Hybrydowe układy napędowe

Niektórzy poddają w wątpliwość ideę wprowadzenia samochodów elektrycznych i jej ekologiczne przesłanki, promując nowoczesną technikę silnikową i napędy wykorzystujące gazowe paliwa alternatywne. Takie stanowisko reprezentuje, np. Fiat.

Jednak opinie przeważającej większości przedstawicieli branży kierują się w stronę elektrycznej motoryzacji. Nawet jeśli całościowa emisja spalin pojazdów elektrycznych nie jest najniższa, to i tak w miejscu gdzie samochód taki jest eksploatowany, czyli najczęściej w centrach miast wynosi ona 0, a to bardzo ważne dla nas, mieszkańców aglomeracji.

ToyotaToyota Prius stała się już synonimem samochodu hybrydowego. Ten produkowany od 1997 r. samochód doczekał się już 3 wersji i wykorzystuje szeregowo-równoległy, hybrydowy układ napędowy

Zanim jednak samochody elektryczne staną się powszechnością w na naszych ulicach na dobre zadomawiają się pojazdy hybrydowe (elektryczno-spalinowe), które stanowią być może będą stanowić etap przejściowy przed nadejściem ery pojazdów elektrycznych. Podobnie sytuacja wyglądała z zasilaniem silników tłokowych wodorem, dla których etapem przejściowym miały być jednostki napędowe zasilane CNG. Po wielu latach badań i dopracowaniu pewnych rozwiązań okazało się, że większość producentów włożyła rozwiązania związane z napędami wodorowymi do szuflady. Z hybrydami i pojazdami elektrycznymi może być nieco inaczej ponieważ liczba oferowanych tego typu samochodów stale się powiększa.

ToyotaKomora silnikowa Priusa trzeciej generacji nie odbiega od widoku znanego z samochodów napędzanych silnikami spalinowymi. Uwagę zwracają pomarańczowe przewody elektryczne, w których występuje wysokie napięcie (kilkaset V). Z tego powodu ich dotykanie jest zabronione

Idea wykorzystania hybrydowego układu napędowego

Wykorzystanie pełni możliwości silnika spalinowego, pod względem uzyskania minimalnego zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin wymaga pracy w zakresie prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego przy minimalnym przełożeniu w układzie napędowym. Wysiłki konstruktorów konwencjonalnych pojazdów skupiają się zatem na odpowiednim zaprojektowaniu przełożeń skrzyni biegów, przekładni głównej. Pomimo tego uzyskanie takich warunków pracy silnika, szczególnie w warunkach ruchu miejskiego jest praktycznie niemożliwe.

Klasyczny silnik spalinowy pracujący w pojeździe eksploatowanym w ruchu miejskim, charakteryzującym się dużą zmiennością obciążenia osiąga sprawność przeciętną na poziomie 10%, czyli około 4-krotnie niższą od maksymalnej, co objawia się podwyższonym poziomem zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin. Około 15-20% całkowitego zużycia paliwa można zaoszczędzić wykorzystując układ napędowy umożliwiający rekuperację (odzysk) energii kinetycznej pojazdu, która normalnie jest tracona przy hamowaniu. Dalsze oszczędności podnoszące oszczędności do 20-30% można uzyskać „zmuszając” silnik spalinowy do pracy w ustalonych warunkach (pod stałym obciążeniem). Układ napędowy wykorzystujący te rozwiązania określamy właśnie mianem hybrydowego.

Budowa i zasada działania hybrydowego układu napędowego

Hybrydowy układ napędowy ma co najmniej dwa źródła energii, pierwotne o dużej pojemności energetycznej (np. silnik spalinowy) i wtórne stanowiące akumulator energii odzyskiwanej przy hamowaniu, która w klasycznym układzie napędowym jest rozpraszana w postaci ciepła w mechanizmach hamulcowych. Odzysk energii hamowania jest jedną z

Politechnika RzeszowskaSchematy podstawowych rodzajów hybrydowych układów napędowych

najważniejszych cech hybrydowego układu napędowego. Odzyskana energia musi zostać dostarczona do kół jezdnych, zatem w hybrydowym układzie napędowym znajduje się jeszcze jeden silnik, zasilany z akumulatora gromadzącego energię hamowania. Konstrukcja i zasada działania tego silnika jest wymuszona przez rodzaj zastosowanych akumulatorów. Obecnie, praktycznie wyłącznie, stosowane są akumulatory elektrochemiczne, w samochodach użytkowych (autobusach) pojawiają się także superkondensatory, zatem drugim silnikiem w układzie napędowym jest elektryczna jednostka napędowa.

