Hybrydowe pojazdy użytkowe

Oba rozwiązania - zarówno szeregowy, jak i równoległy hybrydowy układ napędowy - są stosowane, a wyspecjalizowani dostawcy oferują różne ich konfiguracje.

Voith TurboSkrzynia Voith DIWAhybrid zblokowana z silnikiem

Voith DIWAhybrid

Niemiecka firma Voith jest dostawcą komponentów dla wielu gałęzi transportu i energetyki. W branży motoryzacyjnej jest znana przede wszystkim jako producent automatycznych skrzyń przekładniowych DIWA przeznaczonych do autobusów miejskich. Na bazie doświadczeń związanych z konstrukcją tych zespołów opracowano hybrydowy równoległy układ napędowy o handlowym oznaczeniu DIWAhybrid (połączenie najnowszej skrzyni DIWA.5 i silnika/prądnicy elektrycznej). W jednym zblokowanym zespole montowanym w układzie napędowym oprócz przekładni znajduje się również asynchroniczny silnik elektryczny o mocy 150 kW, który wspiera silnik spalinowy w czasie przyspieszania. W czasie hamowania silnik działa jak generator i odzyskuje wytracaną energię kinetyczną pojazdu. Jest ona przechowywana w baterii superkondensatorów, która składa się z pięciu 125-voltowych modułów. Pozwala to na zmagazynowanie 0,5 kWh energii. Wytwarzany w generatorze moment hamujący powoduje, że działa on jak zwalniacz w klasycznym układzie napędowym autobusu miejskiego.

Voith TurboSchemat połączeń hybrydowego, równoległego układu napędowego Voith DIWAhybrid

SolarisHybrydowy, równoległy układ napędowy Voith DIWAhybrid w autobusie Solaris Urbino 18 Hybrid

Co to jest zwalniacz?

Zwalniacz (retarder) jest urządzeniem hydraulicznym lub elektrycznym montowanym w układzie napędowym, które służy do zmniejszania prędkości pojazdu (poprzez wytwarzanie momentu hamującego) bez użycia układu hamulcowego. Jego zastosowanie zwiększa żywotność tarcz i klocków hamulcowych.

Voith TurboSolaris Urbino 18 Hybrid z układem Voith DIWAhyubrid

Układ napędowy DIWAhybrid zwiększa masę autobusu o 600 kg, z czego 410 kg stanowi bateria superkondensatorów. Tego typu układ napędowy zastosowano ostatnio w Solarisie Urbino 18 Hybrid, w którym pierwotnym źródłem energii jest niewielki silnik o zapłonie samoczynnym Cummins ISB o pojemności 6,7 l i mocy 184 kW (18-metrowy autobus przegubowy!!!). Wielkość i parametry silnika pokazują, w jakim zakresie zmniejsza się silnik. W standardowym Urbino 18 stosowany jest silnik o mocy 231 kW i pojemności skokowej 9,2 l.

Voith TurboElementy szeregowego, hybrydowego układu napędowego Voith ElvoDrive. U góry elektryczny silnik trakcyjny, poniżej generator, po prawej stronie system magazynowania energii wraz z falownikiem. System jest poddawany intensywnym testom w autobusach miejskich Scania, w których współpracuje z jednostką napędową o zapłonie samoczynnym zasilaną etanolem

Voith ElvoDrive

Voith dostarcza również szeregowe hybrydowe układy napędowe ElvoDrive, w których moc silnika spalinowego jest przekazywana na koła napędowe w pełni elektrycznie. Montowany na wale silnika spalinowego generator napędza silnik trakcyjny o mocy 175 kW. Szeregowy system ElvoDrive jest cięższy od swego równoległego brata i ma masę 800 kg (bez baterii akumulującej energię hamowania).

EatonHybrydowy układ napędowy Eaton HLA (skrzynia biegów z silnikiem

Wspólnym elementem obu systemów jest falownik (ang. inverter), czyli urządzenie zamieniające powstające w czasie hamowania napięcie stałe na zmienne o regulowanej częstotliwości. Zmiana częstotliwości pozwala na zmianę prędkości obrotowej silnika elektrycznego.

