektury i konstrukčního provedení a SW vybavení systémů X‐by‐Wire. 4.1.4 Standardizace používaných SW a zajištění jejich propojitelnosti formou závazných norem. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, MECAS ESI, SWELL, Ricardo Prague, ČVUT, ZČU, Vysoké učení technické v Brně, BRANO Group atd. 66 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 4.2 Výzkum a vývoj adaptivního a prediktivního řízení parametrů hnacích jednotek, především pro pokročilá a hybridní vozidla i podvozku a prostředků pro jejich rychlou kalibraci Aktuální stav •
•
•
•
•
Zvládnutí a implementace řídicích algoritmů, snímačů a ovladačů pro oddělené funkce řízení podvozku (ABS, ASR, ESP atp.) i jednotlivých dílů hnací jednotky (řízení dávky paliva, průběhu tvorby směsi u vznětových nebo tvorby směsi i zážehu u zážehových motorů, počátku hoření, průběhu hoření – např. prediktivní řízení klepání, řízení plnicího tlaku atp.) kombinací otevřených i zpětnovazebních regulačních smyček; Dosud ne úplná integrace jednotlivých řídicích systémů do větších hierarchických celků; Ojedinělé výskyty adaptivního řízení založeného na zpětné vazbě; Malý podíl prediktivní regulace a řízení založeného na modelu řízené soustavy s návaznou adaptivitou; Velmi časově náročná identifikace parametrů řízené soustavy (kalibrace simulačního modelu a jeho zjednodušení na model pracující v reálném čase) a kalibrace samotného řídicího systému. Kritická místa • Zavedení vysokonapěťových obvodů pro ovladače a pohony vyšších výkonů v běžných automobilech; • Zavedení chybějících ovladačů pro elektronizaci podvozků vozidel, vyžadující současně vyšší úroveň instrumentace vozidel a vývoj řídících jednotek i softwarového vybavení; • Konstrukce a zavedení prostředků průběžných změn pro dosud obtížně řiditelné parametry spalovacích motorů (např. kompresního poměru, průměru otvůrků vstřikovacích trysek atp.); • Zavedení elektrického pohonu všech pomocných zařízení motoru; • Rozšíření automaticky řaditelných mechanických převodovek s vysokou účinností; • Rozšíření hybridních a elektrických vozidel s jejich novými požadavky na řídicí systémy; • Spolupráce nebo integrace dodavatelů příslušenství, standardy pro rozhraní řídicích systémů pro jejich vzájemné propojování; • Překonání legislativních obtíží při přenášení zodpovědnosti řidiče na řídicí systém. Navrhované aktivity 4.2.1 VaV HW i SW řídících jednotek podvozku zajišťujícího očekávanou funkčnost a jízdní komfort vozidla/podvozku; 4.2.2 VaV hierarchického řízení systémů vozidel založené na modelech s vysokou prediktivitou a adaptivitou pro hnací jednotky, vytápění/klimatizaci i podvozek; 4.2.3 VaV metod pro rychlou identifikaci parametrů řízené soustavy, rychlou kalibraci a testování řídicího systému; 67 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 4.2.4 VaV pokročilých prostředků řízení elektrických hnacích jednotek a s tím spojeného inteligentního řízení rozdělování momentu a stabilizace vozidla v podmínkách nezávislých pohonů; 4.2.5 VaV řízení spotřeby energie hybridních a elektrických vozidel. Potenciální řešitelé Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Tatra, SOR, MECAS ESI, SWELL, Ricardo Prague, ČVUT, ZČU, Vysoké učení technické v Brně atd. Popis témat připravených k realizaci Je uveden v Dodatku. 4.3 Výzkum a vývoj integrovaných a hierarchických systémů řízení vozidel včetně automatizace rutinních procesů (např. zařazování do proudu vozidel, jízda v koloně, parkování do řady vozidel) a napojení na systémy v2v, v2i a v2g Aktuální stav Cílem této oblasti výzkumu a vývoje je snaha prověřit možnost komunikace mezi vozidly pomocí exteriérového osvětlení a kamery na palubě vozu se záměrem sdílet informace o překážkách silničního provozu eventuálně nebezpečných situacích tamtéž. V současné době tato technologie na trhu není k dispozici, přičemž její aplikace by významně zvýšila bezpečnost všech účastníků silničního provozu. Úspěšný vývoj této technologie předpokládá spolupráci mezi automobilkami (Škoda Auto, Iveco Czech Republic aj.), výrobci vnějšího osvětlení, výrobci elektroniky a vysokými školami. Obr. 6.4.2 68 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Většina bezpečnostních prvků je prioritně aplikována v nejvyšším/luxusním segmentu vozidel kategorie M1, ovšem další rozšíření pro osobní vozy nižší kategorie a další aplikace v kategorii nákladních vozidel N1 a dopravních prostředků pro přepravu osob (autobusy) není vyloučena, což povede k pozitivnímu pokroku v oblasti bezpečnosti silničního provozu. Realizace této komunikace není v tuto chvíli dostupná a je třeba dalšího vývoje. Rozšíření aplikace nových bezpečnostních prvků M1 na další kategorie vozidel se předpokládá cca v roce 2018. Kritická místa •
•
Kvalitativně nové adaptivní prvky pasivní, aktivní i integrované bezpečnosti vozidel (do roku 2015); Překonání legislativních obtíží při přenášení zodpovědnosti řidiče na řídicí systém. Navrhované aktivity 4.3.1 VaV komunikace mezi vozidly ‐ pasivní i aktivní. 4.3.2 VaV podpůrných systémů pro řidiče včetně způsobu předávání informace. 4.3.3 Analýza vlivu povětrnostních podmínek na funkčnost systému a priorit míry nebezpečnosti jednotlivých kritických situací v silničním provozu. 4.3.4 Pilotní demonstrační projekty aplikující výsledky výzkumu a zkušenosti z provozu na konkrétní vozidla. Potenciální řešitelé Tesla Jihlava, Škoda Auto, Univerzita obrany v Brně, Iveco Czech Republic, Hella Autotechnik, Idiada, Varroc Lighting Systems, BRANO Group, TRW Autoelektronika, SOR, TATRA, ČVUT Obr. 6.4.3 69 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 4.4 Výzkum a vývoj komponent elektrických systémů vozidel s cílem snížení příkonu, snížení ceny, zajištění robustnosti a vysoké funkční spolehlivosti po celou dobu životnosti vozidla (snímače, procesory, ovladače, pomocné pohony, osvětlení vozidel) Aktuální stav Vývoj komponent elektrické a elektronické výbavy vozidle není dosud ukončen. Jde jak o jejich fyzikální principy (zejména např. v oblasti snímání koncentrací látek pro řízení emisních systémů, diagnostiky stavu mazacího oleje, snímání opotřebení rozhodujících součástí, on‐line snímání průběhu tlaku ve válci motoru, snímání otáček turbodmychadla atp. a ovladačů s lineárním pohybem na bázi elektromotorů, elektrostrikce – piezoelektrického jevu, magnetostrikce, materiálů s tvarovou pamětí atp.), tak o konstrukční provedení a implementaci na motoru, diagnostiku správné funkce (včetně případné rekalibrace) a odolnost proti rušení i působení rušení (tedy EMC). V současných automobilech je použito okolo 100 různých snímačů. Tento počet se bude ještě se zaváděním nových technologií zvyšovat. Miniaturizací a integrací snímání různých fyzikálních veličin do jednoho snímače lze dosáhnout snížení počtu snímačů na vozidle, snížení výrobních nákladů a zvýšení spolehlivosti systémů. Snímač je obecně zařízení, které převádí různé fyzikální nebo chemické veličiny na elektrický signál. Signály jsou pak většinou předávány k elektronické řídící jednotce, která po vyhodnocení a porovnání s dalšími údaji přiřadí hodnoty akčním členům nebo jinému zařízení. Snímače se liší funkcí, od těch nejjednodušších, jako jsou dveřní spínače až po ty nejsložitější mikroelektromechanické gyroskopy pro nivelaci. Snímače používané v automobilech lze rozdělit na snímače motor‐managementu, snímače podvozkové a snímače pro komunikaci vozidla s prostředím. Mezi snímače motor‐managementu patří snímače motoru a převodového systému. Podílejí se na optimalizaci využití energie, snížení škodlivých emisí a na spolehlivosti pohonných jednotek. Jako příklad lze uvést snímače pro řízení spalování, řízení časování ventilového rozvodu, přípravu směsi apod. Snímače podvozkové řídí bezpečnost, stabilitu vozidla a ovladatelnost. Sem patří snímače ABS, adaptivní pérování a řízení, snímání tlaku v pneumatikách apod. Snímače komunikačních systémů zprostředkovávají signály z GPS, monitorují situaci okolo vozidla a příjem z infrastruktury komunikace. Využívají se různé principy např. infračervená, ultrazvuková a optická zařízení. Všechny snímače se podle principu snímání dělí na: induktivní, Hallovy, magneto resistivní, elektromagnetické, tlakové, piezoelektrické, kapacitní, infračervené, ultrazvukové, ultrafialové, optotranzistorové, teplotní apod. Pro snímače tlaku, akcelerometry, gyroskopy, sklonoměry a infra‐senzory lze v blízké budoucnosti využívat technologií MEMS (Mikro‐Elektro‐Mechanické Systémy). Podobně lze technologie MEMS využívat pro miniaturní akční členy. Lze očekávat integraci snímání odlišných parametrů do jedné miniaturní jednotky společně s řídící jednotkou a akčními členy. Tím se sníží náklady na vývoj, výrobu a montáž snímače do vozidla. 70 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Typickou ukázkou konkrétního detailu rozhodujícího o bezpečnosti jízdy v noci je vývoj osvětlovacích prvků. S rostoucím počtem aplikací LED diod v osvětlovací technice automobilů vyvstává otázka, jaký vliv na komfort řidiče a bezpečnost silničního provozu má barva vyzařovaného světla světlometem. Cílem je prakticky ověřit na reprezentativním vzorku řidičů důsledky aplikace různých barevných teplot světla vyzařujícího zdroje na fyziologii účastníků silničního provozu. Obecným předpokladem vyplývajícím z fyzikální podstaty generování světla je různé vnímání barevné teploty v závislosti na věku, pohlaví a vnějších podmínkách. Obr. 6.4.4 ‐ Vliv barevné teploty vyzařovaného světla světlometu na komfort řidiče a na bezpečnost silničního provozu Kritická místa •
•
•
Možnost technické realizace nových fyzikálních objevů; Vysoký počet a sortiment snímačů používaných v automobilech, který dále roste a ovlivňuje spolehlivost systémů řízení; Možnost kombinace funkce snímače v jednom místě se snímáním několika fyzikálních veličin a jejich přenos do řídícího elementu; 71 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
Přetrvávající problémy EMC. Navrhované aktivity 4.4.1 VaV systémů pro snímání a ovádání fyzikálních veličin, potřebných pro zpětnovazební řízení systémů vozidel; technologie pro miniaturizaci snímacích prvků; technologie pro sjednocení snímačů, integrace snímání různých veličin a jejich standardizace. 4.4.2 VaV snímačů pro komunikaci v2v pomocí různých fyzikálních principů včetně vnějšího osvětlení. 4.4.3 VaV adaptace řidiče na různé situace a vnější podmínky v závislosti na schopnostech, zkušenostech a věku pro různé barevné teploty zdrojů vyzařujících světlo a vlivu okolního osvětlení na vnímání řidiče; stavba prototypových sad světlometů pro jízdní zkoušky; zavedení zjištěných poznatků a prvků bezpečnosti do nových aplikací a příprava podkladů pro tvorbu legislativy, zohledňující výsledky předchozích studií. 4.4.4 VaV vlivu barevné teploty světla na rozlišovací schopnosti a přesnost detekce dopravní situace pomocí kamery (snímače) asistenčních systémů. Potenciální řešitelé Tesla Jihlava, Škoda Auto, Iveco Czech Republic, Hella Autotechnik, Idiada, Varroc Lighting Systems, Brano Group, TRW Autoelektronika, SOR, TATRA, ČVUT, Magneton 6.4.3 Dodatek – témata v oblasti 4 připravená pro realizaci Integrované řízení podvozku pro zvýšení bezpečnosti, ekologičnosti, radosti z jízdy a pohodlí Koordinace řízení jednotlivých prvků podvozku vozidel dosud není dokonalá. Cílem je návrh nových tlumičů s lepšími charakteristikami a lepší možností řízení a příznivou cenou. Zároveň je cílem jejich pokročilá integrace do uceleného řídícího systému. Návrh integrovaného řízení podvozku je založen na užití pokročilých systémů virtuální reality v simulační i experimentální podobě. Jedním z cílů je výzkum tlumičů s nekonvenčními charakteristikami, které nemohou být dosaženy standardními pasivními hydraulickými systémy (netradiční tlumič). Na základě toho bude zkoumán řízený tlumič se sníženým objemem kapaliny MR a bude navržena integrace řízeného tlumiče se vzduchovou pružinou. Dalším cílem výzkumu bude použití těchto pokročilých tlumičů pro integrované řízení podvozků vozidel užívajících synergie řízeného pérování s příčnou a/nebo podélnou dynamikou vozu. Integrované řízení podvozků vozidel užívajícího synergie s řízeným pérováním. Podvozky a jejich řízení představují jednu z největších vývojových změn ve vozidlech v poslední době. Bylo vyvinuto mnoho různých podsystémů, přesto je vývoj v této oblasti stále neukončený. Na jedné straně stále probíhá z důvodů nákladů a spolehlivosti‐životnosti vývoj ve směru úprav tradičních pasivních podsystémů podvozků a jejich aktuátorů tak, že pasivní mechanická řešení přebírají funkčnost počítačem řízených variant. Na druhé straně je stále neuzavřený vývoj integrovaného řízení podvozků. Je celá řada podsystémů s velmi užitečnými funkcemi, ale jejich koordinace a synergie, která by vedla i k nové kvalitě funkce podvozku je stále otevřenou výzvou. Z dosavadního výzkumu se ale podařilo vyvodit, že součástí zlepšené funkce podvozku vždy musí být řízení vertikálních sil, neboť z důvodů nelinearity pneumatiky každá dynamická fluktuace síly mezi kolem a vozovkou zhorší příčnou i podélnou dynamiku vozidla. Proběhne výzkum a vývoj vlivu různého řízení kol na laterální dynamiku a stabilitu vozidel za řízeného pérování a výzkum a vývoj různých variant příčné a podélné stabilizace dynamiky vozidel opět za řízeného pérování. Prediktivní nebo adaptivní řízení motoru za účelem snížení spotřeby paliva a škodlivých emisí Motory s vnitřním spalováním jsou z pohledu řídicích systémů velmi složité systémy. Jedná se zejména o nelineární chování s rychlou dynamickou odezvou. Dalším komplikujícím prvkem z pohledu řízení jsou předepsané emisní limity, jejichž splnění vyžaduje zavádění různých přídavných technologií (např. EGR, TWC, DOC, SCR atd.). Nové technologie přidávají nové akční členy, které je třeba řídit a zde přicházíme ke kritickému bodu – úprava již existujících řídicích strategií nebo vývoj zcela nových pro nové aplikace motorů. Z důvodu silné nelinearity a rychlé dynamiky motorů je velmi obtížné nebo zcela nemožné upravit stávající strategii řízení pro nový motor. V takovém případě je potřeba vyvinout zcela novou strategii řízení, což je časově a finančně velmi náročný úkol. Tato informace byla potvrzena nezávisle několika světovými producenty motorů. Hlavním cílem aktivity je vyvinout modulární unifikovanou řídicí strategii pro vznětové (CI), zážehové (SI) a hybridní pohonné systémy pomocí optimálních/adaptivních/prediktivních/robustních strategií, založených na modelech řízené soustavy. To umožní optimalizovat chování motorů s předpokládanou redukcí času na vývoj řídicích algoritmů a jejich kalibraci v řádu minimálně 20 %. Součástí aktivity bude: ƒ
