Dodavatelské řetězce selhávají. Texas, Oklahoma, Aljaška – žádný z těchto regionů nemůže produkovat dostatek ropy, aby uspokojil americký apetit. Své ekonomiky budují také Čína a Indie. Poptávka převyšuje nabídku. Ceny stoupají. Vzduch houstne. Cítíte to na benzínce.
Průmysl reaguje technologickými řešeními. Vodíkové palivové články produkují pouze vodní páru. Biopaliva spalují rostlinné materiály. Elektromobily (EV) spoléhají na dobíjecí baterie. Hybridy kombinují benzínové motory s elektromotory. Hybridnímu segmentu dominuje Toyota Prius. Poskytuje palivovou účinnost. Snižuje úroveň znečištění. Ale není dokonalý. Problémem je hmotnost baterií. Také degradace baterie.
Existuje i jiný způsob. Americká agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) a různí výrobci testují hydraulické hybridy. Používají principy podobné elektrickým hybridům. Odmítají těžké baterie. Používají lehké komponenty. K řízení vozu při nízkých rychlostech používají čistou kapalinu.
Jak to funguje? Je to životaschopné? Podíváme se na mechaniku, srovnání a současný stav hydraulické hybridní technologie.
Diesel: špinavá alternativa
Alternativní palivo obvykle znamená neropné zdroje. Motorová nafta této definici odporuje. Vyrábí se z ropy. Ale je méně rafinovaný než benzín. Obsahuje více energie na galon. Výsledkem je vynikající spotřeba paliva.
Mercedes-Benz a další výrobci vyvinuli dieselové motory s čistým spalováním. Snižují emise. Emise nafty jsou špinavější než emise benzínu kvůli nižší úrovni čištění. Problémem jsou uhlíkaté částice. Účinnost však zůstává vysoká. Toto zůstává životaschopnou možností pro konkrétní případy použití.
Jak fungují hydraulické hybridy
Hydraulické hybridy ukládají energii ve stlačeném vzduchu nebo tlaku kapaliny. Elektromotor funguje jako startér a generátor zároveň. Pohání hydraulické čerpadlo. Čerpadlo vytváří tlak kapaliny. Kapalina akumuluje energii v tlakovém akumulátoru (akumulátoru).
Když vůz zrychluje, akumulovaný tlak pohání hydromotor. Tento motor pomáhá spalovacímu motoru. Při brzdění systém zachycuje kinetickou energii. V kapalině opět vytváří tlak. Jedná se o regenerativní brzdění. Ale bez baterií.
Tlakový akumulátor je lehký. Rychle se nabíjí. Časté zastavování a startování zvládá lépe než baterie. Baterie se časem degradují. Hydraulické akumulátory mají delší životnost co do počtu cyklů. Lépe snášejí extrémní teploty. Lithium-iontové baterie v chladu ztrácejí kapacitu. Hydraulické systémy – ne.
Srovnání: hydraulické a elektrické hybridy
Elektrické hybridy využívají vysokonapěťové baterie. Jsou těžké. Vyžadují komplexní tepelný management. Obsahují toxické látky. Jejich zpracování je náročné.
Hydraulické hybridy nahrazují akumulátor tlakovým akumulátorem. Systém je lehčí. Komponenty jsou jednodušší. Služba je levnější. Kapalina je čistá. Nevyplavuje se do půdy jako některé chemikálie z baterií.
Účinnost se liší. Elektrické hybridy jsou efektivní při vysokých dálničních rychlostech. Hydraulické hybridy vynikají v městském prostředí. Dobře se vyrovnávají s náhlými zrychleními. Účinně rekuperují energii při brzdění. Kompromisem je dosah. Elektrické hybridy mají delší elektrický dojezd. Hydraulické hybridy mají kratší dojezd pouze na elektřinu. Více se spoléhají na motor.
Aktuální aplikace
Kdo používá hydraulické hybridy? Tato technologie se zatím pro sedany pro cestující nerozšířila. Používá se v silně zatížených prostorách. Městské autobusy těží z častých zastávek. Vysokozdvižné vozíky používají ke zvedání hydraulické systémy. Princip je škálovatelný.