EatonPanel sterujący hybrydowego układu napędowego Eaton HLA

Eaton HLA

Inną firmą oferującą ciekawe układy hybrydowe jest amerykański Eaton, który także jest znanym dostawcą podzespołów układu przeniesienia napędu. Co ciekawe, obok układu elektromechanicznego firma ma w ofercie hydrauliczny, równoległy hybrydowy układ napędowy HLA (Hydraulic Launch Assist). System jest bardzo prosty w budowie i składa się z silnika hydraulicznego połączonego z kołami napędowymi, który w czasie hamowania zmienia się w pompę tłoczącą ciecz hydrauliczną pod wysokim ciśnieniem do jednego lub dwóch akumulatorów (w zależności od wersji systemu), skrzyni przekładniowej napędzającej silnik/pompę hydrauliczną i przekazującej moment obrotowy na koła oraz zbiornika i chłodnicy oleju hydraulicznego. Zakumulowane ciśnienie zasila silnik hydrauliczny w czasie przyspieszania. Według danych producenta, układ pozwala na odzyskanie około 70% energii hamowania.

EatonHybrydowy układ napędowy Eaton HLA w podwoziu śmieciarki

Hydrauliczny hybrydowy układ napędowy Eaton HLA podnosi masę pojazdu o niecałe 750 kg. W układzie hydraulicznym mieści się blisko 100 l płynu. Cały zestaw ma jednak spore wymiary, co wynika z gabarytów akumulatorów ciśnienia. Samochód musi mieć zatem odpowiednią ilość miejsca w ramie podwozia. Z tego powodu układ HLA może być stosowany w pojazdach o rozstawie osi min. 4900 mm (w przypadku pojedynczej osi napędowej) i 5500 mm (w przypadku wózka napędowego).

Według firmy Eaton, zastosowanie systemu hybrydowego HLA pozwala na zaoszczędzenie ponad 4500 l paliwa w ciągu roku eksploatacji, co stanowi oszczędność do 28% w stosunku do samochodu napędzanego wyłącznie silnikiem spalinowym. Dodatkową korzyścią jest zwiększenie przebiegów elementów eksploatacyjnych w mechanizmach hamulcowych (według producenta ponad 4-krotnie). Samochód zyskuje również na dynamice. W zależności od wyboru trybu pracy układu napędowego, przyspieszenie pojazdu poprawia się od 2 do 26%. Są to przykładowe wartości dla pojazdu komunalnego Peterbilt 320 o DMC blisko 29 t, eksploatowanego w cyklu stop&go (1000 zatrzymań i rozpędzeń dziennie).

SolarisSolaris Urbino 18 Hybrid i elementy układu napędowego GM-Allison Hybrid EP System (przetwornica napięcia DPIM oraz jeden z modułów akumulatorów)

Allison GM-Allison Hybrid EP

Kolejną firmą oferującą hybrydowe układy napędowe jest amerykański Allison, który jest także dostawcą automatycznych skrzyń przekładniowych znajdujących zastosowanie w różnych pojazdach specjalnych (np. pożarniczych). Hybrydowy układ napędowy GM-Allison Hybrid EP System jest przeznaczony do autobusów miejskich. System łączy w sobie zalety obu rodzajów hybrydowych układów napędowych (szeregowego i równoległego).

AllisonPrzekrój przez skrzynię biegów EV, hybrydowego układu napędowego GM-Allison Hybrid EP