ƒ
ƒ
Definice architektury modulární unifikované řídicí strategie a specifikace systémových požadavků. Vývoj optimalizace experimentů pro rychlou tvorbu a identifikaci nelineárních prediktivních a simulačních modelů. Vývoj unifikovaných řídicích strategií/modulů/nástrojů podle specifikovaných požadavků. 72 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Vývoj unifikované řídicí strategie, vývoj jednotlivých komponent, integrace modulů a implementace modelů do řídicí strategie. Vývoj adaptivních kalibračních algoritmů s ohledem na různé vlastnosti paliv. Identifikace modelů a vývoj robustního a prediktivního řízení pro nelineární systémy spalovacích motorů včetně aplikačních softwarových nástrojů. Vývoj unifikované řídicí strategie vysokotlakého vstřikovacího systému pro dieselové motory. Pokročilé řízení vzduchové cesty pro přeplňované zážehové motory založené na "Control Oriented Model" (COM) a "Model based Predictive Control" MPC regulátoru. Předpokládá se implementace řídicích algoritmů do prototypových řídicích jednotek. Softwarové nástroje plánování experimentů a identifikačních technik pro rychlou tvorbu nelineárních a prediktivních modelů. Komplexní vývoj řídicího systému pro optimalizaci spotřeby paliva a minimalizaci emisí motoru. Validace unifikovaných řídicích strategií a softwarových nástrojů. Pokročilé ICT systémy vozidel – návrh a testování Cílem je zvýšení spolehlivosti a funkční bezpečnosti silničních vozidel formou tří vzájemně se doplňujících a podporujících skupin dílčích úloh: •
•
•
Nové komunikační technologie pro komunikaci uvnitř vozidla i mezi vozidly navzájem (V2V) Metody pro testování funkční bezpečnosti řídicích systémů semi‐autonomního vedení vozidla včetně prototypu semi‐
autonomního systému řízení Metody a přístroje automatizovaného funkčního a integračního testování řídicích jednotek vozidel Obsahem první skupiny úloh je návrh a vývoj protokolů a zařízení pro ad‐hoc komunikaci mezi vozidly, případně mezi vozidlem a infrastrukturou. V jejím rámci budou definovány požadavky na interakci vnitřních a vnějších komunikačních systémů vozidel, navržen a realizován funkční vzor komunikačního uzlu ad‐hoc V2V sítě a nakonec realizován a ověřen funkční vzor malé ad‐hoc sítě mezi vozidly. Náplní druhé skupiny úloh je výzkum a implementace metod testování funkční bezpečnosti pokročilých vozidlových řídicích systémů vycházející ze současných standardů (IEC 61508, ISO 26262). Nejprve bude analyzována funkční bezpečnost semi‐autonomního systému řízení vozidla a implementovány standardní jízdní testy. Následně budou na základě předchozích analýz a praktických výsledků testů navržena rozšíření testů a finální podoba testu funkční bezpečnosti. V závěrečné fázi pak bude testován prototyp semi‐autonomního systému řízení dle navržené metodiky. Třetí skupina úloh je zaměřena na technologie automatizovaného funkčního testování jednotlivých vozidlových řídicích jednotek i jejich sestav (integrační testy). V jejím rámci budou navrženy a realizovány prostředky pro multiplatformní testování komunikačních systémů ve vozidlech (systémy CAN, LIN, FlexRay, Ethernet …) pracující v reálném čase. Tyto technické prostředky budou následně využity pro návrh a implementaci programovatelného systému umožňujícího manipulaci s aplikačními signály komunikujících řídicích jednotek v reálném čase v heterogenním prostředí. V závěru bude výše uvedený programovatelný systém využit při implementaci metod automatického generování funkčních a integračních testů. 73 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.5 Inteligentní dopravní systémy (ITS), mobilita a infrastruktura 6.5.1 Hlavní směry a cíle rozvoje ITS, mobility a infrastruktury V návaznosti na světový rozvoj roste poptávka po dopravě. Přestože události poslední doby vykazují odchylky od tohoto trendu, je třeba předpokládat, že pomyslného stropu nebylo a v blízké době nebude dosaženo. V segmentu silniční dopravy je již obtížné reagovat na stoupající množství vozidel klasickým navyšováním kapacit páteřní silniční sítě. Pro umožnění rozvoje je třeba se soustředit na inovace jiných směrů. Dnes se jako nejperspektivnější jeví ITS – Intelligent Transportation Systems. Potenciálem a cílem zavedení komplexního ITS je řízení dopravy jako celku, zvýšení plynulosti, bezpečnosti a efektivnosti dopravy včetně podpory individuální i veřejné dopravy a alternativních pohonů. Zcela zásadním předpokladem funkce ITS je existence národní strategie rozvoje ITS, navázané na dopravní politiku. Předpoklady vývoje vozidel vedou k tomu, že do budoucna je dále nutné vyvíjet a plánovitě budovat/podporovat budování intermodálních terminálů a sítě čerpacích a dobíjecích stanic pro alternativní pohony. Tento požadavek podporuje i demografická křivka a další prognózy, ze kterých lze vyvozovat zvýšené požadavky na přepravu špatně mobilních osob hromadnou přepravou. Základní teze pro návrh výzkumných témat jsou následující: •
Efektivní rozvoj, plná aplikace a využití potenciálu ITS nejsou možné bez zajištění celoevropské (lépe celosvětové) kompatibility. Jakékoli zpoždění této části způsobí problémy, omezení a zpoždění buď okamžitě, nebo v následujících fázích. Jako první je třeba vytvořit a sjednotit normy komunikace v2v a v2x. Velký potenciál má rozvoj funkčních a prakticky použitelných kooperativních systémů pro on‐line sdílení informací uvnitř ITS. •
Pro tvorbu systému chybí právní a etické normy, umožňující a ošetřující sběr, analýzu a následné šíření provozních dat s ohledem na ochranu osobních údajů. •
Neexistují dostatečně sofistikované datové soubory, mapy, algoritmy atp. podporující a umožňující využití dat pro optimalizaci dopravy a související otázky. •
Předávání informací řidiči probíhá prakticky pouze opticky. Řidičův zrak je ale při řízení přetěžován a je třeba výrazněji použít i ostatní smysly (cit, sluch). Zároveň je vhodné podporu řidiče realizovat i v automatizované formě ‐ získávání a zpracovávání standardních zdrojů informací (dopravní značení, světelné signály, přítomnost VRU, jiného vozidla, překážky v jízdní dráze atp.) automatizovanými systémy. •
S postupem zavádění ITS a automatizace dopravy budou narůstat problémy starších vozidel, spojené s jejich „neviditelností“ pro automatické systémy a provozní slepotou řidičů, zvyklých na automatické reakce vozidel. •
Budoucí palivový mix bude znamenat potřebu rozvoje možností čerpání (posílení elektrické rozvodné sítě v obytných čtvrtích, výstavba plniček CNG atp.). Protože rozvoj těchto sítí je jednou ze zásadních podmínek rozšiřování alternativních pohonů a bude vyžadovat vysoké náklady, je třeba zpracovat studie postupu rozšiřování těchto technologií a plán výstavby. 74 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
S ohledem na vývoj demografické křivky, rozšiřování nových technologií (videoteleofony, nakupování po internetu), rozvoj modularizace přepravy a stoupající cenu přepravy je třeba naplánovat výstavbu intermodálních terminálů na všech úrovních. Obr. 6.5.1 6.5.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 5 – ITS, mobilita a infrastruktura 5.1 Rozvoj základních funkcí ITS Základními funkcemi ITS jsou řízení dopravy jako celku a optimalizace toku dopravy na základě analýzy dat on‐line z provozu každého jednotlivého vozidla i dalších zdrojů. Na to navazuje podpora zejména veřejné dopravy. ITS má podporovat vozidlové aplikace určené pro ekonomiku provozu, pro bezpečné a chráněné parkování. Zároveň podporuje bezpečnostní vozidlové systémy, jako například eCall. 5.2 Technická a legislativní podpora rozvoje ITS V průběhu zavádění ITS do reálného provozu bude nutné zabezpečit alespoň minimální zapojení vozidel staršího data výroby. Reálná využitelnost ITS bude vyžadovat zpracování osobních údajů, jejichž ochranu bude nutno vyřešit anonymizací nebo jiným způsobem. Vznikající soubor norem pro ITS je nekompletní, nedokonalý a příliš složitý pro reálné využití. Riziko vyplývá i z nekompatibility jednotlivých národních norem. 5.3 ITS a bezpečnost dopravy Prvním viditelným přínosem je služba eCall, poskytující asistenci a přivolávající automaticky pomoc v případě nehody. Další možnosti jsou otevřené – např. monitoring nebezpečných nákladů, vážení vozidel nebo monitorování chování účastníků v provozu. Oblast integrální 75 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ bezpečnosti je přímo dotčena výměnou informací mezi vozidly a varováním přijíždějícího vozidla, přípravou aktivních bezpečnostních prvků na kolizní situaci či přivoláním pomoci po nehodě. 5.4 Specifická uplatnění ITS ITS může v městské aglomeraci směřovat dopravu od kritických uzlů, včetně směřování k volným parkovacím místům, k platbě poplatků, k nasměřování cestujících k MHD, k upřednostnění vozidel záchranných systémů a MHD atp. Pro podporu alternativních pohonů vozidel může plánovat cestu k volné dobíjecí stanici (plničce CNG, H2) v závislosti na požadované trase, aktuální dopravní situaci a možnému dojezdu vozidla. Zcela samostatnou aplikací má být využití Smart Grids, tedy aplikace inteligentních energetických sítí pro využití dobíjení elektrovozidel k akumulaci přebytků energie mimo špičky. ITS má potenciál realizace dlouhodobě zkoumaných možností sdružování vozidel do kolon prakticky bez zásahu do existující infrastruktury. 5.5 Optimalizace konstrukce vozidel s ohledem na ITS a udržitelnou mobilitu Vozidlo musí být schopné obousměrné komunikace o mnoha údajích jak o vozidle, tak o posádce a okolí vozidla. To znamená jednak implantaci komunikační jednotky, ale zejména vývoj a implantaci potřebných senzorů pro sběr těchto dat. Významnou roli bude hrát i HMI (Human‐Machine Interaction). Objemy dat, která jsou směřována k řidiči, již dnes odvádějí velkou část pozornosti od provozu a pravděpodobně brzy přerostou lidskou schopnost vnímání. Řešení tohoto problému je jednak výzkum a vývoj nových způsobů předávání informací jiných než optických, jednak autonomizace chování vozidla. 5.6 Podpora mobility Experti se shodují, že jednou ze zásadních překážek rozšiřování alternativních pohonů je nedostatečná síť čerpacích/dobíjecích stanic. Budoucí energetický mix, který předpokládá použití vozidel s rozdílnými zdroji energie pro jednotlivé oblasti přepravy, bude vyžadovat velmi vysokou úroveň modularizace přepravy. Zároveň – v návaznosti na stárnoucí demografickou křivku – lze očekávat zvýšené nároky na hromadnou přepravu a její přístupnost imobilním osobám. Obr. 6.5.2 76 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Kritická místa •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Chybí národní strategie rozvoje ITS, navázaná na dopravní politiku; Nedostatečný rozsah a zpracování prakticky použitelných norem pro komunikaci v2v a v2x; Nejsou k dispozici funkční a prakticky použitelné kooperativní systémy pro sdílení informací on‐line uvnitř ITS; Chybí právní a etické normy, umožňující a ošetřující sběr a analýzu provozních dat s ohledem na ochranu osobních údajů; Nejsou k dispozici dostatečné datové soubory, mapy, algoritmy atp. podporující a umožňující využití dat pro optimalizaci dopravy a související otázky; K umožnění stále intenzivnější komunikace vozidlo–řidič je třeba vyvíjet nové nebo kvalitativně nové výkonné systémy HMI; K plynulosti a bezpečnosti dopravy mohou významně připět prakticky využitelné automatizované systémy získávání a zpracovávání standardních zdrojů informací (dopravní značení, světelné signály, přítomnost VRU, jiného vozidla atp.); Je třeba vyvinout a uvést na trh univerzální aftermarketové prostředky komunikace ITS pro starší vozidla; Plán rozvoje modularizace osobní přepravy s ohledem na budoucí palivový mix a potřeby hromadné přepravy osob se zhoršenou mobilností; Chybí analýza potřebného rozvoje energetických sítí s ohledem na potřebnou změnu zatížitelnosti (dobíjení elektromobilů, tankování CNG). Navrhované aktivity 5.1 Stanovení národní strategie rozvoje ITS, navázané na dopravní politiku. 5.2 VaV prakticky použitelných norem pro komunikaci v2v a v2x. 5.3 VaV kooperativních systémů pro sdílení informací on‐line mezi vozidly (v2v) a mezi vozidly a ostatními druhy přepravy, systémů pro sdílení informací on‐line mezi vozidlem a okolím včetně dopravní infrastruktury (v2x). 5.4 Tvorba právních a etických norem a judikátů, umožňujících a ošetřujících sběr a analýzu provozních dat s ohledem na ochranu osobních dat. 5.5 VaV algoritmů a systémů pro optimální využití dat o silniční síti, dopravním provozu, systémů optimalizujících trasu s ohledem na potřeby a možnosti dobíjení elektrických a hybridních vozidel a tankování CNG a vodíku. 5.6 Výzkum a vývoj pokročilých prvků HMI, automatizovaných systémů čtení jiných než elektronických dat (vizuální vnímání překážek, VRU, dopravního značení atp.). 5.7 Výzkum a vývoj technik, logiky a norem sdružování vozidel do konvojů a jiných forem vedení vozidel v proudu. 5.8 Vývoj aftermarketových prostředků komunikace pro starší vozidla. 5.9 Plánování a podpora modularizace osobní přepravy. 5.10 Analýza potřeb hustoty a rozmístění alternativních čerpacích / dobíjecích stanic a jejího vývoje v čase. 77 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obr. 6.5.3 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 5 – ITS, mobilita a infrastruktura Potenciální řešitelé Mecas ESI, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Univerzita obrany v Brně, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, IDIADA, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, ÚAMK, BRANO Group, Witte Nejdek, Iveco Czech Republic, Škoda Auto, TRW Autoelektronika, Global Assistance, MTX, Klein & Blažek, SOR, Tatra, ČVUT 78 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.6 Užití simulačních a virtuálních v automobilovém průmyslu technik pro VaV výrobků 6.6.1 Hlavní směry rozvoje procesů a nástrojů virtuálního inženýrství Cíle v oblasti virtuálního inženýrství jsou zaměřeny zejména na zvýšení konkurenceschopnosti evropského automobilového průmyslu, a to za pomoci dosažení výborné výkonnosti produktu, v kratší době „time to market“, nižších nákladů a vyšší užitné hodnoty, kvality pro zákazníky a investory a zlepšení pracovních podmínek ve fyzických i myšlenkových úlohách. Toho musí být dosaženo za pomoci: •
