Ceny benzyny uderzyły w nasze kieszenie. Patrzysz na licznik, potem na deskę rozdzielczą i zastanawiasz się, czy już czas na wymianę obecnego samochodu na taki, który zużywa mniej paliwa. Być może martwisz się także swoim śladem węglowym, ale pomysł podłączania samochodu do prądu każdej nocy wydaje się na razie zbyt trudny.
Na scenę wjeżdża samochód hybrydowy.
Zajmuje ten bardzo niewygodny środek. Zanim jednak odpiszesz silnik spalinowy lub podpiszesz umowę leasingu na samochód elektryczny, musisz zrozumieć mechanikę. W jaki sposób hybryda zwiększa swój zasięg na zbiorniku o 20–30 mpg? Czy większa oszczędność paliwa naprawdę oznacza czystszą emisję? A gdzie połączone modele pasują do tego równania?
Analizujemy anatomię tych maszyn. Przyjrzymy się, jak działa ta technologia i, co równie ważne, jak należy prowadzić samochód, aby w pełni wykorzystać jej możliwości.
Benzyna a prąd: podstawowa różnica
Hybryda benzynowo-elektryczna to kompromis. To pomost pomiędzy niezawodnością zbiornika gazu a natychmiastowym momentem obrotowym silnika elektrycznego. Aby zrozumieć ten most, trzeba zrozumieć brzegi, które łączy.
Zwykły samochód benzynowy jest prosty. Zbiornik gazu dostarcza benzynę do silnika spalinowego. Silnik obraca skrzynię biegów. Skrzynia biegów obraca koła. To proste.
Pojazd elektryczny (EV) jest zaprojektowany inaczej. Opiera się na zestawie akumulatorów. Baterie dostarczają energię elektryczną do silnika elektrycznego. Silnik obraca skrzynię biegów. Skrzynia biegów obraca koła. Brak spalania. Brak spalin.
Hybryda stara się mieć to, co najlepsze z obu światów. Zachowuje zbiornik paliwa, zapewniając zasięg i wygodę. Dodaje napęd elektryczny, aby poprawić wydajność i zmniejszyć emisję. Celem jest dotarcie do celu bez konieczności ciągłego zatrzymywania się na benzynę, przy jednoczesnym zmniejszeniu poczucia winy za środowisko.
Pod maską: anatomia hybrydy
Hybrydy to nie tylko silnik benzynowy z małym akumulatorem. To są złożone systemy. Z tym masz do czynienia.
Silnik benzynowy : To serce tradycyjnej części. Jednak silniki hybrydowe są zazwyczaj mniejsze niż ich odpowiedniki niehybrydowe. Wykorzystują zaawansowane technologie, aby spalać paliwo czystsze i wydajniejsze. Mniejsza przemieszczenie często oznacza mniejsze tarcie i lepszą sprawność cieplną.
Zbiornik gazu : Jest to urządzenie magazynujące energię dla silnika benzynowego. Benzyna ma ogromną gęstość energii w porównaniu do akumulatorów. Dla porównania, przechowywanie tej samej ilości energii zawartej w jednym galonie (3,8 litra) benzyny wymaga około 1000 funtów (454 kg) akumulatorów. Ta różnica masy wyjaśnia, dlaczego hybrydy nie zastępują po prostu silnika akumulatorem; potrzebują obu źródeł.
Silnik elektryczny : Te urządzenia są złożone. To nie tylko silniki. Zaawansowana elektronika pozwala im zmieniać role. Kiedy trzeba przyspieszyć, działają jak silnik, czerpiąc energię z akumulatorów, aby popchnąć samochód do przodu. Po zwolnieniu pedału gazu lub naciśnięciu hamulca działają jak generator. Proces ten, znany jako hamowanie regeneracyjne, wychwytuje energię kinetyczną, która w przeciwnym razie zostałaby utracona w postaci ciepła, i zwraca ją do akumulatorów.
