Cena benzínu nám sáhla do kapsy. Díváte se na měřidlo, pak na palubní desku a přemýšlíte, zda není čas vyměnit vaše současné auto za auto, které spotřebuje méně paliva. Můžete se také obávat o svou uhlíkovou stopu, ale představa zapojování auta každou noc se zatím zdá jako příliš velký problém.
Na scénu přichází hybridní auto.
Zaujímá ten velmi nepříjemný střed. Než ale odepíšete spalovací motor nebo podepíšete leasing na elektromobil, musíte porozumět mechanikám. Jak hybrid přidá 20-30 mpg ke svému dojezdu z nádrže? Znamená lepší spotřeba paliva skutečně čistší emise? A kde do této rovnice zapadají propojené modely?
Rozebíráme anatomii těchto strojů. Podíváme se, jak tato technologie funguje, a co je neméně důležité, jak byste měli s autem řídit, abyste z něj vytěžili maximum.
Benzín vs elektřina: zásadní rozdíl
Benzín-elektrický hybrid je kompromisem. Je to most mezi spolehlivostí plynové nádrže a okamžitým točivým momentem elektromotoru. Abyste pochopili tento most, musíte porozumět břehům, které spojuje.
Běžné auto na benzín je jednoduché. Plynová nádrž dodává benzín do spalovacího motoru. Motor otáčí převodovkou. Převodovka roztáčí kola. Je to jednoduché.
Elektrické vozidlo (EV) je navrženo jinak. Spoléhá na baterii. Baterie dodávají elektřinu elektromotoru. Motor otáčí převodovkou. Převodovka roztáčí kola. Žádné spalování. Žádné výfukové plyny.
Hybrid se snaží mít to nejlepší z obou světů. Zachovává plynovou nádrž pro dojezd a pohodlí. Přidává elektrický pohon pro zlepšení účinnosti a snížení emisí. Cílem je dostat vás do cíle, aniž byste museli neustále zastavovat pro benzín, a zároveň snížit vinu na životním prostředí.
Pod kapotou: anatomie hybridu
Hybridy nejsou jen benzínový motor s malou baterií. Jedná se o složité systémy. To je to, co řešíte.
Benzínový motor : Toto je srdce tradiční části. Hybridní motory jsou však obvykle menší než jejich nehybridní protějšky. Používají pokročilé technologie ke spalování paliva čistěji a efektivněji. Menší výtlak často znamená menší tření a lepší tepelnou účinnost.
Nádrž na plyn : Toto je zařízení pro uchovávání energie pro benzínový motor. Benzín má ve srovnání s bateriemi obrovskou energetickou hustotu. Pro srovnání, skladování stejného množství energie obsažené v jednom galonu (3,8 litru) benzínu vyžaduje přibližně 1 000 liber (454 kg) baterií. Tento hmotnostní rozdíl vysvětluje, proč hybridy jednoduše nenahradí motor baterií; potřebují oba zdroje.
Elektrický motor : Tato zařízení jsou složitá. Nejsou to jen motory. Pokročilá elektronika jim umožňuje měnit role. Když potřebujete zrychlit, fungují jako motor a čerpají energii z baterií, aby popohnaly vůz vpřed. Když uvolníte plynový pedál nebo sešlápnete brzdu, fungují jako generátor. Tento proces, známý jako regenerativní brzdění, zachycuje kinetickou energii, která by se jinak ztratila jako teplo, a vrací ji do baterií.
Generátor : Podobný motoru, ale vyrábí pouze elektřinu. Nejčastěji ho najdete u sériových hybridů. Přeměňuje mechanickou energii z benzínového motoru na elektrickou energii pro nabíjení baterií nebo pohon elektromotoru.
Baterie : Ukládají energii pro elektromotor. Na rozdíl od plynové nádrže, která dodává energii pouze benzínovému motoru, je bateriový systém obousměrný. Elektromotor z něj může odebírat energii a rekuperační brzdový systém může energii vracet zpět.