Zlepšování inteligence, pružnosti a rekonfigurovatelnosti vývoje produktu, výrobních systémů a procesů za pomoci neustálé komplexní aplikace inženýrských metod a nástrojů po dobu celé životnosti produktu; •
Zlepšování výkonnosti a spolehlivosti produktu díky předvídání otázek integrace systému již v raných fázích vývoje produktu; •
Aplikace technik VR ve vlastním produktu (dopravního prostředku) ‐ např. bezpečnostní asistenční systémy, realistické navigační systémy atp.; •
Drastického snížení počtu fyzických prototypů a s tím spojených fyzických zkoušek, které jsou přesunuty až do závěrečného ověření a podpory metodologického vývoje; •
Zkrácení doby vývoje díky rychlejšímu návrhu procesu výroby a technických prací při zachování stejné nebo ještě vyšší kvality; •
Sdílení a snížení vývojových nákladů díky rozšíření oblasti aplikací prototypů, subsystémů a komponent, a to dokonce napříč platformou a výrobci; •
Hlubšího a intenzivnějšího zapojení dodavatelů a uživatelů do vývojového procesu; •
Vývoje a výstavby tzv. „Smart“ továren založených na spojení reálného a virtuálního prostředí, jako pokračování současně budovaných „Digitálních továren“. •
Využitím tzv. kyberneticko‐fyzických systémů (Cyber‐Physical Systems, „CPS“). S ohledem na příchod období 4. průmyslové revoluce ‐ viz obrázek 6.6.1. Významné zdroje pro stanovení koncepcí: •
•
•
AVILUS Angewandte Virtuelle Technologien im Produkt‐ und Produktionsmittel Lebenszyklus, státní projekt D, podporovaný Bundesministerium fuer Bildung und Forschung, stav k 11.2010 Konzultace na pracovištích Škoda Auto a.s.: Technický vývoj, Vývoj a výroba nářadí, Plánování výroby Forschungsunion, Bericht der promotorengruppe Kommunikation 4.0, 2012. 79 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 4. Průmyslová revoluce Na základě kyberneticko‐
fyzických systémů 3. Průmyslová revoluce
Prosazení elektroniky a IT při další automatizaci produkce Zavedení sériové výroby s využitím elektrické energie a dělba práce Svařovna Škoda Auto a.s. Parní stroje a turbíny Stupeň komplexnosti Toyota Asimo 2. Průmyslová revoluce:
1. Průmyslová revoluce: Zavedení mechanických výrobních zařízení poháněných vodou nebo párou Pásová výroba ve Fordových závodech (1913) Začátek 70. let Konec 18. století Začátek 20. století Dnes 20. století Obr. 6.6.1 ‐ Zavedení kategorie 4. průmyslové revoluce. K dosažení těchto cílů, je absolutně nutné vyvinout a rozvinout procesy, technologie a nástroje virtuálního inženýrství jako zásadní faktor umožňující integrovanou (na systémové úrovni), propojenou (na procesní úrovni) a neustálou podporu managementu produktu po celou dobu jeho životnosti od raných fází až po konec životnosti vozidla. Ke splnění výše uvedeného je nutné: •
Zajistit multidimensionální, vyvíjející se inteligentní reprezentaci výrobku k podpoře procesu vývoje a využití znalostí; •
Zajistit nástroje, technologie a postupy pro řízení návrhu produktu a výrobní komplexitu zahrnující rostoucí počet variant a vícenásobných aplikací subsystémů a komponent napříč platformou a výrobci; •
Umožnit součinnost ověření výrobku a analýzy výrobních procesů ve všech jejich fázích; •
Vytvořit výukové, studijní, servisní a další vzdělávací pomůcky za podpory technik VR. Účastníci by měli naplňovat podporovanou strategii EU ve financování velkých projektů a to formou PPP (Public‐Private Partnership), tedy týmu složeného ze státních a soukromých subjektů a financovaného veřejnými i soukromými prostředky. 80 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.6.2 Prioritní výzkumná témata v oblasti 6 ‐ procesy a nástroje virtuálního inženýrství 6.1 Výzkum simulačních technik a technik VR pro parametrickou optimalizaci vysoce konkurenceschopných výrobků i jejich součástí, tedy u finálních výrobců i subdodavatelů Aktuální stav •
•
•
•
Narůstající celosvětová poptávka po inovacích; Enormně narůstající tlak na zvyšování produktivity; Zvyšující se poptávka po kreativitě; Zkracování doby mezi zahájením vývoje a uvedení výrobku na trh. Kritická místa •
•
•
Řešení musí být vázána i na vývoj evropské a celosvětové strategie sdílení dat; Řešení musí být vázána i na vývoj evropských a celosvětových standardů; Řešení musí zohledňovat dynamický rozvoj platforem HW i SW. Navrhované aktivity 6.1.1 Rozvoj inteligentních základen dat a znalostních systémů s dostatečně pružnou strukturou popisu výrobku i metod, použitých pro jeho vývoj (simulačních technik, experimentů a jejich vyhodnocení, postupů simulace z hlediska účinnosti ve srovnání s experimenty); 6.1.2 Rozvoj numerických metod pro paralelní výpočty v simulacích; 6.1.3 Rozvoj metod maticové geometrie a kinematické geometrie pro aplikace VR a pro syntézu tvarů součástí na základě pravidel odvozených z analýzy fyzikálních jevů; 6.1.4 Rozvoj metod inverzních algoritmů pro kalibraci simulačního modelu podle experimentů; 6.1.5 Rozvoj implementace haptiky a silové zpětné vazby pro užití v technikách VR. Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Automotive Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, BRANO Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, VŠB Ostrava, Masarykova univerzita Brno 6.2 Výzkum simulačních technik a technik VR pro konceptuální optimalizaci inovací vyšších řádů u finálních výrobců i subdodavatelů Aktuální stav • Narůstající potřeba zvýšení produktivity; • Potřeba optimalizace ekonomických ukazatelů výroby; • Potřeba identifikace potenciálních vad ve virtuální fázi vývoje produktu. Kritická místa •
•
Dostatek kvalifikovaného odborného technického personálu; Schopnost dosažení kompromisů mezi ergonomii a ekonomií; 81 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
Splnění požadavků na produkt při dodržení jeho vyrobitelnosti z hlediska nákladů a technologických možností. Navrhované aktivity 6.2.1 Rozvoj metod vytváření postupu optimalizace výrobku se zřetelem na zrychlení konvergence iteračních smyček. 6.2.2 Rozvoj fyzikální podstaty i matematického popisu chybějících metod všech úrovní hloubky popisu pro doplnění souvislého procesu vývoje existujících koncepcí a pro rychlé ocenění potenciálu nových koncepcí výrobků. 6.2.3 Rozvoj algoritmů nepřímých metod a metod znalostního inženýrství pro konfigurační a konceptuální optimalizace. 6.2.4 Rozvoj prostředků aplikace v oblasti návrhů ergonomie. Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno 6.3 Výzkum technik VR pro urychlení přípravy výrobní fáze v celém řetězci výrobních podniků, tedy výrobců i dodavatelů Aktuální stav •
•
•
•
Nárůst požadavků na kvalitu výsledného produktu; Zvyšující se tlak na produktivitu práce; Zkracování času pro uvedení nového výrobku na trh; Zrychlující se nárůst nových, netradičních konstrukčních materiálů. Kritická místa •
•
•
Dostatek kvalifikovaného personálu pro danou činnost; Projekty by měly být v souladu s koncepcí tzv. FoF PPP (Factories of the Future Public‐Private Partnership; Dostatečně rychlý HW a diskové kapacity pro možnost rychlé analýzy navrhovaných řešení. Navrhované aktivity 6.3.1 Vývoj prostředků a procesů pro zkrácení přípravy výrobní fáze. 6.3.2 Vývoj prostředků a procesů pro zajištění snížení nákladů v přípravě výrobní fáze. 6.3.3 Vývoj metod optimalizace výrobních prostředků (nářadí, postupů …). 6.3.4 Podpora zavedení „Robustních procesů“, necitlivost na poruchové vlivy. 6.3.5 Vývoj metod pro podporu vyhledávání potenciálních chyb včetně tolerančních analýz. 6.3.6 Vývoj metod verifikace vstupních dat s cílem vyhledání možných chyb v datech. 6.3.7 Tvorba materiálové databáze. 82 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno. 6.4 Výzkum využití VR při návrhu výrobní linky Aktuální stav •
•
•
Malá dostupnost dostatečně vzdělaných odborníků v této oblasti; Potřeba zvýšení produktivity výroby; Zvyšující se tlak na ergonomii výrobních linek. Kritická místa • Existence norem, předpisů a doporučení v této oblasti; • Projekty by měly být v souladu s koncepcí tzv. FoF PPP (Factories of the Future Public‐Private Partnership). Navrhované aktivity 6.4.1 Zvýšení efektivity výrobního procesu v globálně propojeném výrobním prostředí. 6.4.2 Vývoj optimalizačních řídících procesů pro sledování toku materiálu v reálném čase v součinnosti s využitím výrobních kapacit. 6.4.3 Vývoj monitorování v reálném čase a automatizovaného řízení úplného výrobního procesu. 6.4.4 Vývoj adaptivního a citlivého rozhraní člověk‐stroj (Human Machine Interface). Implementace ergonomie montáže. 6.4.5 Vývoj metod pro podporu interaktivní spolupráce člověk‐robot (Human‐robot interactive cooperation). 6.4.6 Maximální využití technologií ICT (Information and Computer Technologies). Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno. 6.5 Výzkum aplikací pro návrh „Digitální továrny“ a navazující „Smart továrny“ Aktuální stav •
•
•
Etablování promotorů v rámci EU v této oblasti; Dokončení softwarové platformy pro tyto aplikace; Rozvoj tvorby normativů a předpisů v této oblasti. 83 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Kritická místa •
•
•
•
•
Odpovídající popis technického prostředí (okolí); Odpovídající popis ekonomického prostředí (okolí); Správná integrace faktoru člověka; Odhad adekvátního rozvoje vlastní technologie; Projekty by měly být v souladu s koncepcí tzv. FoF PPP (Factories of the Future Public‐Private Partnership). Navrhované aktivity 6.5.1 Podpora sdílení mezidisciplinárních informací, znalostí a zkušeností; 6.5.2 Zajištění kompatibility modelu produktu a technologie ve všech fázích výzkumu, vývoje produktu, předvýrobní fázi a fázi výroby; 6.5.3 Zvýšení efektivity řízení výroby, zajištění globálního prosíťování řídících, výrobních a kontrolních zařízení; 6.5.4 Propojení výrobních a logistických systémů. Řízení toku materiálu on line a využití výrobních zdrojů; 6.5.5 Výzkum opatření pro zkrácení času od objednávky do dodání výrobku podle přání zákazníka; 6.5.6 Rozvoj systémů řízení kvality, jejich úplná integrace do výrobního procesu včetně aplikací v oblasti tolerančních analýz; 6.5.7 Maximální využití ICT technologií (Information and Computer Technologies); 6.5.8 Vývoj a výstavba tzv. „Smart“ továren založených na spojení reálného a virtuálního prostředí jako pokračování současně budovaných „Digitálních továren“. Využití tzv. kyberneticko‐fyzických systémů (Cyber‐Physical Systems, „CPS“). Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno. 6.6 Vývoj studijních oborů programů v této oblasti na úrovni terciárního vzdělávání i jako celoživotní vzdělávání Aktuální stav •
•
•
Narůstající potřeba kvalifikovaného personálu v této oblasti; Potřeba kreativních technicky vzdělaných odborníků; Velký nedostatek inovativních výzkumných pracovníků. Kritická místa •
•
Získání dostatečného počtu studentů se zájmem o tento druh studia; Vyškolení a vzdělání dostatečného počtu lektorů schopných zvládnout a učit takto náročnou problematiku; 84 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ •
•
Vytvoření dostatečně velké komunity odborníků s mezioborovým vzděláním v oborech: strojírenství, elektronika, mechatronika a informatika; Vytvoření intenzívnějšího a bližšího propojení studijních a diplomových prací s praktickou problematikou v přípravě výroby. Navrhované aktivity 6.6.1 Podpořit vzdělání tvůrčích a inovativních výzkumných pracovníků. 6.6.2 Podpořit mezinárodní a mezioborovou spolupráci prostřednictvím výměn pracovníků v oblasti výzkumu a inovací. 6.6.3 Rozvinout schopnost výzkumných vývojových pracovat v mezinárodních týmech formou podpory společných projektů. 6.6.4 Rozšíření výukových předmětů na technických VŠ zaměřených na problematiku užití simulačních technik a VR. 6.6.5 Zavedení dalších vzdělávacích programů pro zaměstnance zaměřených na problematiku užití simulačních technik a VR (případně terciálního vzdělávání i jako celoživotního vzdělávání). 6.6.6 Tvorba výukových, studijních, servisních a dalších vzdělávacích pomůcek za podpory technik VR. Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno. 6.7 Výzkum technik VR a jejich aplikace ve vlastním produktu (automobilu) Aktuální stav •
•
•
•
Enormní ekonomický tlak v tomto průmyslovém odvětví; Rostoucí požadavky na zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti vozidel; Zvýšený důraz na vliv na životní prostředí; Nárůst požadavků na oblast vztahu řidič ‐ vozidlo („Human Touch“). Kritická místa •