Zasadniczym zespołem systemu jest przekładnia EV, z zewnątrz bardzo podobna do klasycznej skrzyni biegów (masa 417 kg). Oprócz przekładni automatycznej zespół zawiera 2 silniki elektryczne o mocy 75 kW każdy, które w czasie hamowania stają się prądnicami, odzyskując energię kinetyczną pojazdu. Skrzynia EV umożliwia sumowanie (blending) momentów obrotowych silnika spalinowego i elektrycznego. Silniki elektryczne mogą pracować w obu kierunkach w zakresie do 5000 obr./min. Odzyskiwana w procesie hamowania energia jest magazynowana w akumulatorach elektrochemicznych (niklowo-metalowo-wodorkowych). Składają się one z 3 połączonych równolegle modułów (624 V, 450 A). Masa baterii akumulatorów wynosi 437 kg. Istotnym elementem systemu GM-Allison Hybrid EP jest przetwornica (falownik) DPIM (Dual Power Inverter Module). Ważący 75 kg zespół składa się z dwóch modułów przetwornic AC/DC i DC/AC, oddzielnych dla każdego z silników elektrycznych. Moc ciągła urządzenia wynosi 160 kW, szczytowa jej wartość sięga 300 kW.

Praktycznie wszystkie wyżej wymienione hybrydowe układy napędowe (z wyłączeniem Eatona HLA) są oferowane w autobusach Solaris. Firma ma w ofercie 5 odmian autobusów hybrydowych, różniących się rodzajem zastosowanego układu napędowego. Oprócz wspomnianych, Solaris buduje również autobusy hybrydowe w oparciu o komponenty firmy Vossloh Kiepe.

Carrosserie HESSPrzyszłość komunikacji miejskiej - hybrydowy autobus szwajcarskiej firmy Hess wykorzystujący system Vossloh Kieppe. Silniki elektryczne napędzają 2 z 4 osi dwuczłonowego autobusu o długości 25 m

Vossloh Kiepe

Niemiecka firma Vossloh Kiepe oferuje szeregowy hybrydowy układ napędowy Kiepe PowerHybrid. Generator jest sprzężony z silnikiem spalinowym o zapłonie samoczynnym w formie zwartego zespołu. Moc generatora jest zależna od konkretnej aplikacji systemu i może sięgać nawet około 200 kW. Wytwarzane w generatorze napięcie jest kierowane do jednego (napęd jednej osi) lub dwóch (napęd dwóch osi w autobusach przegubowych) silników trakcyjnych o mocy 160 kW każdy. Masa pojedynczego silnika to 390 kg. Energia hamowania jest magazynowana w baterii superkondenstatorów o masie około 400 kg o napięciu do 700 V, zdolnej do zmagazynowania 0,5 kWh energii.

TataAutobus hybrydowy Tata Starbus CNG Hybrid

Hybryda gazowa

Bardzo ciekawym pojazdem hybrydowym, który został opracowany w Indiach, jest autobus miejski Tata Starbus CNG Hybrid. Zastosowano w nim pierwotne źródło energii w postaci silnika zasilanego sprężonym gazem ziemnym. Gazowa jednostka napędowa ma moc 169 kW. Silnik elektryczny dysponuje mocą 44 kW. Jest on zasilany z energii zgromadzonej bateriach litowo-jonowych o pojemności 11 Ah, które są w stanie zmagazynować 3,74 kWh. Paliwo gazowe jest zaś przechowywane w 9 zbiornikach (każdy o pojemności geometrycznej 80 l) zamontowanych na dachu pojazdu.

Podsumowanie

Rozwijanie technologii napędu hybrydowego, szczególnie w odniesieniu do ciężkich samochodów użytkowych, jest bardzo istotne, ponieważ to właśnie ich silniki wpływają w sposób znaczący na stężenie cząstek stałych w powietrzu naszych miast. Pomimo wielu zalet, pojazdy hybrydowe chyba jeszcze długo pozostaną w cieniu klasycznej (spalinowej) motoryzacji, choć wydaje się, że takie rozwiązanie układu napędowego jest idealne w eksploatacji miejskiej. Jeszcze bardziej odosobnionym rozwiązaniem pozostaje hybrydowy układ napędowy z silnikiem gazowym. Jako pierwotne źródło energii powszechnie używane są silniki o zapłonie samoczynnym. Gdyby jednak wykorzystywać silniki zasilane gazem (ziemnym - CNG - lub płynnym - LPG) efekt ekologiczny byłby jeszcze bardziej wymierny, ponieważ paliwa te spalają się przy praktycznie zerowej emisji cząstek stałych.