Výrobci experimentují. Některá prototypová vozidla využívají k jízdě po městě hydraulickou energii. EPA hodnotí tyto systémy, aby splňovaly emisní normy. Cílem je snížit znečištění. Zlepšená účinnost paliva. Snížené náklady.
Tato technologie není všelék. Má omezení. Výkonová rezerva
Výhoda hybridů při nízkých rychlostech
Elektromotory ve standardních hybridech mají svá omezení. Jsou lehké a účinné v provozu, ale postrádají točivý moment, aby poháněly auto ve vysokých rychlostech. To je důvod, proč většina hybridních pohonných jednotek přechází na benzinový motor, když rychlost dosáhne 20 až 30 mph. Pod touto hranicí přebírá veškerou práci elektromotor, který výrazně snižuje spotřebu paliva a emise. To však není jediný způsob, jak využít ztracenou energii. Hydraulické hybridy nabízejí mechanickou alternativu, která zcela obchází elektřinu.
Jak hydraulické hybridy ukládají energii
Namísto lithium-iontových baterií se hydraulické systémy spoléhají na zákony dynamiky kapalin. Konstrukce obsahuje tři hlavní komponenty: nízkotlakou nádrž, čerpadlo a vysokotlaký akumulátor. Klíčovou roli hraje baterie. Obsahuje zásobu kapaliny spolu se stlačeným dusíkem. Při brzdění se kinetická energie neodvádí jako teplo, jako u běžného automobilu. Místo toho tato síla pohání čerpadlo. Čerpadlo čerpá kapalinu ze zásobníku do baterie. Jak se tlak uvnitř systému zvyšuje, nabíjí se a simuluje stav plně nabité elektrické baterie.
Přímý pohon: obcházení elektromotoru
Zde se ukazuje rozdíl od elektrických hybridů. Standardní hybridní pohon přenáší výkon na elektromotor, který následně otáčí hnací hřídel. Hydraulické hybridy zcela vylučují elektromotor. Stlačený dusík v baterii uvolňuje svou energii přímo do převodovky. Tato mechanická síla otáčí hnací hřídel a zrychluje vůz. Jak čerpadlo nabírá rychlost, mění směr a vrací kapalinu zpět do zásobníku. Tento cyklus připraví systém na obnovení energie při příštím brzdění. Toto je uzavřená smyčka. Jednoduchý. Efektivní. Žádný elektromotor, který by zatěžoval podvozek.
“Obejití elektromotoru pomáhá zachovat jeho účinnost.” — Mechanický přímý pohon eliminuje ztráty při přeměně energie, které jsou součástí elektrických systémů.
Princip sodovky
Představte si, že třepete lahví sody. Tlak se zvyšuje, dokud není nutné jej uvolnit. Hydraulické hybridy fungují na stejném principu. Místo toho, aby systém všude rozprašoval sycenou kapalinu, směruje tento tlak na nápravy. Převodovka spojuje převodovku s hnacími koly a přeměňuje tlak plynu na pohyb. Eliminací mezikroku elektrifikace systém snižuje počet dílů, které mohou během přenosu selhat nebo ztratit energii.
Nevýhody humbuku kolem hybridů
Jsou hybridy (benzín/elektrika) ideálním řešením? Ne nutně. Přestože spalují méně paliva, vytvářejí nové problémy. Přidání baterií a elektromotorů zvyšuje hmotnost vozidla. Těžší stroje vyžadují více energie k pohybu, což může vyvážit některé výhody účinnosti. Likvidace baterií navíc zůstává logistickým a ekologickým problémem. Toxické materiály obsažené v těchto prvcích vyžadují specializované zacházení, které mnoho komunit nedokáže zvládnout.
Existuje také aspekt chování. Pruhy pro vozidla s více cestujícími (HOV) byly vytvořeny za účelem snížení kongescí podporou spolujízdy. Mnoho měst umožňuje hybridním řidičům s jedním cestujícím používat tyto pruhy. To vytváří zvrácenou motivaci. Hybridní řidič sám v takovém jízdním pruhu stále vypouští škodliviny, i když v menším množství než auto pouze na benzín. Tím získává časovou výhodu určenou pro vozidla s více cestujícími. Mezitím benzínová auta s několika lidmi uvíznou v běžném provozu. Výsledek? Hybridní řidiči spěchají vpřed, zatímco skuteční spolucestující čekají. Na míli může být méně znečištění, ale snižuje se efektivita silničního provozu. Tato technologie není všelék. Je to prostě jiný druh kompromisu.