Převodovka : Tato část se velmi liší. Některé hybridy, jako je Honda Insight, používají konvenční pohonné jednotky, které vypadají a působí povědomě. Jiní, jako Toyota Prius, používají radikálně odlišné konstrukce, jako je plynulá převodovka (CVT) nebo e-CVT, která nemá vůbec žádné pevné převody.
Paralelní hybridy: nejběžnější schéma
Většina hybridů, které vidíte na silnici, jsou paralelní hybridy. Název popisuje tok síly.
Máte nádrž na benzín, která napájí benzínový motor. Máte baterie, které pohánějí elektromotor. Oba zdroje energie mohou otáčet převodovkou současně. Pracují paralelně.
Toto schéma poskytuje flexibilitu. V nízkých otáčkách zvládne veškerou práci elektromotor. Ve vysokých otáčkách přebírá řízení benzínový motor. Při prudké akceleraci mohou být oba zapojeny současně, aby byl zajištěn maximální točivý moment. Převodovka jednoduše posílá kombinovaný výkon na kola.
Sériové hybridy: generátorový cyklus
Sériové hybridy fungují jinak. Méně časté jsou u sériově vyráběných osobních automobilů, ale jsou běžné u velkých nákladních automobilů a autobusů.
V sériovém hybridu benzinový motor nikdy přímo nepohání kola. Místo toho roztočí generátor. Tento generátor vyrábí elektřinu. Elektřina buď nabíjí baterie, nebo pohání elektromotor. Tento elektromotor je jedinou součástí, která pohání převodovku.
Představte si benzínový generátor uvnitř auta. Motor pracuje při stabilní, efektivní rychlosti a vyrábí elektřinu, která pak pohání trakční motor. Benzínový motor je odpojen od kol. To umožňuje motoru častěji pracovat v zóně maximální účinnosti bez ohledu na to, jak rychle se vůz pohybuje.
Proč zvolit jednu možnost před druhou? Paralelní hybridy mají tendenci být efektivnější při vysokých rychlostech, protože mohou zcela obejít elektromotor. Sekvenční hybridy excelují v dopravních zácpách, protože eliminují neefektivitu řazení a volnoběhu.
Technologie se stále vyvíjejí. Plug-in hybridy (PHEV) přebírají tento základ a přidávají větší baterii, kterou lze nabíjet z externí zásuvky. To umožňuje delší dojezd pouze na elektrický pohon, čímž se stírá hranice mezi hybridním a elektrickým pohonem. Ale základní principy zůstávají stejné: zachycovat energii, skladovat ji a rozumně ji využívat.
Zde je systém navržený tak, aby minimalizoval ztráty. Pokaždé, když šlápnete na brzdu, máte šanci dobít. Každá minuta volnoběhu je šancí ušetřit palivo. Ale to, jak řídíte, je stále důležitější než hardware. Na to se podíváme příště.
Základní princip hybridu je jednoduchý, ale hluboký: můžete výrazně snížit zdvihový objem benzinového motoru, protože nemusí dělat všechno těžké. Konvenční automobily vyžadují velké, žíznivé motory, aby produkovaly okamžitý točivý moment potřebný k rychlé akceleraci. Hybridy tento problém obcházejí. Používají menší, lehčí součásti, méně válců a nutí spalovací motor pracovat blíže k bodu maximální účinnosti při vysokém zatížení.
Výsledkem je elektrárna, která palivo využívá hospodárně, než aby ho hltala.
Proč malé motory spalují méně paliva
Vše závisí na fyzice a setrvačnosti. Masivní motor V-8 je těžký. Pokaždé, když zrychlíte nebo vyjedete do kopce, plýtváte energií na přesun mrtvé váhy. Těžší písty a klikové hřídele vyžadují více energie pro vratný pohyb ve válci.
Pak dochází k posunu. Větší válce vyžadují více paliva na zdvih. Více válců znamená více spalování, i když auto běží na volnoběh nebo se pomalu plazí v provozu. To je důvod, proč dvě auta stejného modelu, ale s různými možnostmi motoru, vykazují dramaticky odlišné hodnoty spotřeby paliva (mpg).
Na dálnici musí oba motory produkovat stejné množství výkonu, aby udržely rychlost. Menší motor však spotřebuje méně této síly k překonání vlastního vnitřního tření a hmotnosti. Veškerá zbývající energie jde výhradně na pohyb vozu.