Generator : Podobny do silnika, ale wytwarza tylko energię elektryczną. Najczęściej spotkacie go w hybrydach szeregowych. Przekształca energię mechaniczną silnika benzynowego w energię elektryczną w celu ładowania akumulatorów lub zasilania silnika elektrycznego.
Baterie : Magazynują energię silnika elektrycznego. W przeciwieństwie do zbiornika paliwa, który zasila wyłącznie silnik benzynowy, układ akumulatorów jest dwukierunkowy. Silnik elektryczny może pobierać z niego energię, a układ hamowania regeneracyjnego może ją zwrócić.
Skrzynia biegów : Ta część jest bardzo zróżnicowana. Niektóre hybrydy, takie jak Honda Insight, wykorzystują konwencjonalne układy napędowe, które wyglądają znajomo. Inne, jak Toyota Prius, wykorzystują radykalnie odmienne konstrukcje, takie jak bezstopniowa skrzynia biegów (CVT) lub e-CVT, która w ogóle nie ma stałych biegów.
Hybrydy równoległe: najczęstszy schemat
Większość hybryd, które widzisz na drodze, to hybrydy równoległe. Nazwa opisuje przepływ mocy.
Masz zbiornik paliwa, który zasila silnik benzynowy. Masz akumulatory, które zasilają silnik elektryczny. Obydwa źródła zasilania mogą jednocześnie obracać skrzynię biegów. Działają równolegle.
Ten schemat zapewnia elastyczność. Przy niskich prędkościach całą pracę może wykonać silnik elektryczny. Przy dużych prędkościach władzę przejmuje silnik benzynowy. W przypadku gwałtownego przyspieszania oba można włączyć jednocześnie, aby zapewnić maksymalny moment obrotowy. Skrzynia biegów po prostu przekazuje łączną moc na koła.
Hybrydy serii: cykl generatora
Hybrydy szeregowe działają inaczej. Występują rzadziej w samochodach osobowych produkowanych masowo, ale są powszechne w dużych ciężarówkach i autobusach.
W hybrydzie szeregowej silnik benzynowy nigdy nie napędza bezpośrednio kół. Zamiast tego obraca generator. Generator ten wytwarza energię elektryczną. Energia elektryczna ładuje akumulatory lub zasila silnik elektryczny. Ten silnik elektryczny jest jedyną częścią napędzającą skrzynię biegów.
Wyobraź sobie generator benzynowy w samochodzie. Silnik pracuje ze stabilną, wydajną prędkością, wytwarzając energię elektryczną, która następnie napędza silnik trakcyjny. Silnik benzynowy jest odłączony od kół. Dzięki temu silnik może częściej pracować w strefie maksymalnej wydajności, niezależnie od tego, jak szybko porusza się samochód.
Dlaczego warto wybierać jedną opcję zamiast drugiej? Hybrydy równoległe są zwykle bardziej wydajne przy dużych prędkościach, ponieważ mogą całkowicie ominąć silnik elektryczny. Hybrydy sekwencyjne doskonale radzą sobie w korkach, ponieważ eliminują nieefektywność zmiany biegów i pracy na biegu jałowym.
Technologie wciąż się rozwijają. Hybrydy typu plug-in (PHEV) opierają się na tym fundamencie i dodają większy zestaw akumulatorów, który można ładować z zewnętrznego gniazdka. Pozwala to na większy zasięg jazdy wyłącznie na napędzie elektrycznym, zacierając granicę między pojazdami hybrydowymi i elektrycznymi. Podstawowe zasady pozostają jednak takie same: wychwytuj energię, przechowuj ją i mądrze wykorzystuj.
Oto system zaprojektowany tak, aby minimalizować straty. Za każdym razem, gdy naciśniesz hamulce, masz szansę na naładowanie baterii. Każda minuta pracy na biegu jałowym to szansa na zaoszczędzenie paliwa. Jednak sposób jazdy jest nadal ważniejszy niż sprzęt. Przyjrzymy się temu następnym razem.
