magazyn motoryzacyjny
Strona główna Artykuły Nowości Galerie Newsletter O serwisie
kontakt reklama mapa strony
znajdujesz się w: Strona główna » Artykuły » Samochody hybrydowe - jak działają

 
Artykuły
Technika samochodowa

Samochody hybrydowe - jak działają

Spis treści artykułu:

Samochody hybrydowe w zamyśle miały niwelować większość znanych wad silnika spalinowego. Od dawna wiadomo, że silnik spalinowy cechuję się niską sprawnością przy małych obciążeniach, a najwyższą sprawność ma przy pełnym lub prawie pełnym obciążeniu. W praktyce oznacza to, że gdy użytkujemy samochód w delikatny sposób, czyli przyspieszamy w miarę łagodnie i nie jeździmy szybko, silnik jest niewiele obciążony i pracuje w sposób mało efektywny. Oczywiście, zużycie paliwa jest niższe niż przy dynamicznej i szybkiej jeździe, ale wynika to z niskiego zapotrzebowania na energię z silnika, a nie z jego wysokiej sprawności. Nie można jednak w samochodzie zastosować silnika, który będzie nadawał się tylko do oszczędnej jazdy, czyli taki który przy spokojnej jeździe będzie wymagał używania 100% pedału przyspieszenia. Nasz samochód musi przecież posiadać rezerwy mocy, choćby po to by czasem kogoś wyprzedzić lub jechać szybko autostradą. Problemem jest więc stworzenie wysokosprawnego samochodu wyposażonego w silnik spalinowy.

W odpowiedzi na ten kłopot wysunięto tezę zbudowania samochodu hybrydowego. Pojazd taki łączy w sobie dwa źródła napędu, które wzajemnie się wspomagają. Najłatwiej jest to omówić na przykładzie najczęściej stosowanym, jakim jest połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. W rzeczywistość silnik elektryczny samochodu hybrydowego jest maszyną elektryczna, która zazwyczaj pełni rolę silnika oraz generatora energii elektrycznej. Zalet wynikających z połączenia silnikiem spalinowym jest wiele. Do napędu samochodu możemy zastosować mniejszy, bardziej sprawny silnik spalinowy, ponieważ przy dużych obciążeniach (np. przyspieszaniu) będzie on wspomagany przez silnik elektryczny. Natomiast przy małych obciążeniach, np. wolna jazda ze stałą prędkością, silnik elektryczny może pracować jako generator, dodatkowo obciążając silnik spalinowy. Wyższe obciążenie sprawia, że silnik spalinowy jest bardziej sprawny, natomiast zgromadzona nadwyżka energii trafia do akumulatorów i może zostać wykorzystana później.

Cała tajemnica efektywnego działania napędu hybrydowego polega na najbardziej optymalnym ustawieniu współpracy pomiędzy silnikami elektrycznym i spalinowym. Zastosowana w samochodzie maszyna elektryczna posiada jeszcze jedną wielką zaletę. W przeciwieństwie do silnika spalinowego, hamując silnikiem/generatorem elektrycznym możemy spowalniać samochód równocześnie gromadząc energię do akumulatorów. W przypadku samochodu wyłącznie z napędem spalinowym, cała ta energia została by rozproszona w otoczeniu poprzez gorące hamulce. Dodatkowo, małą zaletą napędu hybrydowego, jest też mniejsze zużycie klasycznych hamulców. Zastosowanie w samochodzie silnika-generatora elektrycznego wymaga zastosowania odpowiednio dużych i wydajnych akumulatorów. Obecnie, za najlepsze akumulatory uważa się akumulatory litowe, a konkretnie litowo-polimerowe. Akumulatory tego typu cechuje duża pojemność oraz gęstość magazynowania energii, czyli ich masa i objętość jest nieduża. Ponadto baterie tego typu dobrze znoszą częste częściowe ładowania i rozładowywania oraz mogą być produkowane w różnych kształtach dobrze wpasowując się w konstrukcję samochodu.