Paralelní systémy se montují přímo na standardní převodovku a hnací hřídel. Je to docela jednoduché. Ale je tu nuance. Spalovací motor se nikdy úplně nevypne. To běží naprázdno. Spotřebovává palivo, když jste na semaforu. Na rozdíl od benzínově-elektrických hybridů, které vypínají motor kvůli úspoře paliva, paralelní hydraulické hybridy udržují benzínový motor v točení, takže může pomáhat při prudké akceleraci.
Cena tohoto kompromisu je vysoká. Získáte přibližně 40procentní zlepšení účinnosti paliva. To je významný ukazatel. Technologie však zůstává především v odvětví těžkých nákladních vozidel. Pod kapotou běžného osobního auta pro denní ježdění ho nenajdete.
Výhoda sekvenčního obvodu
Sekvenční hydraulické hybridy jdou jinou cestou. Úplně opouštějí tradiční převodovku a hnací hřídel. Výkon je přenášen z motoru na hydraulické čerpadlo a poté přímo na kola. Méně součástí znamená méně energie ztracené třením a teplem.
Tato konstrukce umožňuje úplné vypnutí benzínového motoru, když se vozidlo nepohybuje. Kola se otáčejí výhradně díky hydraulickému tlaku nahromaděnému v akumulátoru. Výsledek? Spotřeba paliva se zvyšuje o 60 až 70 procent. Emise jsou odpovídajícím způsobem sníženy. Matematika je jednoduchá: méně běžícího motoru znamená méně odpadu.
Proč UPS?
Možná se divíte, proč si americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) vybrala ke spolupráci s nimi společnosti UPS a Eaton Corporation spíše než hlavního výrobce osobních automobilů. Odpověď spočívá v provozních funkcích. Hydraulické hybridy fungují nejlépe v podmínkách provozu zastavujících se a rozjíždět se. Přesně takhle fungují kurýrní dodávky. Často se zastavují. Často se začnou hýbat. Většinu dne tráví v nízkých otáčkách, kde by jinak motor zbytečně běžel naprázdno.
V roce 2005 EPA oznámila pilotní program zahrnující nákladní vozidla UPS vybavená sekvenčním hydraulickým hybridním pohonem. Nejsou to koncepční vozy. Vypadají jako běžné dodávky UPS. Ale pod povrchem sekvenční hydraulický pohon dělá těžké zvedání. Benzínový motor plní hydraulický systém. Hydraulika tlačí dodávku dopředu. Motor spí, zatímco dodávka jede.
Maximální realizace potenciálu
Pochopení tohoto rozdílu je klíčové. Paralelní systémy poskytují mírné zisky s minimálními strukturálními změnami. Sekvenční systémy poskytují ohromnou efektivitu, ale vyžadují zásadní přepracování hnacího ústrojí. U vozidel s vysokým kilometrovým nájezdem, stop-and-go, jsou sekvenční hybridy jasným vítězem. Ve všech ostatních případech je tato technologie stále v plenkách. Hlavní otázka není, jestli to funguje. Otázkou je, zda jsme připraveni opustit tradiční přenos.
Proč EPA vsadila na těžká nákladní vozidla a ne na sedany
Zní to kontraintuitivně. Vidíte obrovský nákladní vůz UPS a říkáte si: „Proč takový systém nenasadit do Priusu? Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) podpořila vývoj sériového hydraulického hybridu v roce 2005, ale ne pro potěšení z pohledu na hydraulický výkon v kompaktním sedanu. Udělali to kvůli zácpě.
Hydraulické hybridy na otevřené silnici nevynikají. Jakmile dosáhnete rychlosti 65 mph, stanou se běžnými auty. Jejich kouzlo se projevuje v dopravních zácpách. Zde se projevují výhody standardního hydraulického systému. Zcela vypne motor a funguje pomocí akumulovaného hydraulického tlaku. Zastávka. Start. Zastávka. Start. Tento cyklus je klíčem k úspoře paliva.
