Pojazdy i napędy hybrydowe

Pojazd hybrydowy to posiada co najmniej(zazwyczaj) z dwoma napędami. Jednym z pierwszych pojazdów hybrydowych był rower parowy zbudowany w 1873 roku we Francji. Do tego samego gatunku zalicza się bardzo popularne kilkadziesiąt lat temu motorowery i rowery z pomocniczymi silnikami spalinowymi. Obecnie napęd hybrydowy w motoryzacji kojarzy się głównie z pojazdami spalinowo-elektrycznymi. Spalinowe gdyż jest najbardziej rozpowszechnionym źródłem napędu a elektryczne cechują się cichobieżnością i łatwością zamontowania w pojeździe (silnik elektryczny nie wymaga stosowania przekładni ani sprzęgła, można go nawet wbudować bezpośrednio w koło napędowe) bardzo dynamiczna charakterystyka pracy, brak jakichkolwiek spalin.
Podstawowa i nie dająca się wyeliminować wada(na dzien dzisiejszy) wszelkich napędów hybrydowych wynika z samej koncepcji wykorzystywania dwóch rodzajów energii do tego samego celu w obrębie jednego pojazdu. Gdy używany jest tylko jeden, drugi stanowi uciążliwy balast. W hybrydowych pojazdach spalinowo-elektrycznych taką barierą jest mała pojemność akumulatorów w stosunku do ich masy i wielkości. Pokonanie tej podstawowej wady napędu elektrycznego uczyniłoby napęd spalinowy (uciążliwy dla środowiska naturalnego i oparty na nieodnawialnych źródłach energii) całkowicie zbędnym. Tak samo eliminacja obecnych ekonomicznych i ekologicznych niedostatków silników spalinowych osłabiłaby znacznie zainteresowanie konstruktorów napędem elektrycznym w każdej jego postaci. Główną zaletą i równocześnie powodem stosowania napędów hybrydowych jest możliwość wzajemnego uzupełniania się nieusuwalnych na danym etapie rozwojowym niedoskonałości dwóch konkurujących ze sobą odmiennych rodzajów napędów.
Samochodowe napędy hybrydowe pojawiły się jako teoretyczna koncepcja i jednostkowe konstrukcje eksperymentalne już w początkowych czasach motoryzacji. Jednak umieszczenie w jednym podwoziu dwóch całkowicie niezależnych, a nawet wzajemnie sobie przeszkadzających układów napędowych nie dawało jeszcze wtedy żadnych pożytków. Racjonalne pomysły do praktycznego zastosowania koncepcji hybrydowej pojawiły się znacznie później. Elektryczny pojazd hybrydowy posiada dwa źródła energii. Najczęściej stosowane kombinacje tych źródeł to: ogniwa paliwowe, turbiny gazowe, silniki ZS, ZI w układach hybrydowych z kołami zamachowymi, bateriami (akumulatorami) oraz ułtrakondensatorami. W hybrydach elektrycznych występują dwa rodzaje systemów układu napędowego w pojeździe hybrydowym; układ szeregowy oraz układ równoległy.
Do najważniejszych zalet szeregowego połączenia silnika spalinowego z elektrycznym można zaliczyć to, że:
• silnik spalinowy nie pracuje na biegu jałowym (zmniejszenie emisji związków toksycznych),
• silnik spalinowy pracuje w optymalnym zakresie ,
• niektóre rozwiązania szeregowe nie potrzebują przekładni
Niewątpliwie do rozważań nad wprowadzeniem napedów hybrydowych do pojazdów przyczyniło się kilka faktów, mianowicie:
• Zwiekszające się zanieczyszczenie środowiska poprzez emisję spalin. Dany problem ekologiczny można skutecznie rozwiązywać wyłącznie drogą eliminacji lub znacznego ograniczenia emisji spalin ;
• Warunki ruchu w miastach stały się przyczyną bardzo marnotrawnej gospodarki energią i nieuzasadnionej emisji spalin podczas częstej i długotrwałej pracy silnika na biegu jałowym
• W konstrukcjach samochodów spalinowych coraz większą rolę zaczęły odgrywać rozmaite urządzenia wykorzystujące energię elektryczną
• Pojawiła się konieczność wyposażenia spalinowych silników pojazdów w znaczne rezerwy mocy
Inżynierowie od jakiegoś czasu starają się tworzyć coraz to nowsze technologie umożliwiające możliwie jak najlepsze rozwiązanie tych czterech aspektów. Dzisiejsze pojazdy z napędami hybrydowymi(spalinowo-elektryczne) pozwalają częściowo zmieniać i zaspakajać powyższe okoliczności. Pozwalają bowiem na:
• Wykorzystywać napęd elektryczny pojazdu w miastach i strefach o zwiększonych wymogach ochrony środowiska bez charakterystycznego dla trakcji akumulatorowej ograniczenia zasięgu na pozostałych obszarach
• Integrować z napędem elektrycznym i tak nieodzowne przy trakcji spalinowej prądnice i rozruszniki o coraz większych mocach, gabarytach i masach
• Ograniczyć maksymalną moc silników spalinowych, przechowując niezbędne jej rezerwy w akumulatorach elektrycznych i wykorzystywać je przez okresowe sumowanie mocy obydwu napędów
• Eksploatować silniki spalinowe wyłącznie w optymalnym pod względem ekonomicznym zakresie ich pracy
• Odzyskiwać w znacznej części energię kinetyczną pojazdów, wytrąconą w trakcie ich hamowania
Obecnie eksperymenty z napędami hybrydowymi prowadzone są przez wszystkich liczących się w światowej konkurencji producentów samochodów osobowych. Efekty w postaci bardzo zaawansowanych już prototypów i egzemplarzy z próbnej serii można oglądać na międzynarodowych pokazach i targach. Firmy Toyota i Honda uruchomiły już nawet wielkoseryjną produkcję swych hybrydowych modeli. Obydwie firmy zmierzają do bardzo zbliżonych rozwiązań. Dlatego konstrukcje modeli Toyota Prius uznać można w znacznym stopniu za typową. Toyota Prius jest pierwszym samochodem seryjnie produkowanym z napedem hybrydowym. Poza hybrydowym układem napędowym pojazd ten nie ma żadnych istotnych cech odróżniających go od tradycyjnego komfortowego, czterodrzwiowego samochodu osobowego z pełnym wyposażeniem służącym czynnemu i biernemu bezpieczeństwu jazdy. Przeciętne są też jego osiągi: prędkość max. 160 km/h, przyśpieszenie od 0 do 100 km 13,4 sekundy. Znacznie niższe od przeciętnego jest natomiast eksploatacyjne zużycie paliwa (5,1 litra na 100 km) i emisja toksycznych składników spalin w przeliczeniu na kilometr trasy testowej (CO-0,63 g, HC-0,05 g, NOx-0,05 g). Spalinowy czterocylindrowy silnik Priusa o pojemności 1500 cm 3 rozwijają moc 53 kW przy 4500 obr/min. Silnik ten napędza elektrycznie sterowana prądnica, która zależnie od aktualnych potrzeb może służyć do ładowania baterii akumulatorów, zasilania silnika elektrycznego lub jako rozrusznik silnika spalinowego. Silnik o mocy 33 KW i prędkości obrotowej regulowanej w zakresie od 400 do 5600 obr/min jest połączony stała przekładnią redukcyjną i mechanizmem różnicowym z napędzanymi kołami pojazdu. Wspomaga on silnik spalinowy w momentach większego zapotrzebowania mocy, bądź zastępuje całkowicie w warunkach jazdy miejskiej. Elektryczne sprzężenie silnika spalinowego z kołami pojazdu (przez prądnicę i silnik elektryczny) zastępuje z powodzeniem automatyczną bezstopniową skrzynkę przekładniową dzięki elektronicznemu sterowaniu i regulacji wszystkich elementów układu napędowego. Mikroprocesorowa jednostka sterująca samoczynnie ustala:
• Optymalne zużycie paliwa i emisji spalin zakres pracy silnika benzynowego
• W danym momencie moc obydwu silników i proporcji ich udziału w napędzie pojazdu
• Okresy pracy silnika spalinowego niezbędnej dla naładowania akumulatorów
Podobnie działa późniejsza nieco hybrydowa konstrukcja modelu Honda Insigh. Trzycylindrowy silnik spalinowy ma pojemność zaledwie 1000 cm3, ale dzięki instalacji bezpośredniego wtrysku benzyny i spalaniu ubogich mieszanek odznacza się stosunkowo dużą mocą 68 KM i rewelacyjnie niskim zużyciem paliwa – 3,4 litra na 100 km. Przy równoczesnym działaniu obydwu napędów ich łączna moc wzrasta do 76 KM. Sam bez szczotkowy szeregowy silnik elektryczny dysponuje mocą 14 KM wystarczającą z powodzeniem do poruszania pojazdu w przeciętnych warunkach ruchu miejskiego. Jest on połączony bezpośrednio z wałem korbowym silnika spalinowego, więc może pracować także jako jego rozrusznik elektryczny lub prądnica do ładowania 144-voltowej baterii akumulatorów niklowych, których łączna masa wynosi zaledwie 20 kg. Do