Podstawowa zasada działania hybrydy jest prosta, ale głęboka: można znacznie zmniejszyć pojemność skokową silnika benzynowego, ponieważ nie musi on wykonywać całej ciężkiej pracy. Konwencjonalne samochody wymagają dużych, spragnionych silników, aby wytworzyć natychmiastowy moment obrotowy niezbędny do szybkiego przyspieszenia. Hybrydy rozwiązują ten problem. Wykorzystują mniejsze, lżejsze komponenty, mniej cylindrów i zmuszają silnik spalinowy do pracy bliżej punktu maksymalnej wydajności pod dużym obciążeniem.
Rezultatem jest elektrownia, która oszczędnie wykorzystuje paliwo, zamiast je pożerać.
Dlaczego małe silniki spalają mniej paliwa
Wszystko sprowadza się do fizyki i bezwładności. Masywny silnik V-8 jest ciężki. Za każdym razem, gdy przyspieszasz lub wjeżdżasz pod górę, marnujesz energię na samo przenoszenie ciężaru. Cięższe tłoki i wały korbowe wymagają więcej energii do ruchu posuwisto-zwrotnego w cylindrze.
Potem następuje przemieszczenie. Większe cylindry wymagają więcej paliwa na skok. Więcej cylindrów oznacza większe spalanie, nawet gdy samochód stoi na biegu jałowym lub wolno pełza w ruchu ulicznym. Właśnie dlatego dwa samochody tego samego modelu, ale z różnymi opcjami silnika, wykazują radykalnie różne wskaźniki zużycia paliwa (mpg).
Na autostradzie oba silniki muszą wytwarzać tę samą ilość mocy, aby utrzymać prędkość. Jednak mniejszy silnik zużywa mniej tej mocy do pokonania własnego tarcia wewnętrznego i ciężaru. Cała pozostała moc jest przeznaczona wyłącznie na poruszanie się samochodem.
Jak uzyskać wystarczającą moc z małego silnika
Jak więc mały silnik hybrydowy dotrzymuje kroku mocnemu samochodowi? Porównaj Chevroleta Camaro z potężnym silnikiem V-8 z typową hybrydą. Silnik Camaro jest za słaby do jazdy. Jest przeznaczony do obciążeń szczytowych – tych momentów, gdy wciśniesz pedał przyspieszenia do podłogi. W praktyce większość kierowców wykorzystuje szczytową moc silnika przez mniej niż jeden procent czasu.
Hybrydy dobierają swoje silniki benzynowe pod kątem średniego zapotrzebowania na moc, a nie szczytowego. Silnik benzynowy dobrze radzi sobie w jeździe autostradowej. Kiedy jednak trzeba włączyć się do ruchu na autostradzie lub wspiąć się na stromą górę, mały silnik prosi o pomoc.
Wspomaganie to zapewnia silnik elektryczny i akumulator wysokiego napięcia. System włącza się natychmiast, zapewniając większy moment obrotowy, którego brakuje małemu silnikowi benzynowemu. To jest przekazanie pałeczki. Silnik benzynowy pracuje stabilnie, a silnik elektryczny pracuje nierówno.
Zwiększ efektywność paliwową na 5 różnych sposobów
Oprócz wymiany silników w hybrydach stosuje się szereg technik zwiększających wydajność. Niektóre z nich to ulepszenia uniwersalne dla wszystkich samochodów, inne są specyficzne dla architektury hybrydowej.
1. Odzysk i magazynowanie energii w akumulatorze
Hamowanie jest zasadniczo procesem niszczenia energii. Energia kinetyczna jest przekształcana w ciepło przez klocki hamulcowe. Ciepło to rozprasza się w atmosferze i znika na zawsze. Hybrydy wychwytują część tej utraconej energii.