Wizja zastosowania napędu hybrydowego od dziesięcioleci towarzyszyła przemysłowi motoryzacyjnemu. Zastosowanie tego typu napędu wymagało opracowania wielu nowych technologii i przezwyciężeniu wielu problemów, wśród których chyba największym była wysoka cena. Pierwszą firmą, której udało się stworzyć masowo produkowany samochód hybrydowy jest Toyota, która w 1997 roku wprowadziła do sprzedaży pierwszą generację modelu Prius. Dziś można powiedzieć, że samochód ten wyprzedzał swoją epokę. Samochód nie sprzedawał się w wielkich ilościach, ale jak na tak nietypowy pojazd w owych czasach, jego sprzedaż i tak była sukcesem. W 2003 roku Toyota przedstawiła Priusa drugiej generacji, który okazał się rynkowym hitem idealnie pasującym do proekologicznej mody zachodnich cywilizacji. Toyota podjęła ogromne ryzyko inwestując ogromne środki w rozwój technologii hybrydowej. Osiągnięty sukces wymusił na pozostałych koncernach motoryzacyjnych próbę dogonienia jej w dziedzinie napędów hybrydowych.

Dziś praktycznie każdy koncern motoryzacyjny ma w swojej ofercie samochody hybrydowe. Nawet jeśli ich poziom sprzedaży jest marginalny, modele hybrydowe są konieczne ze względów wizerunkowych. Toyota obecnie oferuję Prius trzeciej generacji, który jest bezpośrednią kontynuacją modelu z 1997 roku. Koncernowi udało się objąć absolutne prowadzenie na rynku napędu hybrydowego oferując trudną do zliczenia liczbę samochodów hybrydowych zarówno pod marką Toyota jak i Lexus.

Samochody hybrydowe można klasyfikować według różnych kryteriów. W okresie gdy samochody te zaczęły pojawiać się na rynku ich klasyfikacja zależała głównie od stopnia zaawansowania ich napędu. Samochody dzielono w tedy na tzw. mild hybrid (łagodna hybryda) oraz full hybrid. Te pierwsze zazwyczaj posiadały stosunkowo słaby silnik elektryczny, który tylko wspomagał silnik spalinowy. Jako samochody full hybrid uważano te, w których silnik elektryczny mógł również samodzielnie napędzać samochód. Obecnie większość samochodów hybrydowych wyposażona jest w napęd typu full hybrid.

Kolejnym rodzajem podziały napędów hybrydowych jest sposób połączeniu dwóch źródeł napędu. Rozróżnia się 3 podstawowe typy: napęd równoległy, szeregowy i mieszany. Typowy hybrydowy napęd równoległy polega na podłączeniu maszyny elektrycznej na przedłużeniu wału korbowego silnika spalinowego. Dalej w układzie napędowym jest skrzynia biegów i mechanizm różnicowy, czyli tak jak w klasycznym samochodzie. W przypadku tego typu napędu, oba silniki połączone są mechanicznie z kołami napędowymi i istnieje możliwość napędu samochodu wyłącznie silnikiem spalinowy lub elektrycznym oraz możliwość napędu dwoma silnikami równocześnie. W przypadku hybrydowego napędu typu szeregowego, silnik spalinowy podłączony jest do generatora energii elektrycznej, który zasila akumulatory oraz silnik elektryczny napędzający samochód. W tym przypadku silnik spalinowy nie jest połączony mechanicznie z kołami napędzanymi i do napędu samochodu zawsze używany jest silnik elektryczny. Trzecim i najczęściej stosowanym napędem jest tzw. mieszany napęd szeregowo-równoległy. Taki rodzaj napędu zastosowany jest w np. w Toyocie Prius. W tym przypadku silnik spalinowy połączony jest poprzez przekładnię sumującą (np. przekładnię planetarną) z dwiema maszynami elektrycznymi (każda z nich jest silnikiem i generatorem elektrycznym). Takie połączenie pozwala w najbardziej optymalny sposób wykorzystać zalety napędu hybrydowego. W swojej istocie działania jest jednak dość złożone i dokładny opis jego działania jest wart osobnego artykułu.

Poza powszechnie stosowanymi hybrydowymi napędami spalinowo-elektrycznymi, samochód hybrydowy można zbudować w oparciu o inne źródła napędu. Prowadzono prace badawcze z napędami spalinowo-hydraulicznymi oraz spalinowo-pneumatycznymi. Duży potencjał jest widziany również w kinetycznym napędzie hybrydowym z zastosowaniem wirujących mas. Tego typu napęd znamy z Formuły 1, czyli tzw. system KERS.