ładowania akumulatorów, wykorzystywana jest również energia kinetyczna pojazdu w trakcie jego hamowania silnikiem elektrycznym, działającym wówczas jako prądnica. Napęd na koła przekazywany jest za pośrednictwem 5-stopniowej skrzyni manualnej. Także w tej konstrukcji współpraca silników i ładowanie akumulatorów, sterowane są specjalnym układem mikroprocesorowym. Lekka budowa całego samochodu (aluminiowe nadwozie) pozwala przy niewielkim zużyciu energii rozwijać prędkość max do 180 km/h i przyśpieszać w 12 sekund od 0 do 100 km/h. W hybrydowym samochodzie Citroen Xsara Dynactive układ napędowy ma bardzo podobną konstrukcję, z tą różnicą, że zamiast skrzyni manualnej stosowana jest automatyczna skrzynia Autoactive. Moc silnika spalinowego o pojemności 1,42 dm3 wynosząca 75 KM może być w razie potrzeby wspomagana w każdym zakresie pracy przez silnik elektryczny o mocy 25 KW, wykorzystywany też jako prądnica i rozrusznik pracujący w systemie stop – start (samoczynne wyłączenie i włączenie silnika spalinowego). Dość duży i ciężki akumulator umieszczony pod podłogą składa się z 14 baterii 12 V (łączne napięcie 168 V) i umożliwia korzystanie wyłącznie z napędu elektrycznego w zasięgu 20 km. Odmienne funkcje i rozwiązania konstrukcyjne cechuje napęd hybrydowy prototypowego modelu Renault Koleos. Ma to być samochód terenowy 4x4, więc dla wyeliminowania skomplikowanych mechanizmów rozdziału napędu pomiędzy obie osie silnik elektryczny o mocy 30 KW napędza w nim koła tylne, a spalinowy (Z) Turbo 2.0 16VI o mocy 170 KM -przednie. Do magazynowania energii elektrycznej służą baterie akumulatorów litowo-jodowych. W ruchu miejskim wykorzystywany jest tylko napęd elektryczny, na szosach i autostradach wyłącznie spalinowy, a w trudnym terenie – obydwa równocześnie. Prototypy hybrydowych samochodów przeznaczonych do transportu miejskiego ekologiczny autobus ECB (Environmental Concept Bus) i ciężarówkę ECT (Environmental Concept Truck) opracowali konstruktorzy szwedzkiego koncernu Volvo. W obu pojazdach napęd hybrydowy składa się z turbiny gazowej zintegrowanej z generatorem wysokoobrotowym (110 KW, 70000 obr./min) oraz akumulatorów i silnika elektrycznego. Turbina może być napędzana prawie każdym rodzajem paliwa płynnego lub gazowego. Akumulatory niklowo-wodowej zapewniają zapas energii na 25 km, autobusowi zaś na około 12 km, co pozwala wyeliminować emisję spalin. Akumulatory rozładowane do 20 % pojemności uzyskują 80 procentowe naładowanie już po 20 minutach pracy generatora. Oba pojazdy mają nadwozia wykonane z aluminium.

Pojazdy hybrydowe są tylko przejściowym rozwiązaniem w dziedzinie ochrony środowiska. Myślę ze napędy hybrydowe zanim zostaną dość powszechne to będą już wypierane przez bardziej ekologiczne napędy wodorowe. Już trwają prace nad takimi pojazdami wykorzystującymi wodór jako paliwo(istnieje kilka prototypów: np. BMW serii 7, autobus „MAN) NG313 H”. Samochody(pojazdy) hybrydowe jeszcze przez dłuższy czas będą w cieniu samochodów spalinowych. Jest to spowodowane faktem iż pojazdy hybrydowe są o wiele droższe w wykonaniu od spalinowych a po zatem osiągi takich hybryd na dzień dzisiejszy nie są rewelacyjne(można powiedzieć przeciętne). Lecz z drugiej strony zwiększająca się degradacja środowiska poprzez emisje spalin oraz wysokie i wciąż rosnące ceny paliw będą(są) znacznym impulsem ku rozwojowi technologi napędów przyjaznych dla środowiska i kieszeni użytkownika.
Źródło:
- Wykłady z CŚT
- John Appleby - Elektrochemiczne silniki samochodowe, Świat Nauki, 9/1999
- http://www.sm.md4.pl/wodor.htm
- http://autoswiat.redakcja.pl/archiwum/artykul.asp?Artykul=4662
- http://www.zss.radom.pl/buls001.html
- http://www.hybryda.host.sk/v.php?tekst=historia.txt
- http://www.toyota.com.pl/u235/navi/98512/... – foto i dane techniczne Toyoty Prius
- link do internetowej strony z danymi Hondy Insigh gdzieś przepadł