Dzięki hamowaniu regeneracyjnemu silnik elektryczny zmienia swoją rolę. Zamiast wykorzystywać energię akumulatora do kręcenia kołami, działa jak generator. Silnik przeciwstawia się obrotowi kół, spowalniając samochód i jednocześnie ładując akumulator. Odzyskujesz energię, która w innym przypadku zostałaby zmarnowana.
2. Czasami silnik się wyłącza
Po co spalać paliwo, gdy się nie ruszasz? Hybryda z silnikiem spalinowym ma alternatywę: silnik elektryczny. Na światłach lub w dużym natężeniu ruchu system może całkowicie wyłączyć silnik benzynowy. Brak pracy na biegu jałowym. Żadnych strat paliwa. Silnik elektryczny wspomaga pracę agregatów pomocniczych i przygotowuje samochód do ruchu.
3. Wykorzystanie aerodynamiki w celu zmniejszenia oporu
Jazda autostradą to walka z oporem powietrza. Opór aerodynamiczny pochłania większość mocy samochodu przy dużej prędkości. Opór ten można zmniejszyć, minimalizując obszar czołowy. SUV wpycha znacznie większą ilość powietrza niż samochód sportowy.
Hybrydy często charakteryzują się gładkimi panelami podwozia, zamkniętymi nadkolami i niewielkimi prześwitami w nadwoziu. Części te kontrolują przepływ powietrza, redukując turbulencje i opór. Nie chodzi tylko o wygląd; najważniejsze jest, aby szybować w powietrzu z minimalnym oporem.
4. Używaj opon o niskim oporze toczenia
Standardowe opony to kompromis. Przedkładają komfort jazdy, redukcję hałasu i przyczepność na mokrej nawierzchni ponad wydajność. Jednak odkształcenie opony powoduje opór toczenia, który powoduje zużycie paliwa.
W hybrydach stosuje się specjalistyczne opony o niskim oporze toczenia. Są sztywniejsze i działają przy wyższym ciśnieniu. Zmniejsza to straty energii spowodowane deformacją opony. W zamian uzyskujemy pewniejszą jazdę, ale oszczędności paliwa są realne.
5. Stosowanie lekkich materiałów
Waga jest wrogiem wydajności. Lżejszy samochód wymaga mniej energii do przyspieszania i mniejszego wysiłku przy pokonywaniu wzniesień. Hybrydy często wykorzystują lekkie materiały, aby zrzucić dodatkowe kilogramy. Kompozyty aluminium, magnezu, a czasem włókna węglowego zastępują cięższe elementy stalowe i plastikowe. Mniejsza masa oznacza większą oszczędność paliwa.
Jest to podejście całościowe. Każdy zaoszczędzony gram, każdy zmniejszony opór aerodynamiczny, każdy dżul odzyskanej energii kinetycznej sumuje się. Silnik benzynowy to tylko wierzchołek góry lodowej. Reszta to złożona gra fizyki i elektroniki, której wszystkie elementy mają za zadanie poruszać Cię przy jak najmniejszym zużyciu energii.
Pytanie nie brzmi, czy hybrydy działają. Pytanie brzmi, czy jesteśmy skłonni zaakceptować fakt, że sposób, w jaki jeździmy od stulecia, jest zasadniczo nieefektywny.
Przekładnia planetarna w sercu systemu
Zapomnij o tradycyjnych automatycznych lub manualnych skrzyniach biegów. Wewnątrz Priusa nie ma ślizgającego się sprzęgła, nie ma przemiennika momentu obrotowego, który mógłby się zablokować, ani nie wyczuwalnych punktów zmiany biegów. Zamiast tego Toyota ukryła całą architekturę układu napędowego w jednym zwartym zespole mechanicznym: zespole podziału mocy. Jest to zasadniczo serce układu hybrydowego.