Nákladní vozy UPS žijí v tomto režimu. Pomalu se pohybují městskými centry. Po dálnicích jezdí jen zřídka. Jsou neustále nečinní, zatímco řidiči klepou na dveře nebo čekají na balíčky. V typickém dieselovém nákladním vozidle se při volnoběhu plýtvá palivem a uvolňuje znečišťující látky. U hydraulického hybridu motor „spí“. Vozík zůstává pod napětím, ale výfuk zůstává tichý.
Jsou zde také úspory z rozsahu. Jednoprocentní snížení emisí u malého auta je zanedbatelný rozdíl. Totéž pro těžký nákladní automobil, který ročně najede tisíce kilometrů, je měřitelný rozdíl. Výhody nejsou jen teoretické. Měří se v galonech ušetřeného paliva.
Rozdíl v účinnosti: hydraulické a elektrické hybridy
Čísla jsou zde strohá. Standardní benzinovo-elektrický hybridní vůz rekuperuje asi 30 procent energie ztracené při brzdění. A co hydraulický hybrid? Zachycuje 70 procent této energie. Proč je v tom takový rozdíl? Cesta, kterou energie prochází. Elektrické hybridy posílají brzdnou energii přes elektromotor a do baterie. V každé fázi dochází ke ztrátám konverze. Hydraulické systémy zachycují tuto energii přímo a ukládají ji jako stlačenou tekutinu bez přechodné elektrické přeměny.
EPA odhaduje, že tato účinnost snižuje emise CO2 o 40 procent ve srovnání s běžnými nákladními vozy UPS. To má významný vliv na vozový park. Jeden kamion může ušetřit 1000 galonů paliva ročně. Během životnosti vozidla mohou úspory údržby a nižší náklady na palivo pro UPS vygenerovat až 50 000 USD na nákladní vozidlo. Další výhodou je menší údržba ve srovnání s plyno-elektrickou jednotkou. Hydraulické komponenty jsou lehké. Používají jednoduchou mechaniku. Nevyžadují složité systémy správy baterií ani protokoly o likvidaci toxických chemikálií.
Ale je tu jedno „ale“. Obrovský.
Problém s rádiem
Hydraulický hybridní sedan v místním autobazaru neuvidíte. Žádná velká automobilka ho neplánuje vyrábět. Důvodem není strojírenství. Je to otázka pohodlí. Toto je vaše autorádio.
Moderní auta jsou elektrické rozbočovače. Rádio, klimatizace, multimediální obrazovka, elektrická okna – to vše je napájeno baterií. V typickém autě nabíjí alternátor tuto baterii za chodu motoru. Pokud vypnete motor, baterie se vybije. Nechat rozsvícená světla? Zůstanete bez pomoci.
Benzinovo-elektrické hybridy řeší tento problém použitím přídavných baterií. Udržují elektroniku v chodu, když motor zhasne na červenou. Hydraulické hybridy tuto přídavnou baterii nemají. Energie je uložena mechanicky nebo hydraulicky, spíše než jako elektrický náboj, v baterii připravené k připojení k síti.
V paralelně hydraulickém hybridu se motor nikdy nevypne. Generátor proto dál napájí rádio. Žádný problém. Ale sériový hydraulický hybrid? Toto je nejúčinnější verze. Během zastávek se motor vypíná. Bez dalších baterií pro uložení nabití se rádio vypne. Klimatizace se zastaví. Navigátor zhasne.
To je normální u dodávkového vozu. Řidič se nestará o to, že rádio při zastavení ztichne. Pro spotřebitele sedícího v dopravní zácpě je to nepřekonatelná překážka. Chcete zábavu. Chcete klimatizaci. Sériový hydraulický hybrid toho nemůže dosáhnout bez přidání hmotnosti a složitosti, které se snaží vyhnout. Je to obtížně prodejný produkt americkým kupujícím, kteří očekávají, že jejich auto bude mobilním obývacím pokojem, i když stojí.
Technologie tedy čeká. Efektivní. Silný. Ale ticho.