Jak získat dostatek energie z malého motoru
Jak tedy malý hybridní motor drží krok se silným autem? Porovnejte Chevrolet Camaro s jeho masivním motorem V-8 s typickým hybridem. Motor Camara je přehnaný pro jízdu. Je určen pro špičkové zatížení – tedy okamžiky, kdy sešlápnete plynový pedál k podlaze. V praxi většina řidičů využívá špičkový výkon motoru méně než jedno procento času.
Hybridy dimenzují své benzinové motory na průměrné požadavky na výkon, nikoli na špičkové. Benzínový motor dobře zvládá dálniční jízdu. Když ale potřebujete splynout s provozem na dálnici nebo vystoupat do strmé hory, malý motor si řekne o pomoc.
Tuto asistenci zajišťuje elektromotor a vysokonapěťová baterie. Systém se okamžitě spustí a poskytne přebytek točivého momentu, který malý benzínový motor postrádá. Toto je předání štafety. Benzínový motor odvádí stabilní práci a elektromotor trhanou práci.
Zlepšete spotřebu paliva 5 různými způsoby
Kromě výměny motoru používají hybridy řadu technik účinnosti. Některé z nich jsou univerzálními vylepšeními pro všechny vozy, jiné jsou specifické pro hybridní architekturu.
1. Rekuperace energie a uložení do baterie
Brzdění je v podstatě proces ničení energie. Kinetická energie se přeměňuje na teplo brzdovými destičkami. Toto teplo se rozptýlí do atmosféry a navždy zmizí. Hybridy zachycují část této ztracené energie.
Elektromotor díky rekuperačnímu brzdění mění svou roli. Namísto využití energie baterie k roztočení kol funguje jako generátor. Motor odolává otáčení kol, zpomaluje vůz a současně dobíjí baterii. Získáte zpět energii, která by jinak byla promarněna.
2. Někdy se motor vypne
Proč spalovat palivo, když se nehýbete? Hybrid se spalovacím motorem má alternativu: elektromotor. Na semaforech nebo v hustém provozu dokáže systém zcela vypnout benzínový motor. Žádný volnoběh. Žádné plýtvání palivem. Elektromotor podporuje chod pomocných jednotek a připravuje vůz k pohybu.
3. Použití aerodynamiky ke snížení odporu
Jízda po dálnici je boj s odporem vzduchu. Aerodynamický odpor spotřebovává většinu výkonu vozu při vysoké rychlosti. Tento odpor lze snížit minimalizací čelní plochy. SUV tlačí mnohem větší objem vzduchu než sportovní auto.
Hybridy se často vyznačují hladkými spodními panely, uzavřenými podběhy kol a úzkými vůlemi karoserie. Tyto části řídí proudění vzduchu, snižují turbulence a odpor vzduchu. Není to jen o vzhledu; hlavní je klouzat vzduchem s minimálním odporem.
4. Používejte pneumatiky s nízkým valivým odporem
Standardní pneumatiky jsou kompromisem. Upřednostňují jízdní komfort, snížení hluku a přilnavost na mokru před účinností. Deformace pneumatiky však vytváří valivý odpor, což je forma odporu, která spotřebovává palivo.
Hybridy používají specializované pneumatiky s nízkým valivým odporem. Jsou tužší a fungují při vyšším tlaku. To snižuje energetické ztráty způsobené deformací pneumatiky. Kompromisem je pevnější jízda, ale úspora paliva je skutečná.
5. Použití lehkých materiálů
Hmotnost je nepřítelem efektivity. Lehčí auto vyžaduje méně energie ke zrychlení a menší námahu při stoupání do kopců. Hybridi často používají lehké materiály, aby shodili přebytečná kila. Hliník, hořčík a někdy kompozity z uhlíkových vláken nahrazují těžší ocelové a plastové komponenty. Nižší hmotnost znamená lepší spotřebu paliva.