To nie tylko sprytny dodatek. Jest to przekładnia planetarna, która fizycznie łączy silnik benzynowy, generator (silnik G) i elektryczny silnik trakcyjny (silnik A) w jedną nierozerwalną jednostkę.
Urządzenie do podziału mocy umożliwia jednoczesną pracę pojazdu jako hybrydy równoległej, hybrydy szeregowej i bezstopniowej skrzyni biegów (CVT).
Rozwiązanie inżynieryjne charakteryzuje się tutaj surową prostotą, ale genialnym wykonaniem. Mocując te trzy elementy w określonych punktach przekładni planetarnej, Toyota wyeliminowała potrzebę stosowania oddzielnego rozrusznika. Silnik uruchamiany jest przez generator. Rozwiązanie to eliminuje również potrzebę stosowania dźwigni zmiany biegów, przemiennika momentu obrotowego lub tradycyjnej obudowy skrzyni biegów. Rezultatem jest zespół napędowy, który sprawia wrażenie nieważkiego.
Jak przekładnie planetarne kontrolują przepływ mocy
Aby zrozumieć, jak to działa, należy przyjrzeć się geometrii kół zębatych. Standardowy zestaw przekładni planetarnej składa się z trzech głównych ruchomych elementów: koła słonecznego, kół obiegowych (które obracają się na nośniku planet) i koła koronowego. W konfiguracji Prius przypisuje się im określone role.
Silnik benzynowy jest bezpośrednio podłączony do przekładni słonecznej. To jest element wejściowy. Kiedy silnik się obraca, napędza koło słoneczne, które z kolei popycha koła planetarne.
Koło koronowe jest połączone z elektrycznym silnikiem trakcyjnym. Ale jest również bezpośrednio podłączony do głównej skrzyni biegów. Oznacza to, że prędkość koła koronowego określa prędkość kół. Prędkość, z jaką obraca się silnik elektryczny i koło koronowe, określa prędkość samochodu.
Wspornik to miejsce, w którym zamontowany jest generator.
Układ ten tworzy unikalną matematyczną relację pomiędzy trzema składnikami. Prędkość koła słonecznego (silnika), koła koronowego (koła/silnik) i nośnika (generator) są sztywno powiązane przełożeniami. Nie można zmienić jednego ustawienia bez wpływu na inne.
Tryby szeregowy i równoległy: decyzja o partycjonowaniu
To mechaniczne połączenie umożliwia płynne przełączanie pojazdu między trybami pracy układu hybrydowego bez żadnych przerw w dostarczaniu mocy.
W trybie sekwencyjnym silnik benzynowy pracuje ze stałą prędkością, wytwarzając energię elektryczną. Silnik obraca koło słoneczne. Nośnik (generator) obraca się, wytwarzając energię, która ładuje akumulator lub zasila silnik trakcyjny. Następnie silnik elektryczny obraca koło koronowe, aby napędzać koła. Silnik nie ma bezpośredniego połączenia mechanicznego z kołami. Działa wyłącznie jako generator.
W trybie równoległym silnik benzynowy przekazuje bezpośrednią moc mechaniczną na koła poprzez przekładnię planetarną. Silnik obraca koło słoneczne, które jednocześnie napędza jarzmo i koło koronowe. Silnik elektryczny może pomóc lub powstrzymać przepływ mocy w celu odzyskania energii.
Urządzenie do podziału mocy pozwala na pracę samochodu w trybie hybrydy równoległej: silnik elektryczny może samodzielnie napędzać samochód, silnik benzynowy może również samodzielnie napędzać samochód lub mogą one napędzać samochód wspólnie.
Ale pozwala również na pracę samochodu jako hybrydy szeregowej. Silnik benzynowy może działać niezależnie od prędkości pojazdu, ładując akumulatory lub dostarczając moc do kół w zależności od potrzeb.