Úroveň a synchronizace legislativ;. •
Projekty by měly být v souladu s koncepcí tzv. FoF PPP (Factories of the Future Public‐Private Partnership); Splnění predikcí rozvoje HW a SW implementovaného v automobilu. •
Navrhované aktivity 6.7.1 Vývoj systémů dopravních prostředků podporovaných metodami VR ‐ např. bezpečnostní asistenční systémy, realistické navigační systémy atp. 6.7.2 Vývoj technologií podporující tato řešení. 6.7.3 Vývoj a optimalizace vztahu HMI (Human‐Machine Interaction). 85 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Potenciální řešitelé Motorpal, ZF Engineering Plzeň, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Idiada, Visteon‐Autopal, Gumárny Zubří, Barum Continental, ÚAMK, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA, Škoda Auto, ČVUT Praha, ZČU Plzeň, Vysoké učení technické v Brně, Vysoká škola báňská Ostrava, Masarykova univerzita Brno. 6.6.3 Dodatek – témata v oblasti 6 připravená pro realizaci Vývoj a využití znalostních databází ve VaV vozidel Cílem je vytvořit systém podporující VaV automobilů – Design Assistance System (DASY) – pro individuální využití jednotlivými uživateli podle jeiich specifických potřeb a bez nebezpečí úniku citlivých informací, pro transfer dat mezi uživateli ve standardizovaném tvaru, zajišťující snadnou interakci mezi optimalizacemi, prováděnými u těchto uživatelů, a konečně pro společné využívání některými uživateli, zejména z akademického prostředí. Základem rychlého a účinného řešení problémů při urychlení vývoje nového produktu je simultánní inženýrství, založené na integrovaném použití modelování simulacemi a experimenty spojenými se systematickým využitím předešlých zkušeností zachovaných ve znalostních databázích. Simultánní inženýrství zajišťuje obě větve známé V‐křivky ve VaV výrobku, počínaje obecnou studií koncepce přes stále detailnější konstrukci dílů a konče spojováním součástí do oživeného celku připraveného pro výrobu. Proto je dílčím cílem vytváření VaV nástrojů (metod simulace o různé úrovni i experimentů a metod ukládání dat i znalostí), jejich ověřování při krátkodobě orientovaném experimentálním vývoji, přinášejícím kromě toho okamžitě realizace výrobků, a jejich aplikace pro strategický aplikovaný výzkum inovativních konceptů. Společná báze dat a znalostí podporuje hladké propojení mezi odborníky zmíněných vědeckých oblastí, zejména mechaniky, termodynamiky, trakční elektrotechniky, řízení, sdělovacích a informačních technologií, mikroelektroniky, mechatroniky a dopravního inženýrství. V tomto smyslu integruje znalostní databáze aktivity VaV a poskytuje jednotlivým dílčím cílům a výstupům potřebnou vazbu, zajišťující respektování interakcí mezi jednotlivými dílčími inovacemi konstrukce vozidel a tím i celkovou optimalizaci řešení vozidla. Pro její softwarové vyjádření lze s výhodou použít již založený Design Assistance System DASY ‐ viz také Bogomolov S. et al., SAE Paper 2011‐37‐
0030. DASY vytváří rámcový nástroj pro integraci a vzájemné propojení výstupů jednotlivých pracovních balíčků, který budou řešitelé využívat v průběhu projektu i později. Znalosti jsou uchovávány jak ve formě dat (číselných i výrokových parametrů), tak v podobě struktury vybraného konceptu, tj. vazeb mezi jeho entitami, a metod, použitých pro jeho optimalizaci, které zahrnují jak experimenty, tak simulace. Důležitá je pružnost a samodokumentovanost struktury, umožňující její rozšíření v libovolném ohledu (zahrnutí dalších částí výrobku, změna koncepce jeho komponent s využitím dalších nezměněných částí, změna složitosti a přesnosti metod atp.). Vzniká tak virtuální výrobek, který lze kalibrovat podle reality a použít např. ke srovnávacím oceněním různých konceptů. Současně se výsledky uchovávají pro zobecnění získaných zkušeností a pro urychlení navazujícího výzkumu. Zkrácení času mezi výzkumem koncepce a zavedením inovovaného výrobku na trh (time‐to‐market, TTM) je možné díky spojení výpočetních nebo experimentálních postupů vývoje jednotlivých dílčích částí vozidla do jednoho proudu se sdílením dat. Přístup k postupu mají všichni partneři podílející se na dílčích optimalizacích. Systém ukládá získané poznatky, modifikuje parametrickou konstrukci částí vozidla a umožňuje postupné zpřesňování použitých metod v souvislosti s rostoucí znalostí podrobností konstrukce díky kombinaci metod o různé hloubce popisu i přesnosti (příklady viz Hvězda SAE Paper 2012‐37‐0024 a Barák et al., SAE Paper 2012‐37‐0027 v příloze 9.3). Současně jsou doplněny k podrobně zkoumaným částem také zjednodušené modely jejich podstatného okolí v celé konstrukci. Tím se přibližně respektují interakce dílů optimalizovaného systému a jsou zrychleny iterační smyčky v návrhu. Tak je splněn i požadavek holistického přístupu k optimalizaci konstrukce s uvážením interakcí. Práce s DASY je interaktivní, nemůže a nechce odstranit lidský tvůrčí prvek, ale podstatně usnadnit komplexní pohled na vozidlo pomocí jeho virtuální realizace. Cílem tedy není vytvoření úplného systému, který by provždy vyřešil otázku konstrukce optimálního vozidla daných parametrů s ohledem na shora uvedenou nejednoznačnost řešení, ale naopak rozšiřitelného pružného systému, aplikovatelného na budoucí, dosud nejasně definované úlohy. Práce jsou rozděleny do tří základních celků, definovaných dílčími cíli. V první se dokončí základní prázdná struktura pro praktické testování uživateli. Ve druhé se bude DASY postupně plnit konkrétními aplikacemi a metodami. Ve třetí se na základě zpětné vazby ze druhé etapy struktura a programové ošetření problematiky dále upraví pro lepší organizovanost postupu. .
Virtuální termodynamický motor – SW pro simulaci/optimalizaci spalování Řešení je založeno na vývoji/aplikaci nástrojů, které jsou schopny detailního popisu procesu spalování včetně tvorby hlavních škodlivin a včetně „netradičních“ módů spalování (klepání). Tyto modely mají také poskytovat okrajové podmínky do dalších simulací pro vývoj mechanických/aerodynamických dílů. Zmíněné nástroje budou použity pro vyhodnocení potenciálu inovativních řešení pro optimalizaci celkové energetické náročnosti hnacího řetězce včetně emisí. Jde hlavně o snížení spotřeby paliva a emisí nové generace motorů. Jedním z nástrojů, který umožní těchto cílů dosáhnout, je použití simulačních technik pro modelování termodynamických procesů uvnitř motoru (virtuální realita). Tyto modely však musejí být dostatečně přesné, aby bylo možné je použít v ranných fázích vývoje motoru. Často pak výstupy z těchto modelů slouží jako okrajové podmínky pro jiné fyzikální disciplíny (dynamika mechanických částí, hluk atp.). 86 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Očekává se, že zpřesněné modelování turbulence zlepší také modely spalování založené na turbulentních transportních vlastnostech. Budou testovány různé modely spalování, jejichž základem jsou lokální vlastnosti turbulence a zjednodušená chemická kinetika. Tyto modely budou kombinovány s různými přístupy k modelování turbulence, aby bylo možné ověřit jejich vlastnosti a vhodnost pro aplikaci na spalovací motor. Předmětem zájmu budou jak zážehové, tak vznětové motory. Jakmile budou tyto modely spolehlivě otestovány, je možné je použit pro optimalizaci procesu spalování (a tedy zvýšení účinnosti vysokotlaké fáze oběhu) při současném snížení tvorby škodlivin. Předpokládá se také přenos znalostí z detailních vícerozměrných přístupů CFD do rychlých SW nástrojů 0‐D/1‐D, jež jsou vhodné pro simulaci celého motoru. Předpokládá se výzkum simulačních systémů a strategie řízení za účelem optimalizace celkové spotřeby energie a produkovaných emisí s hledem na výpočet celkové energetické náročnosti (tzv. well‐to‐wheel) včetně zahrnutí celkové produkce emisí, celkové výroby elektrické energie a nákladů pro koncového zákazníka. Dál se provede vytvoření modelu pro simulaci různých typů a nastavení hnacích soustav (např. konvenční spalovací motor, sériové a paralelní hybridní pohony nebo elektrický pohon). Použije se model k návrhu a optimalizaci řídicí strategie hybridního vozidla a porovnání s alternativními typy pohonu za účelem minimalizace spotřeby energie a produkce emisí prostřednictvím simulace. V první etapě bude výzkum zaměřen na rešerši stávajících technologií (např. bateriové technologie, elektrické a spalovací motory, architektury hybridních pohonů) a problematiku celkové energetické náročnosti. Uvažovaná náročnost zahrne energetické náklady na těžbu a zpracování zdrojů, jejich logistiku až ke koncovému zákazníkovi, včetně započítání energetických nákladů na konci životního cyklu (např. recyklace baterie). Dále bude provedena rešerše problematiky standardních oproti reálným jízdním cyklům, za účelem zpracování metodiky simulací a rešerše optimalizačních metod včetně stanovení ukazatelů pro hodnocení optimálnosti. Na konci první etapy bude vyhotoven předběžný model jedné varianty konfigurace hnací soustavy a návrh formátu vstupních dat. V další fázi bude vyvinut základní simulační software včetně implementace algoritmu pro minimalizaci kombinované spotřeby energie (palivo + elektrická energie) s ohledem na emise hybridního vozidla během jízdního cyklu. Simulační model bude mít takovou strukturu, aby bylo možné jej snadno modifikovat za účelem změny parametrů motoru, případně konfigurace hnací soustavy (např. klasické vozidlo se spalovacím motorem, sériový nebo paralelní hybrid, start/stop systém atd.). K výpočtu celkové energetické spotřeby se použijí výstupy ze simulace daného jízdního cyklu a připočtou se náklady vyplývající z poznatků z první etapy. Například při výpočtu spotřeby hybridního vozidla bude uvažována jak náročnost výroby a recyklace baterií, tak i vypočítaná spotřeba energie ze simulace. Konečná etapa projektu přinese rozšíření funkcionality základního softwaru ve smyslu zahrnutí nových technologii v době ukončení projektu, např. nové typy hnacích soustav a nové jízdní cykly. Zlepšení návrhu hnacích traktů vozidel s využitím virtuálního hnacího traktu Bude proveden výzkum a vývoj metod řešení mechanických problémů hnacích traktů osobních a nákladních vozidel na základě aplikace virtuálního hnacího traktu, koncipovaného jako modulární výpočtový systém. Výsledky virtuálních prototypů a technických experimentů jsou aplikovány při vývoji pohonných jednotek osobních a nákladních automobilů. Předpokládané práce povedou ke skutečnostem, že nové pohonné jednotky budou vykazovat požadované funkční vlastnosti již ve fázi prvních prototypů, tedy dojde ke značné redukci nákladných technických experimentů spolu s výrazným zkrácením doby vývoje od prvních koncepčních návrhů k finálnímu výrobku. Jedná se o vývoj numerických výpočtových metod nutných k rozšíření mechanického virtuálního motoru o dynamický model pístové skupiny, model kontaktu mezi částmi ventilového rozvodu a dynamický model valivého ložiska, o model pružného bloku motoru a jeho aplikace na vývoj nového klikového mechanismu. Dále jde o vývoj virtuální převodovky a vývoj virtuálního hnacího traktu, umožňující aplikace virtuální pohonné jednotky při vývoji pohonných jednotek osobních i nákladních automobilů. 87 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6.7 Materiály a výrobní procesy 6.7.1 Hlavní směry v oblasti materiálů a ve výrobních procesech Pro konkurenceschopnost evropského automobilového průmyslu je zásadní snížit energetickou náročnost při výrobě, provozu a likvidaci vozidel, snížit závislost na ropných produktech a minimalizovat negativní dopady na životní prostředí ve všech etapách životního cyklu automobilu od těžby surovin až po likvidaci. Použití konkrétních materiálů bude do jisté míry závislé i na koncepci budoucích hnacích jednotek. Nicméně je nutné zaměřit se na snižování hmotnosti vozidel při zachování původní pevnosti, multifunkčnost některých materiálů, využívání materiálů z obnovitelných zdrojů a snížení tření vzájemně se pohybujících dílů. Část energií potřebných pro provoz vozidel bude možné díky novým materiálům získávat ze sluneční energie nebo z doposud nevyužívaných ztrátových zdrojů – např. ukládáním a uvolňováním energie získané při chlazení nebo zpomalování vozidla nebo získáváním solární energie multifunkčními díly karoserie. U spalovacích motorů lze předpokládat pokračování současného trendu, tj. snižování obsahu motorů při zvyšování litrových výkonů (downsizing), který přinese potřebu nových materiálů stabilních za vysokých teplot a také stále častější využívání ušlechtilých kovů pro různá čidla, katalyzátory a kontakty. Vývoj kompozitních materiálů s obsahem těchto vzácných kovů může částečně nahradit spotřebu těchto kovů. Vyšší kompresní tlaky ve spalovacím prostoru a zmenšování rozměrů zapalovacích svíček si vyžádají vývoj nových keramických materiálů s izolační pevností nad 40 000 V na 1 mm. U elektromotorů bude nutné řešit zvýšenou spotřebu vzácných nerostů pro výrobu permanentních magnetů, mědi pro vedení a vinutí cívek motorů a snížení hmotnosti akumulátorů. Z dlouhodobého pohledu je třeba zintenzivnit výzkum a vývoj akumulátorů energie na bázi nanomateriálů. 6.7.2 Prioritní výzkumná témata oblasti 7 – materiály a výrobní procesy 7.1 Výzkum a vývoj pokročilých materiálů Aktuální stav Složení materiálů současných automobilů je zhruba z 65 % ocel a železné kovy, 17 % polymery, 10 % lehké kovy, 3 % barevné kovy a 5 % ostatní materiál (sklo, papír, přírodní materiály apod.). Pro snížení hmotnosti při zachování současné pevnosti karoserie je třeba zaměřit se ve vývoji a výzkumu na vysokopevnostní oceli s pevností nad (Rm) 1000 MPa, slitiny lehkých kovů s výztuží a na kompozitní materiály s polymerní matricí a tkanou výztuží s uhlíkových, borových nebo aramidových vláken. Z dlouhodobého hlediska je nutné zabývat se možností využití akumulace energie do hmoty karoserie s využitím nanotechnologií formou mikroakumulátorů nebo superkapacitorů. Také multifunkční materiály najdou uplatnění při získávání solární energie, rozvodu energie a ochrany povrchu karoserie proti nepříznivým povětrnostním jevům a znečištění. Kompozitní materiály z ušlechtilých kovů (platina, iridium apod.) uspoří poměrně významnou část spotřeby těchto kovů používaných v katalyzátorech, na kontaktech čidel a snímačů a na elektrodách zapalovacích svíček. 88 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Využíváním přírodních materiálů z obnovitelných zdrojů se sníží závislost automobilového průmyslu na ropných produktech a energeticky náročně získávaných surovinách. Kritická místa •