Jedná se o holistický přístup. Každý ušetřený gram, každý snížený aerodynamický odpor, každý joule získané kinetické energie se sčítá. Benzinový motor je jen špičkou ledovce. Zbytek je komplexní hra fyziky a elektroniky, jejíž všechny prvky jsou navrženy tak, aby vás rozpohybovaly a přitom vynaložily co nejméně energie.
Otázkou není, zda hybridy fungují. Otázkou je, zda jsme ochotni smířit se s tím, že způsob, jakým jsme jeli celé století, je zásadně neefektivní.
Planetová převodovka v srdci systému
Zapomeňte na tradiční automatické nebo manuální převodovky. Uvnitř Priusu není žádná spojka, která by mohla prokluzovat, žádný měnič točivého momentu, který by vyhledával blokování, a žádné body řazení, které by bylo cítit. Místo toho Toyota skryla celou architekturu hnacího ústrojí do jedné těsné mechanické jednotky: jednotky rozdělování výkonu. To je v podstatě srdce hybridního systému.
To není jen chytrý doplněk. Jedná se o planetové soukolí, které fyzicky propojuje benzinový motor, generátor (motor G) a trakční elektromotor (motor A) do jediné neoddělitelné jednotky.
Zařízení pro sdílení výkonu umožňuje, aby vozidlo fungovalo současně jako paralelní hybrid, sériový hybrid a převodovka s plynule měnitelným převodem (CVT).
Technické řešení se zde vyznačuje přísnou jednoduchostí, ale brilantním provedením. Upevněním těchto tří součástí na konkrétních místech planetového soukolí Toyota eliminovala potřebu samostatného startéru. Motor se spouští generátorem. Toto řešení také eliminuje potřebu řadicí páky, měniče točivého momentu nebo tradiční skříně převodovky. Výsledkem je pohonná jednotka, která působí beztížně.
Jak planetové převodovky řídí tok energie
Abyste pochopili, jak to funguje, musíte se podívat na geometrii ozubených kol. Standardní planetové soukolí má tři hlavní pohyblivé prvky: centrální kolo, planetová kola (která se otáčejí na planetovém unašeči) a věnec. V konfiguraci Prius jim jsou přiděleny specifické role.
Benzínový motor je přímo připojen k centrálnímu kolu. Toto je vstupní prvek. Když se motor otáčí, pohání centrální kolo, které zase tlačí planetová kola.
Převodovka je připojena k elektrickému trakčnímu motoru. Je ale také přímo spojen s hlavní převodovkou. To znamená, že rychlost ozubeného věnce určuje rychlost kol. Rychlost, kterou se elektromotor a ozubené kolo otáčí, určuje, jak rychle auto jede.
Nosič je místo, kde je namontován generátor.
Toto uspořádání vytváří jedinečný matematický vztah mezi těmito třemi složkami. Otáčky centrálního kola (motor), ozubeného věnce (kola/motor) a unašeče (generátoru) jsou pevně spojeny převodovými poměry. Nelze změnit jedno nastavení, aniž by to ovlivnilo ostatní.
Sériové a paralelní režimy: Rozhodnutí o rozdělení
Toto mechanické spojení umožňuje vozidlu plynule přepínat mezi provozními režimy hybridního systému bez jakéhokoli přerušení dodávky energie.
V sekvenčním režimu běží benzínový motor konstantní rychlostí, aby vyráběl elektřinu. Motor otáčí centrálním kolem. Nosič (generátor) se otáčí a generuje energii, která nabíjí baterii nebo pohání trakční motor. Elektrický motor pak otáčí ozubeným věncem, aby poháněl kola. Motor nemá přímé mechanické spojení s koly. Funguje pouze jako generátor.
V paralelním režimu poskytuje zážehový motor přímou mechanickou sílu kolům prostřednictvím planetové převodovky. Motor otáčí centrálním kolem, které současně pohání unašeč a věnec. Elektrický motor může tomuto toku energie pomáhat nebo mu bránit, aby obnovil energii.
Zařízení pro sdílení výkonu umožňuje, aby auto fungovalo jako paralelní hybrid: elektromotor může pohánět auto sám, benzinový motor může pohánět auto také sám, nebo mohou pohánět auto společně.