Zgromadzona w akumulatorach energia, odzyskiwana w czasie hamowania jest wykorzystywana w czasie przyspieszania. Pozwala to zmniejszyć moc źródła pierwotnego (silnika spalinowego) o około 35%, co bezpośrednio wiąże się z mniejszym zużyciem paliwa i emisją szkodliwych składników spalin.

Rozróżniamy hybrydowe układy napędowe z szeregowym lub równoległym przepływem mocy oraz ich różne mutacje, np. układ szeregowo-równoległy.

Szeregowy układ hybrydowy (spalinowo-elektryczny) charakteryzuje się tym, że cała energia pierwotnego źródła energii (silnika spalinowego) jest zamieniana na elektryczną (w generatorze elektrycznym), a ta dopiero kierowana do kół jezdnych napędzanych silnikiem elektrycznym. W czasie hamowania elektryczny silnik napędowy staje się prądnicą (pojawia się moment hamujący), a wytworzona w tym czasie energia elektryczna jest gromadzona w akumulatorach elektrochemicznych. Jeśli zapotrzebowanie na moc w układzie napędowym przekracza parametry silnika spalinowego, jej niedobór jest pokrywany z akumulatorów. Gdy silnik spalinowy pracuje z wyższą mocą niż wynika z oporów ruchu nadwyżka jest wykorzystywana do ładowania akumulatorów.

Równoległy układ hybrydowy (spalinowo-elektryczny) działa w ten sposób, że tylko część energii silnika spalinowego zostaje przetwarzana na elektryczną (do ładowania akumulatorów). Znacznie większa część energii jest kierowana bezpośrednio do kół napędowych.

ToyotaBezstopniowa skrzynia przekładniowa Priusa (CVT) integruje w sobie także silnik eleketryczny i prądnicę

Przeniesienie napędu

Dostarczenie energii odzyskiwanej z hamowania do kół napędowych w czasie rozpędzania, zachowując przy tym przepływ mocy z silnika spalinowego komplikuje nieco układ napędowy pojazdu, zmniejsza się sprawność przeniesienia napędu. Jest to jednak rekompensowane z nawiązką przez kilkukrotny wzrost sprawności silnika spalinowego, który pracuje pod stałym obciążeniem, pomimo zmieniającego się obciążenia na kołach napędowych. W czasie przyspieszania pojazdu silnik spalinowy o mniejszej mocy jest wspomagany przez energię zgromadzoną w akumulatorze. Hamowanie z wykorzystaniem odzysku energii zwiększa trwałość mechanizmów hamulcowych, które są wykorzystywane sporadycznie.

Przekładnie

Praca silnika spalinowego w hybrydowym układzie napędowym w warunkach stałego obciążenia wymusza stosowanie przekładni zapewniających płynną zmianę przełożenia w bardzo szerokim zakresie bez przerywania przepływu mocy. Dzięki temu możliwa jest zmiana prędkości poruszania się pojazdu. Zapewnienie ciągłej zmiany przełożenia w tradycyjnej przekładni mechanicznej jest dość trudne, wymaga zastosowania bardziej skomplikowanych zespołów. Najlepiej w hybrydowym układzie napędowym sprawdzają się przekładnie zapewniające płynną zmianę przełożenia.

ToyotaBateria akumulatorów stosowana w Priusie

Rodzaje akumulatorów

Największą barierą w rozwoju hybrydowych układów napędowych był sposób magazynowania energii odzyskiwanej w procesie hamowania. Nie od dziś wiadomo, że z uwagi na sprawność przemiany najbardziej racjonalnym jest zastosowanie akumulatorów elektrochemicznych. Niestety do niedawna efektywne magazynowanie energii elektrycznej nie było możliwe. Akumulatory elektrochemiczne były bardzo ciężkie i zgromadzenie w nich odpowiedniej ilości energii pochłaniało znaczną część ładowności pojazdów, co było szczególnie uciążliwe w samochodach osobowych. Dopiero ostatnie lata i postęp w dziedzinie konstrukcji akumulatorów (różne rodzaje akumulatorów litowo-jonowych) spowodował spopularyzowanie hybrydowych układów napędowych. Nie wyeliminowano jednak podstawowej wady akumulatorów elektrochemicznych, którą jest ich ograniczona trwałość. Po kilku latach eksploatacji wymagają one wymiany.