•
•
Výrobní cena některých nových materiálů může zvýšit výrobní cenu automobilů; Získávání energií pro výrobu materiálů musí pocházet ze zdrojů nezatěžujících nadměrně životní prostředí; Rovnováhu mezi pěstováním plodin potřebných pro výrobu materiálů z obnovitelných zdrojů a zemědělskou potřebou bude nutné citlivě regulovat státními orgány. Navrhované aktivity 7.1.1 Výzkum a vývoj vysokopevnostních ocelových plechů pro výlisky tvářené za tepla s pevností nad (Rm) 1000 MPa pro pevnostní prvky karoserie. 7.1.2 Výzkum a vývoj kompozitních materiálů s tkanou výztuží a polymerní matricí pro krycí prvky karoserií automobilů s vysokým modulem pružnosti. 7.1.3 Výzkum a vývoj nehořlavých izolačních materiálů s velmi nízkou hmotností. 7.1.4 Výzkum a vývoj keramických materiálů s vysokou izolační pevností nad 40 000V/1mm. 7.1.5 Výzkum a vývoj přírodních výztuží pro kompozity použitelné pro středně namáhané komponenty vozidel. 7.1.6 Výzkum a vývoj multifunkčních materiálů zajišťujících získávání solární energie. 7.1.7 Výzkum a vývoj multifunkčních materiálů schopných akumulovat elektrickou energii. Potenciální řešitelé ČVUT Praha, BRISK Tábor, Motorpal, Mecas ESI, Buzuluk, Tesla Jihlava, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, Idiada, Škoda Auto, Barum Continental, Brano Group, Witte Nejdek, Klein & Blažek, SWELL, SOR, TATRA Popis témat připravených k realizaci Jsou uvedena v Dodatku. 89 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7.1.Výzkum a vývoj pokročilých
materiálů
Vysoko pevnostní ocelové plechy
Kom. materiály s tkanou výztuží
Izolační mat. s nízkou hmotností
Keramic. mat. s pevností 40kV/1mm
Kompozity s přírodní výztuží
Multifunkční materiály
Multifunkční materiály se schopností
akumulovat el. energii
2020
2015
2025
2020
2030+
2025
Obr. 6.7.1 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 7.1 – výzkum a vývoj pokročilých materiálů 7.2 Aplikace moderních metod dělení a spojování materiálů Aktuální stav Způsoby dělení a spojování materiálů musí být zdokonaleny tak, aby zajistily dostatečnou pevnost, pružnost a energetickou nenáročnost výroby automobilu i při použití různorodých materiálů. Současný způsob výroby karoserie automobilu, s rozhodujícím podílem dílů z ocelových výlisků, zatím neklade přehnané požadavky na přesnost při spojování jednotlivých dílů. Redukce hmotnosti karoserií si však vyžádá hybridní konstrukci z dílů ocelových, z hliníkových slitin a polymerních kompozitů. To přinese zvýšení požadavku na přesnost jednotlivých dílů. Spojování dílů z různých materiálů je značně limitováno vlastnostmi jednotlivých druhů materiálů. I v současnosti nejpoužívanější bodové svařování musí být zdokonaleno pro zajištění dostatečné pevnosti při použití vysokopevnostních ocelových plechů s proměnou tloušťkou. Další požadavek je odstranění dodatečného opracování po svařování. Pro spojování různorodých kovových materiálů lze uplatnit několik rozdílných metod svařování. Například svařování CMT od firmy Fronius, kdy se pozinkované ocelové plechy svařují s plechy nebo díly z hliníkových slitin za působení intenzivního tepla v tak zvané intermetalické fázi. Dalším možným řešením může být difuzní svařování, kdy tlak a zvýšená teplota umožní podmínky pro difuzi atomů mezi dvěma rozdílnými materiály. 90 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Očekávat lze i rozšíření laserového svařování. Zejména pevno‐látkové lasery, které lze snadno usměrňovat do prostoru realizace svaru pomocí optického vlákna, jsou velice perspektivní pro procesy v automobilovém průmyslu. Technologie s vláknovými lasery lze využít pro svařování měděných vodičů k různým systémům. Prostor pro výzkum a vývoj je v oblasti svařování elektronovým svazkem ve vakuu nebo v různých způsobech lepení, klinčování apod. Laserové svařování je využitelné pro dokonalé přivaření kontaktů ze vzácných kovů na elektrody zapalovacích svíček, různých kontaktů a snímačů. Kritická místa •
•
Větší přesnost jednotlivých dílů před spojováním může zvýšit výrobní náklady na výrobek; Energetická náročnost nových metod dělení a spojování je větší než doposud používané metody. Navrhované aktivity 7.2.1 Výzkum a vývoj univerzálního diodového pevno‐látkového laserového zařízení pro svařování různorodých kovových materiálů s nízkou spotřebou energie. 7.2.2 Výzkum a vývoj metod spojování namáhaných lepených spojů kovových a polymerních kompozitů. 7.2.3 Výzkum a vývoj metod pro velmi přesné a efektivní oddělování přebytečné části z velkoplošného výlisku plechu. 7.2.4 Výzkum a vývoj metody svařování kontaktů z ušlechtilých kovů na elektrody zapalovacích svíček. 7.2.5 Výzkum a vývoj metody pro svařování tenkých měděných drátů k masivním podkladům. Potenciální řešitelé BRISK Tábor, Buzuluk, Edscha Automotive Kamenice, Hella Autotechnik, CIEB Kahovec, Gumárny Zubří, 3M Česko, Klein & Blažek, SWELL, SOR, Iveco Czech Republic, Lintech Domažlice, LaserTherm Plzeň Popis témat připravených k realizaci Vzhledem k termínu zahájení nejsou. 91 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7.2.Moderní způsoby dělení a spojování
Laserové svařování s nízkou
spotřebou
Lepení kovových a polymerních
kompositů
Přesné oddělování
Svařování ušlechtilých kovů
Svařování tenkých měděných drátů
2020
2015
2025
2020
2030+
2025
Obr. 6.7.2 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 7.2 – moderní způsoby dělení a spojování 7.3 Optimalizace výrobních procesů zaměřených na výrobu automobilů Aktuální stav Současné výrobní a montážní linky v hromadné výrobě jsou sestavovány tak, aby co nejefektněji zajistily hromadnou výrobu bez možnosti rychlé změny produkce. Změny výrobního programu je možné realizovat jen se značnými časovými prodlevami. Pro konkurenceschopnost je však nutné zrychlit reakci a vyhovět reálným přáním zákazníka na malé odlišnosti výrobku a to bez dopadu na cenu nebo kvalitu. Také zásadní změna výrobního programu musí nastat rychle a bez vlivu na kvalitu výrobku. Univerzální výrobní a montážní linky složené z jednotlivých modulů musí být schopné rychlé reakce na změnu výrobku. Metoda připojení Plug and produce zkrátí reakční dobu pro změnu výrobku a umožní jak hromadnou výrobu na objednávku (mass customization), tak i rychlou změnu výrobního programu. Důslednou modularizací lze snížit náklady na uvedení systému do provozu a ve spojení s virtualizací předvýrobních etap a virtuálním ověřením funkčnosti celého výrobního systému pak zrychlit a zejména zlevnit zavádění nových výrobků na trh. Podmínkou je dokonalý řídicí systém a programové vybavení s možností využívání virtuální reality, rychlé snímání kontrolních bodů spojené s adaptivní korekcí nástrojů, monitorování logistiky toku materiálu RFID a univerzální výrobní moduly s velkou upotřebitelností. 92 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obr. 6.7.3 Kritická místa •
•
Výroba jednotlivých dílů je v současnosti rozdělena do řady výrobních buněk řízených samostatnými řídicími systémy; Výrobní linky složené ze současných výrobních zařízení typu „mass production„ a z moderních zařízení „mass customization“ budou komplikovat řízení samo‐
adaptibilních strojů. Navrhované aktivity 7.3.1 Výzkum a vývoj univerzálních modulů pro obrábění s připojením „Plug and Produce“. 7.3.2 Výzkum a vývoj zásobovacích systémů na bázi RFID s využitím globálních IT sítí. 7.3.3 Výzkum a vývoj metod ověření funkčnosti a dodržení plánovaných parametrů prototypů získaných z výstupů předvýrobních etap. Potenciální řešitelé Mecas ESI, Toyoda Gossei Czech, Tesla Jihlava, Aisin Europe Manufacturing Czech, Visteon‐
Autopal, Gumárny Zubří, ÚAMK, 3M Česko, Brano Group, Motor Jikov Group, Witte Nejdek, TRW Autoelektronika, Škoda Auto, Iveco Czech Republic Popis témat připravených k realizaci Vzhledem k termínu zahájení nejsou. 93 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7.3.Optimatizace výrobních procesů
Univerzální moduly s Plug and
Produce připojením
Zásobovací systémy s využitím IT sítí
Ověřování plánovaných parametrů
2020
2015
2025
2020
2030+
2025
Obr. 6.7.4 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 7.3 – optimalizace výrobních procesů 7.4 Výzkum a vývoj nových likvidačních metod pro nové kompozitní materiály Aktuální stav Při výrobě materiálu, jeho zpracování, dopravě do výrobních zařízení, výrobě a následné likvidaci vzniká řada negativních faktorů, které je třeba vhodnou konstrukcí vozidel eliminovat na nezbytné minimum. Je nutné volit materiály a technologie se zřetelem na celý životní cyklus vozidla od návrhu až po likvidaci, recyklovat postupně stále více materiálů, tím snižovat zatížení životního prostředí odpady z vyřazených vozidel a snižovat spotřebu materiálů vyráběných z vyčerpatelných nerostných zdrojů. V současné době se malá část odpadů musí ukládat na skládky nebo je spalována. 94 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ Obr. 6.7.5 Kritická místa • Náklady na likvidaci některých nových materiálů nohou převýšit náklady na recyklaci nebo likvidaci současně používaných materiálů; • Vývoj nových materiálů nesmí zásadně předběhnout vývoj likvidačních metod; • Nové materiály využívající nanotechnologie nejsou dostatečně zmapovány z pohledu jejich vlivu na životní prostředí. Navrhované aktivity 7.4.1 Výzkum a vývoj metod bezpečně separujících jednotlivé druhy materiálů z vozidel po ukončení životnosti pro další použití. 7.4.2 Výzkum a vývoj energeticky nenáročných recyklačních linek recyklujících s vysokou výtěžností ušlechtilé kovy. 7.4.3 Výzkum a vývoj recyklačních systémů na polymerní kompozity s karbonovou a aramidovou výztuží. Potenciální řešitelé VŠCHT Praha, Barum Continental Popis témat připravených k realizaci Vzhledem k termínu zahájení nejsou 95 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7.4.Recyklační a likvidační metody
Separace materiálů po likvidaci
vozidel
Recyklační linky s vysokou
výtěžností
Recyklační metody pro kompozity s
karbonem
2020
2015
2025
2020
2030+
2025
Obr. 6.7.6 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 7.4 – recyklační a likvidační metody 6.7.3 Dodatek – témata v oblasti 7 připravená pro realizaci Vývoj pokročilých metod hodnocení nízkocyklové únavy při teplotním zatěžování Moderní návrh komponent cyklicky zatěžovaných teplotně‐mechanicky, případně i kontaktem, vyžaduje co nejlepší predikci životnosti. Současná fyzika pevných látek a aplikované materiálové vědy dokáží vysvětlit i kvantitativně popsat řadu degradačních procesů v materiálech na úrovni mikrostruktury (dislokační teorie ...), ale tyto přístupy nejsou vhodné pro hodnocení životnosti celých součástí a uplatňují se při hledání a vývoji nových materiálů nebo povrchových úprav. Při inženýrské analýze životnosti komponent se úspěšně využívá fenomenologický přístup založený na kontinuálním popisu, kde namáhání materiálu vyjadřují pole deformace a napjatosti. Míra degradace materiálu ‐ poškození je také funkcí polohy a určuje se sumací přírůstků poškození přes historii zatěžování. Vyjádření přírůstku poškození jako funkce napjatosti, resp. deformace je základem fenomenologických přístupů. Pro různé skupiny materiálů a zkoumaných procesů se používají různé formulace poškození (různé materiálové modely), při čemž pro konkrétní materiál je nutno kalibrovat parametry modelu pomocí vhodných experimentálně získaných dat. V oblasti fenomenologických materiálových modelů probíhá nepřetržitě výzkum a vývoj nových modelů a hledání vhodných kalibračních a experimentálních metod, jejichž cílem je dosahovat co nejlepších predikčních schopností při zachování únosných požadavků na objem a cenu nutných experimentů. Aplikací je např. komplexní hodnocení životnosti (zejména) skříní turbodmychadel. Hlavním cílem je vyvinout a ověřit metodiku vyhodnocení nízkocyklové termomechanické únavy v interakci s creepem. Skříně turbodmychadel jsou podrobeny zejména zatěžování teplotou, která osciluje jednak v cyklech uvedení do provozu – odstavení, jednak při přechodech mezi různými provozními režimy. Dalšími významnými zatíženími jsou montážní předpětí a jejich změny v důsledku nerovnoměrného ohřátí jednotlivých částí motoru. V důsledku těchto zatížení se na čerpání životnosti materiálu skříní turbodmychadel podílí zejména nízkocyklová teplotní únava a creep. 96 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7 Závěr ‐ cíle VaVaI a prostředky jejich dosažení s časovým zařazením V návaznosti na SVA byly pro strukturalizaci IAP stanoveny výrobkově nebo průřezově orientované oblasti dle následujícího seznamu. 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Hnací jednotky Bezpečnost dopravy Podvozky a karoserie Elektrická a elektronická výbava vozidel Inteligentní dopravní systémy (ITS), mobilita a infrastruktura Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu Materiály a výrobní procesy Je zřejmé, že zatímco oblast 1, 3 a 4 jsou orientovány převážně výrobkově, jsou naopak oblasti 2, 5, 6 a 7 orientovány průřezově, a to v částech 5 a 7 i s přesahem mimo zaměření na výrobu vozidel. Tento přesah se stejně jako vnitřní překryvy ukázal jako nutný pro komplexní popis multidisciplinární problematiky. Následující cíle i priority jsou seřazeny a číslovány podle prioritních výzkumných témat v předešlé kapitole. 