Ale také umožňuje, aby vůz fungoval jako sériový hybrid. Benzinový motor může pracovat nezávisle na rychlosti vozidla, nabíjet baterie nebo dodávat energii kolům podle potřeby.
Mechanický základ systému se opírá o specifickou konstrukci ozubeného převodu. Generátor je připojen k centrálnímu kolu a motor je připojen k nosiči (planetární hnací hřídel). Rychlost ozubeného věnce určuje výkon, což znamená, že všechny tři komponenty musí být neustále koordinovány. Nemohou pracovat izolovaně.
Zrychlení začíná elektřinou. Počáteční tlak zajišťují elektromotor a baterie. Protože je ozubené kolo připojeno k motoru, začne se okamžitě otáčet. Nosič zůstává nehybný. Motor je vypnutý, takže řidič je nehybný. Ale ozubený věnec se pohybuje. To způsobí, že se planetová kola otáčí, což zase otáčí centrálním kolem a generátorem. Generátor se otáčí rychlostí potřebnou k udržení motoru vypnutý.
Motor startuje až při rychlostech asi 40 mph (64 km/h). Rychlost generátoru se dramaticky mění. Tato změna způsobí, že se unašeč otočí a nastartuje benzinový motor. Po nastartování si motor udržuje konstantní otáčky. Generátor mění svou vlastní rychlost tak, aby odpovídala požadavkům na výkon elektromotoru.
Při prudké akceleraci se další energie odebírá z baterií. Při dálničních rychlostech auto jezdí na směs benzínu a elektřiny. V této fázi veškerá elektřina pochází spíše z generátoru než z baterie.
Paradox koňské síly
Většina jízdních režimů vyžaduje pouze zlomek celkového výkonu vozidla. Jízda rychlostí 60 mph (96,6 km/h) vyžaduje výkon pouze na tři věci:
- Překonání aerodynamického odporu
- Antifrikce v pneumatikách, převodovce, nápravách a brzdách
- Napájení pomocných zařízení, jako je klimatizace, posilovač řízení a osvětlení
U většiny aut je to méně než 20 koní. Proč si tedy kupovat motor o výkonu 200 koní? Tuto rezervu potřebujete pro chvíle „plného plynu“ (ostré zrychlení). Ve zbytku času spotřebováváte výrazně méně energie, než je k dispozici.
Maximalizace účinnosti hybridního paliva
Touha po rychlé akceleraci zabíjí efektivitu. Menší motor často poskytuje lepší spotřebu paliva než identický model s vyšším výkonem. Podívejte se na výkonnostní nálepky v každém autobazaru. Rozdíl je zřejmý.
Snaha o efektivitu
Získáte lepší spotřebu paliva z hybridu, když si osvojíte návyky, které jsou dobré i pro benzínová auta.
- Jezděte pomaleji. Aerodynamický odpor se prudce zvyšuje s rostoucí rychlostí. Odpor při rychlosti 70 mph (113 km/h) je asi dvakrát větší než při rychlosti 50 mph (81 km/h). Nižší otáčky znamenají lepší účinnost.
- Udržujte konstantní rychlost. Každé zrychlení spotřebovává energii. Část této energie se při zpomalování ztrácí. Konstantní otáčky zajišťují efektivní využití paliva.
- Vyhněte se náhlým zastavením. Elektromotor hybridu funguje jako generátor při brzdění. Energii získává zpět, když vozidlo zpomaluje. Pokud náhle zastavíte, většinu práce odvedou mechanické brzdy. Tato energie se ztrácí. To platí i pro benzínová vozidla. Náhlé zastávky vedou ke ztrátě energie.
Zdroje
- “Hybridní vozy na dieselové bázi.” The Daily Times. http://www.dailytimes.com.pk/default.asp?page=2006%5C01%5C09%5Cstory_9-1-2006_pg6_13
– FuelEconomy.gov http://www.fueleconomy.gov/ - Honda Insight http://automobiles.honda.com/models/specifications_full_specs.asp? ModelName=Insight&Category=ALL
- HybridCars.com http://www.hybridcars.com/
- Toyota Prius http://www.toyota.com/prius/specs.html