SolarisAutobus Solaris Urbino Hybrid w wersji Vossloh Kiepe jest wyposażony w baterie litowo-fosforowe oraz superkondensatory. Autobus ma również złącze zewnętrznego ładowania plug-in

Obecnie, szczególnie w autobusach, do magazynowania energii stosuje się specjalne kondensatory o dużej pojemności, które umożliwiają odbieranie dużych porcji energii w bardzo krótkim czasie, co w dużych pojazdach użytkowych jest bardzo istotne.

VolvoJednym ze sposobów akumulacji energii w autobusach hybrydowych było wykorzystanie akumulatorów kinetycznych. Pojazdy takie były określane mianem żyrobusów. Energia hamowania napędzała ciężkie wirniki akumulatora kinetycznego. Rozpędzony wirnik o dużej masie łączony z układem napędowym w czasie ruszania oddawał energię, napędzając pojazd. Schemat pokazuje budowę układu napędowego żyrobusu Volvo, w którym do przekazywania energii w układzie napędowym zastosowano hydraulikę: 1- pompa hydrostatyczna o zmiennej wydajności, 2- silniki hydrostatyczne, 3- zestaw zaworów, 4- sterownik elektroniczny, który steruje pracą silnika spalinowego. Poniżej 20 km

We wcześniejszych latach rozwoju napędów hybrydowych eksperymentowano również z innymi rodzajami akumulatorów energii. Stosowano, np. akumulatory kinetyczne, w których magazynowano energię kinetyczną. Obrotowe krążki o dużej masie i bezwładności rozpędzano w czasie hamowania pojazdu do wysokich prędkości obrotowych (przez połączenie wirującej masy z układem napędowym). Połączenie rozpędzonej masy z układem napędowym w czasie ruszania dawało możliwość odzysku zgromadzonej w „kole zamachowym” energii kinetycznej.

Innym rodzajem akumulatorów są akumulatory hydrauliczne, magazynujące energię w postaci ciśnienia cieczy. Układ napędowy składa się wtedy z silnika spalinowego i zamocowanej na wale pompy hydraulicznej, która wytwarza ciśnienie napędzające silniki hydrauliczne umieszczone na moście napędowym lub bezpośrednio w kołach napędowych. W czasie hamowania silniki hydrauliczne zamieniają się w pompy, które wtłaczają ciecz hydrauliczną pod wysokim ciśnieniem do akumulatorów. W czasie rozpędzania pojazdu ciecz pod wysokim ciśnieniem jest kierowana z akumulatorów do silnika (silników) hydraulicznych zamontowanych na moście lub bezpośrednio w kołach.

Tego typu akumulatory (kinetyczne i hydrauliczne) mają tę przewagę nad elektrochemicznymi, że ich trwałość jest praktycznie nieograniczona. W przypadku akumulatorów elektrochemicznych po określonej liczbie cykli rozładowania i ładowania ich pojemność spada na tyle, że nie nadają się one do dalszego użytkowania.

Podsumowanie

Hybrydy z pewnością są bardzo dobrym rozwiązaniem dla transportu publicznego, miejskiej dystrybucji, ponieważ pozwalają na ograniczenie kosztów eksploatacji taboru, tym bardziej, że jest on użytkowany wyłącznie w warunkach ruchu miejskiego, kiedy hybrydowy układ napędowy ma szansę wykazania swoich możliwości. Czy jednak osobowe samochody hybrydowe, eksploatowane zwykle w cyklu mieszanym, przy swoim skomplikowaniu i kosztach zakupu rozpowszechnią się bardziej, szczególnie na naszym rynku, gdzie dużą popularnością cieszą się znacznie tańsze (nawet w wykonaniu fabrycznym) i dające dużo większe oszczędności samochody zasilane gazem? Chyba nie.