7.1 Cíle pro období 2015 – 2030+ 7.1.1 Krátkodobý horizont 2015‐2020 1. Zvýšení distribuované energetiky. Příprava komponent pro alternativní pohony. 2. Snížení rizikovosti přepravy dalším výzkumem a vývojem bezpečnostních prvků pasivní, aktivní a integrované bezpečnosti. Zvýšení bezpečnosti VRU (zranitelní účastníci provozu) vývojem a aplikací osobních ochranných prvků a rozvojem infrastruktury. Zpracování etického a právního rámce zodpovědnosti řidiče, výrobce a servisu za chování vozidla (autonomní systémy). Podpora obnovy vozového parku s cílem plošného rozšíření bezpečných vozidel v provozu. 3. Snižování hmotnosti vozidel použitím sofistikovanějšího přístupu a materiálovým výzkumem (kovové, nekovové i recyklovatelné materiály). Vývoj alternativních koncepcí dopravy i dopravních prostředků, zvláště EV a vývoj odpovídajících opatření v konstrukci vozidel. 4. Inovace komponent a celků elektrických a elektronických zařízení pro zvýšení energetické účinnosti a spolehlivosti, snížení ceny a postupné integrace do distribuovaného řízení celého vozidla. 5. Stanovení národní strategie rozvoje ITS, navázané na dopravní politiku. VaV prakticky použitelných norem pro komunikaci v2v a v2x. Tvorba právních a etických norem a judikátů, umožňujících a ošetřujících sběr a analýzu provozních dat s ohledem na ochranu osobních dat. Výzkum a vývoj pokročilých prvků HMI, automatizovaných systémů čtení jiných než elektronických dat (vizuální vnímání překážek, VRU, dopravního značení atp.), účinnosti hnacích jednotek a využití fosilních paliv a biopaliv 1. a 2. generace v silniční dopravě i pro pohony mimosilničních vozidel 97 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ a kogeneračních jednotek. Výzkum a vývoj technik, logiky a norem sdružování vozidel do konvojů a jiných forem vedení vozidel v proudu. 6. Výzkum simulačních technik a technik VR pro konceptuální optimalizaci inovací vyšších řádů u finálních výrobců i subdodavatelů a vývoj studijních oborů i programů v této oblasti na úrovni terciárního vzdělávání. 7. VaV vysokopevnostních ocelových plechů pro výlisky tvářené za tepla pro pevnostní prvky karoserie, nehořlavých izolačních materiálů s velmi nízkou hmotností, keramických materiálů s vysokou izolační pevností, univerzálního diodového pevnolátkového laserového zařízení pro svařování různorodých kovových materiálů s nízkou spotřebou energie, metody svařování kontaktů z ušlechtilých kovů na elektrody zapalovacích svíček a metod bezpečně separujících jednotlivé druhy materiálů z vozidel po ukončení životnosti pro další použití. 7.1.2 Střednědobý horizont 2020‐2030 1. Účinné využití alternativních zdrojů energie (syntetická paliva a biopaliva vyšších generací, akumulovaná a rekuperovaná elektrická energie) v silniční dopravě i pro pohony mimosilničních vozidel, letadel a kogeneračních jednotek distribuované energetiky. 2. Ošetření rizik vyplývajících z nových technologií (alternativní pohony, nové funkce vozidla, semi‐ nebo zcela autonomní jednání vozidlových systémů) – servis, chování řidiče pro předejití nehody. 3. Další snižování hmotnosti vozidel a vyšší míra recyklovatelnosti materiálů vozidla. Zavádění komplexního chassis‐managementu, adaptivních systémů odpružení, inteligentních silových prvků a systémů x‐by‐wire. Převedení části městské dopravy i provozu na elektropohony. 4. Snížení energetické náročnosti a zvýšení bezpečnosti dopravy novými elektrickými komponenty a integrovaným systémem řízení vozidla s vazbami na infrastrukturu. 5. VaV kooperativních systémů pro sdílení informací on‐line mezi vozidly (v2v) a mezi vozidly a ostatními druhy přepravy, systémů pro sdílení informací on‐line mezi vozidlem a okolím, včetně dopravní infrastruktury (v2x). VaV algoritmů a systémů pro optimální využití dat o silniční síti, dopravním provozu, systémů optimalizujících trasu s ohledem na potřeby a možnosti dobíjení elektrických a hybridních vozidel a tankování CNG a vodíku. Analýza potřeby hustoty a rozmístění alternativních čerpacích / dobíjecích stanic a jejího vývoje v čase. 6. Výzkum simulačních technik a technik VR pro parametrickou optimalizaci vysoce konkurenceschopných výrobků i jejich součástí, tedy u finálních výrobců i subdodavatelů, a výzkum technik VR pro urychlení přípravy výrobní fáze v celém řetězci výrobních podniků, tedy výrobců i dodavatelů. 7. VaV kompozitních materiálů s tkanou výztuží a polymerní matricí pro krycí prvky karoserií automobilů s vysokým modulem pružnosti, přírodních výztuží pro kompozity použitelné pro středně namáhané komponenty vozidel, metod spojování namáhaných lepených spojů kovových a polymerních kompozitů, metody pro svařování tenkých měděných drátů k masivním podkladům, univerzálních modulů pro 98 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ obrábění s připojením „Plug and Produce“ a energeticky nenáročných recyklačních linek recyklujících s vysokou výtěžností ušlechtilé kovy. 7.1.3 Dlouhodobý horizont 2030+ 1. Zvýšení podílu a účinnosti obnovitelných zdrojů energie pro silniční dopravu na základě inovativních hnacích jednotek vozidel. 2. Zpětná vazba prostřednictvím objektivního hodnocení účinnosti bezpečnostních systémů při reálných dopravních nehodách. Podpora rozvoje a rozšiřování nových technologií výchovou a výcvikem odborníků na všech úrovních. Výzkum a zvyšování spolehlivosti nových i existujících technologií. Harmonizace celosvětové legislativy a důraz na její dodržování s ohledem na udržení konkurenceschopnosti průmyslu. 3. Další snižování hmotnosti vozidel. Nové koncepce chassis v důsledku inteligentních systémů x‐by‐wire, adaptivního chassis‐managementu, inteligentních pneumatik a masivní elektronizace městské dopravy i dopravy mimo město (např. automatizace jízdy autovlaku za vodičem, tzv. platooning). 4. Optimalizace logistiky mobility prostřednictvím individuální i hromadné dopravy a dosažení vysoké bezpečnosti dopravy pomocí integrovaného řídicího systému interagujících vozidel s vazbami na silniční i informatickou infrastrukturu a energetické sítě. 5. Výzkum a vývoj pokročilých prvků HMI, automatizovaných systémů čtení jiných než elektronických dat (vizuální vnímání překážek, VRU, dopravního značení atp.). Plánování a podpora modularizace (osobní) přepravy. 6. Výzkum využití virtuální reality při návrhu výrobní linky, aplikací pro návrh „Digitální továrny“ a navazující „Smart továrny“ a výzkum technik VR a jejich aplikace ve vlastním produktu (automobilu). 7. Výzkum a vývoj multifunkčních materiálů zajišťující získávání solární energie, multifunkčních materiálů schopných akumulovat elektrickou energii, metod pro velmi přesné a efektivní oddělování přebytečné části z velkoplošného výlisku plechu, zásobovacích systémů na bázi RFID s využitím globálních sítí IT, metod ověření funkčnosti a dodržení plánovaných parametrů prototypů získaných z výstupů předvýrobních etap a konečně recyklačních systémů na polymerní kompozity s karbonovou a aramidovou výztuží. 7.2 Časový plán pro prioritní výzkumná témata dle SVA a IAP Výčet a časové zařazení jednotlivých prostředků pro dosažení shora uvedených cílů ilustrují následující obrázky, vycházející z analýzy v SVA a rozpracované v IAP. 1. Hnací jednotky Z hlediska konstrukce hnacích jednotek je nutno rozvíjet dle SVA spalovací motory, elektrické pohony a mechanické převody pro nové účely spolu s příslušnou řídicí technikou, a to jak z hlediska účinnosti jednotky samotné, tak z hlediska její hmotnosti, rozměrů a provozní bezpečnosti, ovlivňující konstrukci vozidla a jeho provozní spotřebu energie. Jako podpůrné činnosti je nutno rozvíjet materiálovou a výrobně‐technologickou problematiku u výrobců i subdodavatelů a infrastrukturu energetické logistiky. 99 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 1.1 VaVaI pro spalovací motory se zvýšenou účinností a jejich komponenty při provozu na fosilní paliva a biopaliva 1. a 2. generace pro vozidlové i pro mimosilniční použití. 1.2 VaVaI pro flexibilní spalovací motory inovativních hnacích jednotek pro vozidla, letectví i energetiku a jejich komponent při provozu na syntetická paliva a biopaliva vyšších generací v městském i mimoměstském provozu. 1.3 VaVaI komponentů alternativních hnacích jednotek (pokročilé mechanické převodovky, komponenty hybridů a elektromobilů) v městském i mimoměstském provozu. 1.4 VaVaI hnacích jednotek z hlediska nových koncepcí (převodová ústrojí, koncepce pohonů, včetně hybridních a s palivovými články, řídicí systémy) v městském i mimoměstském provozu. 1.5 VaVaI výroby a infrastrukturních opatření pro alternativní paliva a provozní tekutiny spalovacích motorů a elektromobilů. 1.6 VaVaI v oboru materiálů hnacích jednotek v návaznosti na jejich koncepci a konstrukci. 1.1 Zlepšené spalovací motory
1.2 Palivově flexibilní motory
1.3 Komponenty alternativních pohonů
1.4 Pohony nových koncepcí
1.5 Výroba a infrastruktura paliv
1.6 Materiály hnacích jednotek
2015
2020
2025
Obr. 7.1.1 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 1 ‐ hnací jednotky (názvy heslovitě odpovídají prioritám 1.1 – 1.6) 2. Bezpečnost dopravy Z hlediska bezpečnosti vozidel a dopravy jako celku je vhodné pokračovat ve vývoji a hledání nových přístupů k technice vozidel samotných. Současně s tím může automobilový průmysl poskytnout součinnost a zkušenosti při vývoji bezpečnostních prvků, orientovaných na zranitelné účastníky provozu. Další široké pole možností přinášejí možnosti zapojení a spolupráce vozidel se systémem dopravy jako celkem. Je třeba pracovat na odstranění potenciálních rizik, vyplývajících z nových technologií – zejména pohonů, řízení vozidel a podpůrných systémů po řidiče. Současně s tím doporučujeme sledování účinnosti jednotlivých prvků a systémů při reálných nehodových situacích a podporu obnovy vozového parku, která umožní rychlejší zavedení moderních (nejen) bezpečnostních prvků z výrobních linek do reálného provozu. Tyto aktivity je třeba doplnit systémem vzdělávání odborníků na nové technologie na všech úrovních 100 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ a tvorbou legislativy a etických a právních norem, ošetřujících (semi‐)autonomní chování vozidla. 2.1
2.2
2.3
2.4
VaVaI pokročilých prvků pasivní, aktivní a integrované bezpečnosti. VaVaI podpůrných systémů řidiče. VaVaI identifikace a lokalizace účastníků provozu. Podpůrná opatření infrastruktury. Obr. 7.1.2 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 2 ‐ bezpečnost dopravy (názvy heslovitě odpovídají aktivitám) 3. Podvozky a karoserie Zdokonalená konstrukce karoserie a podvozku vozidla je rozdělena do následujících výzkumných priorit: 3.1 Optimalizovaná konstrukce vozidla
í (aerodynamika, hmotnost, technologičnost)
3.2 Chassis management (vývoj h/w i s/w, ased a adaptivní strategie) model‐b
Implementace inteligentních silových 3.3 prvků a nových konstrukcí 3.4 Implementace automatických funkcí a prvků inteligentní dopravy 3.5 Nové koncepce podvozků vozidel s pokročilými hnacími jednotkami
3.6 Vnitřní aerodynamika a řízení provozních teplot , chlazení, HVAC, výfuk.systém, filtrace, světlomety, akumulátory 3.7 Paralelní vývoj simulací a experimentu při vývoji vozidla
2015
2020
2025
Obr. 7.1.3 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 3 – podvozky a karoserie vozidel (názvy heslovitě odpovídají prioritám) 101 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 4. Elektrická a elektronická výbava vozidel Elektrická výbava vozidel obsahuje stále více ovladačů (silových prvků), umožňujících využít výhod mechatroniky s prvky inteligentních konstrukcí. Elektronická výbava představuje „nervový systém“ automobilu, který zasahuje do všech segmentů vozidla a integruje je pomocí vozidlové sítě v ideálním případě do jednoho celku s distribuovaným optimálním řízením dílčích systémů. Navíc přesahují sdělovací sítě již dnes hranice vozidla, neboť umožňují styk s infrastrukturou (např. GPS) i dalšími vozidly, jak je popsáno v dalších částech IAP. Kromě elektronizace řídicího systému automobilu je zapotřebí zabývat se stále aktuální problematikou elektromagnetické kompatibility, „personalizací“ automobilu nebo rozšířeným nástupem inteligentních prvků, jako např. osvětlení. 4.1 Výzkum a vývoj vozidlových sdělovacích sítí z hlediska spolehlivosti a zapojení autonomních spolupracujících jednotek do hierarchického systému. 4.2 Výzkum a vývoj adaptivního a prediktivního řízení parametrů hnacích jednotek, především pro pokročilá a hybridní vozidla i podvozku a prostředků pro jejich rychlou kalibraci. 4.3 Výzkum a vývoj integrovaných a hierarchických systémů řízení vozidel včetně automatizace rutinních procesů (např. zařazování do proudu vozidel, jízda v koloně, parkování do řady vozidel) a napojení na systémy v2v, v2i a v2g. 4.4 Výzkum a vývoj komponent elektrických systémů vozidel s cílem snížení příkonu, snížení ceny, zajištění robustnosti a vysoké funkční spolehlivosti po celou dobu životnosti vozidla (elektronické prvky obecně – snímače, řídicí jednotky, ovladače, zejména osvětlení vozidel, pomocné pohony, stěračové systémy atd.) pro zvyšování bezpečnosti, snižování energetických nároků, řešení problémů EMC a snižování hluku. 4.5 Výzkum a vývoj diagnostických prostředků pro zabezpečení spolehlivosti integrovaných systémů řízení s novými spotřebiči. 4.1 Prediktivní řízení parametrů hnacích
jednotek (hybridní vozidla)
4.2 Spolehlivost sdělovacích sítí
4.3 Systémy řízení vozidel, napojení na
systémy v2v, v2i a v2g
4.4 Celková optimalizace elektrických prvků,
jako snímačů, řídicích jednotek a ovladačů.