Mechaniczna podstawa systemu opiera się na specjalnej konstrukcji napędu zębatego. Generator jest przymocowany do koła słonecznego, a silnik jest podłączony do wspornika (wał napędowy planetarny). Prędkość koła koronowego określa moc wyjściową, co oznacza, że wszystkie trzy elementy muszą być stale skoordynowane. Nie mogą działać w izolacji.
Przyspieszenie zaczyna się od energii elektrycznej. Silnik elektryczny i akumulatory zapewniają początkowe pchnięcie. Ponieważ koło koronowe jest połączone z silnikiem, natychmiast zaczyna się obracać. Przewoźnik pozostaje nieruchomy. Silnik jest wyłączony, więc kierowca pozostaje w bezruchu. Ale koło koronowe się porusza. Powoduje to obrót przekładni planetarnych, co z kolei obraca koło słoneczne i generator. Generator obraca się z prędkością niezbędną do wyłączenia silnika.
Silnik uruchamia się dopiero przy prędkości około 64 km/h. Prędkość generatora zmienia się radykalnie. Ta zmiana powoduje obrót nośnika, uruchamiając silnik benzynowy. Po uruchomieniu silnik utrzymuje stałą prędkość. Generator zmienia własną prędkość, aby dopasować ją do wymagań mocy wyjściowej silnika elektrycznego.
Podczas gwałtownego przyspieszania z akumulatorów pobierana jest dodatkowa energia. Przy prędkościach autostradowych samochód porusza się na mieszance benzyny i prądu. Na tym etapie cała energia elektryczna pochodzi z generatora, a nie z akumulatora.
Paradoks mocy
Większość trybów jazdy wymaga jedynie ułamka całkowitej mocy pojazdu. Jazda z prędkością 96,6 km/h wymaga mocy tylko do trzech celów:
- Pokonanie oporu aerodynamicznego
- Właściwości przeciwcierne w oponach, skrzyni biegów, osiach i hamulcach
- Zasilanie urządzeń pomocniczych takich jak klimatyzacja, wspomaganie kierownicy i oświetlenie
W przypadku większości samochodów jest to mniej niż 20 koni mechanicznych. Po co więc kupować silnik o mocy 200 KM? Potrzebujesz tej rezerwy na momenty „pełnego otwarcia przepustnicy” (ostre przyspieszenie). Przez resztę czasu zużywasz znacznie mniej energii, niż jest dostępna.
Maksymalizacja zużycia paliwa w trybie hybrydowym
Chęć szybkiego przyspieszania zabija wydajność. Mniejszy silnik często zapewnia lepszą oszczędność paliwa niż identyczny model o większej mocy. Spójrz na naklejki wydajności w dowolnym salonie samochodowym. Różnica jest oczywista.
Jazda pod kątem wydajności
W przypadku hybrydy uzyskasz mniejsze zużycie paliwa, przyjmując nawyki, które są dobre również w przypadku samochodów benzynowych.
- Jedź wolniej. Opór aerodynamiczny gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości. Opór przy prędkości 70 mil na godzinę (113 km/h) jest około dwa razy większy niż przy prędkości 50 mil na godzinę (81 km/h). Niższe prędkości oznaczają większą wydajność.
- Utrzymuj stałą prędkość. Każde przyspieszenie zużywa energię. Część tej energii jest tracona podczas zwalniania. Stała prędkość zapewnia efektywne wykorzystanie paliwa.
- Unikaj nagłych zatrzymań. Silnik elektryczny hybrydy podczas hamowania działa jak generator. Odzyskuje energię w miarę zwalniania pojazdu. Jeśli nagle się zatrzymasz, większość pracy wykonują hamulce mechaniczne. Ta energia jest tracona. Dotyczy to również pojazdów benzynowych. Nagłe zatrzymania prowadzą do utraty energii.
Źródła
- „Samochody hybrydowe na bazie diesla”. „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=WSZYSTKIE
- HybridCars.com http://www.hybridcars.com/
- Toyota Prius http://www.toyota.com/prius/specs.html