W teorii samochody hybrydowe miały stać się lekarstwem na większość wad silnika spalinowego. W rzeczywistości napędy hybrydowe przyniosły wiele zalet, ale obarczone są również wadami. Pierwszą i prawdopodobnie największą wadą jest koszt samochodów hybrydowych. Na ich wysoką cenę składa się to że posiadają praktycznie wszystkie elementy samochodu standardowego i dodatkowo wszystkie elementy hybrydowe. Wśród tych elementów najwyższym kosztem są akumulatory. Obecnie najlepszym rozwiązaniem technicznym są akumulatory litowo-polimerowe. Każdy samochód wyposażony jest w co najmniej jeden silnik elektryczny oraz sterowanie elektroniczne, które jest bardzo skomplikowane ze względu na dużą moc jaka jest sterowana oraz wymagana wysoka precyzja sterowania.

Koleją wadą tego typu pojazdów jest potrzeba wygospodarowania przestrzeni na akumulatory i co za tym idzie, ubytek przestrzeni użytecznej samochodu. Z technicznego punktu widzenia największą wadą jest wzrost masy samochodu. Ciężkie akumulatory oraz silnik elektryczny stanowią dodatkowe opory ruchu, które obniżają sprawność poruszania się takim samochodem. Najgorszym przypadkiem jest długa jazda autostradowa, gdy energia elektryczna zakumulowana zostanie całkiem wykorzystana. W tym momencie cała infrastruktura hybrydowa samochodu jest tylko niepotrzebnym balastem zwiększającym zużycie paliwa. Czyni to samochód hybrydowy kompletnie nieopłacalnym przy jeździe z dużą prędkością na długi dystansie, ograniczając sens jego stosowania wyłącznie do jazdy miejskiej.

Samochody hybrydowe mają wielu entuzjastów. Jednak przez specjalistów branży samochodowej napęd hybrydowy uważany jest za krok pośredni pomiędzy klasycznymi samochodami z silnikami spalinowymi, a samochodami napędzanymi w pełni elektrycznie. Wzrost ilości samochodów typu plug-in hybrid jest tylko jednym z dowodów na to, że samochody hybrydowe powoli zmierzają w stronę samochodów elektrycznych. W hybrydzie typu plug-in akumulatory można ładować na postoju samochodu, np. z domowego gniazdka. Samochód taki posiada również całą infrastrukturę hybrydową, wraz z silnikiem spalinowym. Silnik ten jednak nie musi być często używany, ponieważ poruszając się na krótkich dystansach między ładowaniami, możemy używać wyłącznie silnik elektryczny. W takiej konfiguracji dostępna jest np. najnowsza Toyota Prius. Podobne funkcje posiadają siostrzane samochody Opel Ampera i Chevrolet Volt. Producent tych samochodów nazywa je samochodami elektrycznymi o przedłużonym zasięgu, a nie hybrydowymi. Prawdą jest, że samochody te jednak mają dwa źródła napędu i w rzeczywistości bliżej im do samochodu hybrydowego niż elektrycznego.

Nową tendencją w napędach hybrydowych jest również stosowanie silnika diesla jako spalinowego źródła napędu, np. Citroen DS5. W przeszłości napęd hybrydowy częściej łączny był z silnikami benzynowymi, które są przede wszystkim o wiele tańsze od nowoczesnych silników diesla. Inną przyczyną jest fakt, że silniki diesla cechuje wysoka sprawność nawet przy częściowych obciążeniach, przez co zastosowanie napędu hybrydowego nie przynosi tak dużych korzyści co w przypadku silnika benzynowego.

REKLAMA
pozostałe artykuły:
Samochody elektryczne - jak działają
Napędy hybrydowe
i elektryczne - klasyfikacja
Jak działa turbodoładowanie
Porsche 959
Co to jest moc i moment obrotowy
Opel Insignia OPC
Dwusprzęgłowe skrzynie biegów
Lancer Evolution X
Common rail - zasada działania
Audi Quattro
Rodzaje napędów 4x4
Chiptuning diesela
treść zawarta na stronie jest własnością serwisu Magazyn Motoryzayjny; wszelkie prawa zastrzeżone ©
poznaj samochód