4.5 Spolehlivost a diagnostika integrovaných
systémů řízení
2015
2020
2025
Obr. 7.1.4 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 4 – elektrická a elektronická výbava vozidel (názvy heslovitě odpovídají prioritám 4.1 – 4.5) 102 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 5. ITS, mobilita a infrastruktura Inteligentní dopravní systémy (ITS) přinášejí automobilové technice i přepravě obrovské možnosti. Aby tyto možnosti mohly být plně využity, je bezpodmínečně nutné zajistit kompatibilitu všech systémů nejméně na evropské, lépe na celosvětové úrovni. Toho je možno dosáhnout v podstatě pouze ustavením základních technických dokumentů v brzkém období vývoje systému a na vysoké technické úrovni, se zřetelem na reálnou použitelnost během postupného zavádění. Protože většina funkcí ITS vyžaduje sběr dat v provozu (za účelem jejich následného vyhodnocení a předání výstupů do systému), je třeba po právní a etické stránce vyhodnotit a umožnit takový sběr s ohledem na zachování ochrany osobních dat. Na podporu vývoje mobility je vhodné hloubkově analyzovat směřování dopravy s ohledem na předpokládaný rozvoj alternativních pohonů, rozvoj ostatních technologií, sociálního chování obyvatel (např. nakupování po internetu), demografického stromu, předpokladů potřeb distribuce zboží atp. S ohledem na výsledky této analýzy následně stanovit plán na rozvoj modularizace přepravy a energetických sítí. 5.1 Komplexní rozvoj ITS. 5.2 Výzkum potřeb, techniky a výstavby intermodálních terminálů. 5.3 Vývoj unifikovaných a prakticky použitelných standardů pro komunikaci. 5.4 Unifikace infosystémů a jiných komunikačních nástrojů. 5.5 Plánování rozvoje infrastruktury s ohledem na předpokládaný rozvoj alternativních pohonů. 5.6 Vývoj a rozšíření aftermarketových produktů ITS pro starší vozidla a VRU. Obr. 7.1.5 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 5 – ITS, mobilita a infrastruktura 103 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 6. Užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků vautomobilovém průmyslu 6.1 Výzkum simulačních technik a technik VR pro parametrickou optimalizaci vysoce konkurenceschopných výrobků i jejich součástí, tedy u finálních výrobců i subdodavatelů (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐1). 6.2 Výzkum simulačních technik a technik VR pro konceptuální optimalizaci inovací vyšších řádů u finálních výrobců i subdodavatelů (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐2). 6.3 Výzkum technik VR pro urychlení přípravy výrobní fáze v celém řetězci výrobních podniků, tedy výrobců i dodavatelů (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐3). 6.4 Výzkum využití VR při návrhu výrobní linky (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐4). 6.5 Výzkum aplikací pro návrh „Digitální továrny“ a navazující „Smart továrny“ (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐5). 6.6 Vývoj studijních oborů / programů v této oblasti na úrovni terciárního vzdělávání i jako celoživotní vzdělávání (v SVA uvedeno pod označením T8.7‐6). 6.7 Výzkum technik VR a jejich aplikace ve vlastním produktu (automobilu). 6.1 Parametrická optimalizace
6.2 Konceptuální optimalizace
6.3 VR v přípravě výroby
6.4 VR pro návrh linek
6.5 Digitální továrny
6.6 Studijní programy
6.7 VR v automobilu
2015 2020 2025 Obr. 7.1.6 ‐ Časový plán pro prioritný výzkumná témata v oblasti 6 – užití simulačních a virtuálních technik pro VaV výrobků v automobilovém průmyslu 7. Materiály a výrobní procesy Tato tématická priorita je průřezová a doplňuje celý IAP o oblasti obecného výrobního inženýrství, na něž by se v souvislosti s automobilovým průmyslem nemělo zapomenout. Jedná se o tyto dílčí priority: 7.1 Výzkum a vývoj pokročilých materiálů. Vysokopevnostní ocelové plechy pro výlisky tvářené za tepla, multifunkční materiály se schopností akumulovat elektrickou energii a keramické materiály s velmi vysokou izolační pevností. 7.2 Aplikace moderních metod dělení a spojování materiálů. Univerzální diodové pevnolátkové laserové zařízení pro svařování různorodých kovových materiálů a metod spojování namáhaných lepených spojů kovových a polymerních kompozitů. 104 Implementační akční plán Technologické platformy „Vozidla pro udržitelnou mobilitu“ 7.3 Optimalizace výrobních procesů zaměřených na výrobu automobilů. Výrobní moduly s připojením „Plug and Produce“ a zásobovací systémy na bázi RFID s využitím IT sítí. 7.4 Výzkum a vývoj nových recyklačních a likvidačních metod pro nové multifunkční a kompozitní materiály. 7.1 Pokročilé materiály
7.2 Moderní způsoby dělení materiálů
7.3 Optimalizace výrobních procesů
7.4 Recyklační a likvidační metody
2015
2020
2025
Obr. 7.1.7 ‐ Časový plán pro prioritní výzkumná témata v oblasti 7 – materiály a výrobní procesy 105 Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ Research, Development and Innovation Objectives and Means for
Their Attainment in Short-, Medium- and Long-Range Prospects
Summary:
In follow-up to Strategic Research Agenda (SRA) the following product-based and other,
rather general, areas were established for structuring automotive industry innovations (IAPs):
1.
Drive Units
2.
Traffic Safety
3.
Chassis and Bodies
4.
Electrical and Electronic Equipment of Vehicles
5.
Intelligent Transport Systems, Mobility and Infrastructure
6.
Use of Simulation and Virtual Techniques for R&D of Automotive Industry
Products
7.
Materials and Processes
It is quite clear that while areas 1, 3 and 4 are o mostly product-oriented, the areas, areas 2, 5,
6 and 7 feature more general orientation, the areas 5 and 7 extending even outside of the
production of vehicles. The extension, as well as certain various internal overlaps, appeared to
be necessary for the full description for these multi-disciplinary issues.
The following objectives and priorities are ordered and numbered according to the priority
research subject matters referred to in the previous chapter.
1.1 Objectives for 2015 – 2030+
1.1.1 Short-Term Horizon of 2015-2020
1. Increase in distributed energy. Preparation of components for alternative drives
2. Reduction of the degree of risk associated with traffic through additional research and
development of the elements of passive, active and integrated safety. Increase in the
safety of VRUs (Vulnerable Road Users) through development and application of
personal protection devices and the development of infrastructure. Treatment of the
ethical and legal framework of the responsibilities of the driver, manufacturer and
service station for the behaviour of vehicle (autonomous systems). Support provided
to the renewal of the transport and equipment motor pool with the view of general
increase of the share of safe vehicles in traffic.
3. Reduction of vehicle weight employing a more sophisticated approach to the problem
through material research (involving metal, non-metal and recyclable materials). The
development of alternative concepts of traffic and transport means, electric vehicles in
particular, and the development of corresponding measures in vehicle design.
4. Innovation of electric and electronic equipment components and units intended to
increase their energy efficiency and reliability, reduction in price and gradual
integration into the distributed control system of the vehicle as a whole
5. Definition of the national strategy for the ITS, linked to the policy of transport. The
R&D of the standards applicable in practice to the v2v and v2x communication. The
generation of legal and ethical standards and judgments making operational data
collection and analysis possible and processing it with due respect to personal data
protection. The research and development of advanced HMI devices, automatic
systems for reading other than electronic (such as visual perception of barriers, VRUs,
traffic signs, etc.), efficiency of driving unit as well as the use of fossil fuels and bio-
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ fuels of 1st and 2nd generation in road transport or for driving off-road vehicles and cogeneration units. The research of technologies, logics and standards for vehicle
convoying and for other ways of guiding vehicles in a traffic column.
6. Research in the simulation of VR technologies aimed at the conceptual optimization of
a higher order, carried out with final manufacturers and their subcontractors as well as
the development of study programmes in the field, at the level of tertiary education. .
7. R&D of high tensile steel sheets for hot worked stampings for the body parts of high
strength, non-combustible insulation materials of very low specific weight, ceramic
materials of high insulation strength, multipurpose diode pumped solid state laser
equipment for welding heterogeneous metallic materials at low energy consumption,
methods for welding contacts made of noble metals for spark plug electrodes and the
methods capable to segregate reliably various material types, obtained from vehicles
after the end of their service life, to be recycled or reused.
1.1.2 Medium-Range Horizon of 2020-2030
1. Efficient utilization of alternative energy sources (incl. synthetic fuels and bio-fuels of
higher generations, accumulated and recuperated energy) in road transport and for the
drives of off-road vehicles, aircraft and combined heat and power (CHP) generation
units in the sector of distributed energy.
2. Effective control of risks following from the application of new technologies (such as
alternative drives, new vehicle functions, semiautomatic and fully autonomous
behaviour of vehicle systems) – service, driver’s actions aimed at averting the accident.
3. Further reduction of vehicle weight and a higher degree of vehicle material recovery.
Introduction of the complex chassis management, adaptive systems of spring
suspension, smart power devices and x-by-wire systems; changeover of a part of city
transport and traffic control to electrophones.
4. Increase in energy performance and traffic safety by means of new electric
components and an integrated vehicle control system with links to the infrastructure.
5. R&D of cooperative systems for on-line information sharing of vehicle-to-vehicle type
(v2v) as well as those of vehicle-to-other road users and of vehicle-to-its surrounding,
transport infrastructure inclusive (v2x); R&D of algorithms and systems for the
optimum use of the data of road network and traffic, route optimising systems in
respect of the possibility to recharge electric and hybrid vehicles and CNG or
hydrogen refuelling. The analysis required density and deployment of alternative
refuelling/recharging and its development in the course of time.
6. Research of simulation technologies and VR technologies for parametric optimization
of highly competitive products and their parts – with final manufacturers and their
subcontractors, as well as research of VR technologies with the view to accelerating
the preparation of the production stage in the entire chain of manufacturing plants, i.e.,
7. R&D of composite materials comprising woven reinforcement and polymer matrix for
making car body panels featuring high modulus of elasticity, the natural reinforcing
materials for composites that can be used for vehicle components exposed to medium
loads, the methods for binding the joints of metal and polymer composites subjected to
a high stress, methods for welding thin copper wires to solid substrates, the versatile
modules or machining with the connection of the „Plug and Produce“ type and the
recycling lines of high energy performance and high yields of noble metals.
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 1.1.3 Long-Range orizon of 2030+
1. Increase in the proportion and efficiency of renewable energy sources used in road
transport based on the innovative drive units of vehicles;
2. Feedback received from objective evaluation of the effectiveness of safety systems in
actual traffic accidents. Support to the development and expanded application of new
technologies through education and training of specialists at any level. Research into
and stress put on increasing the reliability of new and existing technologies.
Harmonization of global legislation and putting accent on its observance in efforts to
maintain competitiveness of the industry.
3. Further reduction of vehicle weight. New concepts of chassis as a result of smart x-bywire systems, adaptive chassis management, smart tyres and mass electronization of
city transport and the transport outside of towns (such as, e.g., automation of the travel
of a guided vehicle convoy, so-called “platooning”).
4. Optimization of mobility logistics by means of individual and public transport and the
attainment of high traffic safety employing an integrated control system of interacting
vehicles with links to the infrastructure of roads and informatics and energy networks.
5. Research and development of advanced HMI devices, automated systems for reading
other than electronic data (visual perception of barriers, VRUs, traffic signs, etc.).
Modularization of (personal) transport planning and support.
6. Research of the use of virtual reality in the design of production lines, of the to be
used for the proposal of the “Digital Plant” and the follow up “Smart Plant”
applications, as well as the research into VR techniques and their applications to the
product itself (the car).
7. Research and development of multifunctional materials for solar power generation,
multifunctional materials capable of electric power accumulation, methods for highly
precise and efficient separation of surplus material from metal sheet stampings of
large area, supply systems based on the RFID and use of global IT networks, methods
for verifying the functionality and compliance with the planned parameters of the
prototypes obtained from the outputs of pre-production stages and, finally, of the
systems for recycling polymer composites comprising carbon and aramid
reinforcement.
1.2 Time Schedule for Priority Research Subject Matters to the SVA and
IAP
The listing and times of use of particular means for attaining the abovementioned objectives is
illustrated by the following diagrams, based on the analysis made by the SVA and elaborated
in the IAP.
1. Drive Units
According to the opinion of SVA, from the point of view of drive unit design, the internal
combustion engines, electric drives and mechanical transmission systems shall be further
developed for their new purposes, in connection with appropriate control technology, in terms
of both the efficiency of the unit itself, and its weight, size and operational safety that
influence vehicle design and its energy consumption in service. In addition, certain supporting
activities shall be pursued, as regards particularly the issues of materials and production
technology, both with manufacturers and their suppliers/sub-suppliers, and the infrastructure
of energy logistics as well.
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 1.1 R&D&I of internal combustion engines of increased efficiency and their components in
vehicles and off-road applications.
1.2 R&D&I of adaptive multi-fuel internal combustion engines of innovative drive units
designed for vehicles, aircraft and power generation, and their components using synthetic
fuels, bio-fuels of higher generations, to be used in both city and outside-of-city traffic.
1.3 R&D&I of the components of alternative drive units (comprising advanced mechanical
gearboxes, components of hybrids and electromobiles) to be used in both city and outsideof-city traffic.
1.4 R&D&I of drive units in terms of new concepts (such as transmission gears, drive
concepts, including hybrid drives and drives employing fuel cells, control systems), to be
used in both city and outside-of-city traffic.
1.5 R&D&I of the production of and infrastructural measures for alternative fuels and service
fluids of internal combustion engines and electromobiles.
1.6 R&D&I in the field of drive unit materials linked to their concepts and designs.
1.11.1Improved
internal combustion
Zlepšené spalovací
motory
engines
Palivově flexibilní
motory
1.21.2Multi-fuel
(flexible)
engines
Komponentydrive
alternativních
pohonů
1.31.3Alternative
components
Pohonyofnových
1.41.4Drives
a newkoncepcí
concept
Výroba
a infrastruktura paliv
1.51.5Fuel
production/infrastructure
Materiály
jednotek
1.61.6Drive
unit hnacích
materials
2015
2020
2025
Fig. 7.1.1 – Time schedule for research subjects of priority in Area 1 – Drive Units
(the names correspond to priorities 1.1 – 1.6 (abbreviated)
2. Traffic Safety
In terms of vehicle and traffic safety as a whole it will be appropriate to continue in the
development and search for new approaches to the technology of vehicles as such. At the
same time the automotive industry can provide cooperation and experience in the
development of safety devices oriented to vulnerable road users. Possible vehicle involvement
in and cooperation with the traffic system as a whole, can bring an additional and wide range
of opportunities. It will be necessary to work on the elimination of potential risks that may
ensue from the new technologies, particularly as regards vehicle drives, driving and driver
supporting systems.
At the same time we recommend the efficiency of individual devices and systems to be
monitored in real accident situations and the renewal of the transport and equipment motor
pool to be supported. Those activities will make it possible to transfer modern (not only)
safety devices from production lines to actual road traffic. Those efforts should be suitably
complemented by an educational system for specialists in the new technologies at all levels as
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ well as by creation of relevant legislation and ethical and legal standards dealing with (semi-)
autonomous vehicle behaviour.
2.1
2.2
2.3
2.4
R&D&I of the advanced devices of passive, active and integrated safety
R&D&I of driver supporting systems
R&D&I of road user identification and location
Infrastructure supporting measures
2.1
Advanced safety devices
2.2
Driver supporting systems
2.3
Road user identification
2.4
Infrastructure supporting
measures
Fig. 7.1.2 - Time schedule for research subjects of priority in Area 2 – Traffic Safety (the
names correspond to priorities 2.1 – 2.4 (abbreviated)
3. Chassis and Bodies
The improved design of vehicle body has been divided into following research priorities:
3.1 Optimised vehicle design (aerodynamics,
Optimalizovaná konstrukce vozidla
3.1weight,
technological feasibility)
í (aerodynamika,
hmotnost, technologičnost)
3.2 Chassis
management
(development,
h/wi s/w,
and
management
(vývoj h/w
3.2 Chassis
s/w, model based, adaptive strategy)
model -based a adaptivní strategie)
Implementace
silových
3.3
of inteligentních
smart power devices
and
3.3Implementation
new
designs
prvků
a nových
í
konstrukc of automatických
3.4Implementation
Implementace
funkcí
3.4
automatic functions
and a
intelligent
transportation
devices
prvků inteligentní
dopravy
3.5
concept
of vehicle
chassisvozidel
with advanced
Nové
koncepce
podvozků
s
3.5New
drive units
pokročilými hnacími
jednotkami
3.6 Internal
aerodynamics
and the
control
of zních
Vnitřní
aerodynamika
a řízení
provo
3.6operational
temperature,
cooling,
HVAC, ém,
teplot , chlazení,
HVAC,
výfuk.syst
exhaust
system,
filtering, akumulátory
lights, batteries
filtrace,
světlomety,
3.7 Parallel development of simulations and
in the course
of vehicle
Paralelní vývoj
simulací
a experimentu
3.7experiments
při vývoji
development
vozidla
2015
2020
2025
Fig. 7.1.3 - Time schedule for research subjects of priority in Area 3 – Vehicle Chassis
and Bodies (the names correspond to priorities 3.1 – 3.7 (abbreviated)
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 4.1
Electric and Electronic Equipment of Vehicles
The electric equipment of vehicles comprises more and more controls (power devices) that
make it possible to take advantage of mechanotronics with smart design elements. The
electronic equipment of the vehicle represents the “nerve system” of the car that extends to all
vehicle segments and integrates them by means of the vehicle network into one unit (in the
ideal case) with the distributed optimum control of its partial systems. Moreover, already
today communication networks overcome vehicle boundaries, as they make it possible to
contact infrastructure (GPS, e.g.) and other vehicles, as described in other parts of the IAP. In
addition to the electronization of the automobile control system it will be necessary to deal
with the current issues of electromagnetic compatibility, car “personalization” or the
increased introduction of smart devices, such as, e.g., vehicle lighting.
4.1
Research and development vehicle communication networks as to their reliability and
involvement of autonomous cooperating units in a hierarchic system.
4.2
Research and development of adaptive and predictive control of drive unit parameters,
particularly for advanced and hybrid vehicles, as well as of their chassis and means for
their fast calibration.
4.3
Research and development of integrated and hierarchic systems of vehicle control,
including automation of routine processes (such as filtering into the line of vehicles,
convoy driving, parking in a row of vehicles) and connection to the v2v, v2i and v2g
systems.
4.4
Research and development of the components of vehicle electric systems with a view of
reducing their input power and price, providing their robustness and high service
reliability for the entire service life of the vehicle (incl. electric devices in general –
sensors, control units, controls, the vehicle lighting, auxiliary drives and wiper systems
in particular) aimed at safety improvements, increase in energy performance, solution of
EMC problems and noise control.
4.5
Research and development of diagnostic devices and systems to ensure reliability of
integrated control systems with new power consumers.
4.1 Prediktivní řízení parametrů hnacích
jednotek (hybridní vozidla)
4.1 Predictive control of drive unit parameters
(hybrid vehicles)
4.2 Spolehlivost sdělovacích sítí
4.2 Communication network reliability
4.3 Systémy řízení vozidel, napojení na
4.3systémy
Vehicle
control
connection to
v2v,
v2i a systems,
v2g
the systems of v2v, v2i, v2g
optimalizaceofelektrických
prvků,
Celkováoptimization
4.44.4Overall
electric devices,
jako snímačů, řídicích jednotek a ovladačů.
i.e., sensors, control units, controllers
4.5 Spolehlivost a diagnostika integrovaných
4.5 Reliability and diagnostics of integrated
systémů řízení
control systems
2015
2020
2025
Fig. 7.1.4 - Time schedule for research subjects of priority in Area 4 – Electric and
electronic Equipment of Vehicles the names correspond to priorities 4.1 –
4.5 (abbreviated)
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 5.
ITS, Mobility and Infrastructure
Intelligent transportation systems (ITS) carry new and huge opportunities for automotive
technology and transport as well. In order those chances to be utilised in full, the provision of
system compatibility at least on the European, and better on the worldwide level shall be
essential. In fact, this target can be met only if necessary basic technical documents will be
established at the early period of system development on the high technical level, taking
account of their real applicability in the course of their gradual introduction into practice. As
the most of ITS functions require data to be gathered in operation (in order to be subsequently
evaluated and outputs transmitted to the system) such data collection should be assessed as
regards its legal and ethical aspects and made possible while maintaining the protection of
personal data.
With the view to supporting the development of mobility it will be appropriate to perform an
in-depth analysis of transportation steering taking account of the assumed development of
alternative drives, development of the technologies, social behaviour of the public (such as,
e.g., internet sale and purchase), the demo graphic tree, the expected requirements of goods
distribution services, etc. Any plan for the development of both the modularisation of
transport and power networks should be prepared taking the results of such analysis in due
consideration.
5.1 Complex development of the ITS.
5.2 Research of requirements, technology and construction of intermodal terminals
5.3 Development of unified communication standards applicable to practice
5.4 Unification of info-systems and other communication tools
5.5 Planning the development of infrastructure taking the assumed development of
alternative drives into consideration
5.6 Development and wider application of ITS after-market products for older vehicles and
the VRUs.
5.1 Application, development of ITS
5.2 Intermodal terminals
5.3 Development of communication
standards
5.4 Information system unification
5.5 Fuel infrastructure
5.6 ITS aftermarket products
Fig. 7.1.5 - Time schedule for research subjects of priority in Area 5 – ITS, Mobility and
Infrastructure
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 6.
The Use of Simulation and Virtual Techniques for R&D of Products in Automotive
Industry
6.1 Research into simulation techniques and virtual technology (VR) techniques for
parametric optimization of highly competitive products and their parts, with both the final
manufacturers and their sub-suppliers (in the SVA referred to as T8.7-1).
6.2 Research into simulation techniques and virtual technology (VR) techniques for
conceptual innovation of higher orders, with both the final manufacturers and their subsuppliers (in the SVA referred to as T8.7-2).
6.3 Research into virtual technology (VR) techniques for accelerating the preparation of the
stage of production within the entire chain of manufacturing companies, i.e., both the
manufacturers and suppliers (in the SVA referred to as T8.7-3).
6.4 Research of the use of VR techniques in the design of production lines (in the SVA
referred to as T8.7-4).
6.5 Research of applications for the proposal of “the Digital Plant” and the follow-up Smart
Plant” (in the SVA referred to as T8.7-5).
6.6 Development of the subjects of study/programmes in the field at the level of tertiary
education and lifelong education as well (in the SVA referred to as T8.7-6).
6.7 Research of VR techniques and their applications to the product (automobile) itself.
6.1 6.1 Parametrická optimaliz
Parametric optimization ace
e
6.2 6.2 Konceptuální optimalizac
Conceptual optimization
6.3 6.3 VR v přípravě výroby
VRs in production preparation
6.4 6.4 VR pro návrh lin
VRs for line design ek
6.5 6.5 Digitální továrny
Digital production plants
6.6 6.6 Studijní programy
Study programmes
6.7 VRs
in automobile
6.7 VR v automobilu
2015 2020 2025 Fig. 7.1.6 - Time schedule for research subjects of priority in Area 6 – The Use of
Simulation and Virtual Techniques for R & D of Products in Automotive
Industry
7. Materials and Production Processes
This priority subject matter is of general nature and complements the entire IAP with the
fields of general production engineering, which should not remain forgotten in connection
with the automotive industry. The following partial priorities are involved:
Implementation Plan of Actions of the Technological Platform „Vehicles for Sustainable Mobility“ 7.1
Research and development of advanced materials. High tensile steel sheets for hot
worked stampings, multifunctional material capable of electric power accumulation and
ceramic materials of very high (electric) insulation strength;
7.2 Application of modern methods for parting and joining various materials. Multipurpose
diode pumped solid state laser equipment for welding heterogeneous metallic materials,
methods for making bonded joints of metal/polymer composites subjected to stress.
7.3 Optimizing the production processes aimed at the production of automobiles. Production
modules fitted with a connection of plug and produce type and supply systems based on
the RFID with the use of IT networks.
7.4 Research and development of new methods for recycling and/or disposing off such new
multifunctional and composite materials.
7.1.7.1 Pokročilé materiály
Advanced materials
7.2 Modern methods of material
7.2 Moderní způsoby dělení materiálů
partition
7.37.3 Optimalizace výrobních procesů
Production process optimization
7.47.4 Recyklační a likvidační met
Methods of recycling and ody
disposal
2015
2020
2025
Fig. 7.1.7 - Time schedule for research subjects of priority in Area 7 – Materials and
Production Processes