Jak działa silnik hybrydowy, zalety i wady ekonomicznego silnika

Pojawienie się pojazdów hybrydowych stało się wymuszoną miarą przechodzenia producentów samochodów z silników spalinowych (ICE) na paliwa węglowodorowe do czystszych elektrowni. Technologia nie pozwoliła jeszcze na stworzenie pełnoprawnego samochodu elektrycznego, samochodu na ogniwa paliwowe, czy jakiegokolwiek innego z obszernej listy teoretycznie możliwych kierunków rozwoju transportu autonomicznego, a potrzeba już dojrzała.

Rządy zaczęły mocno ograniczać przemysł motoryzacyjny wymaganiami środowiskowymi, a konsumenci chcieli zobaczyć jakościowy krok naprzód, a nie kolejne mikroskopijne udoskonalenie silnika znanego od ponad wieku w jednym z produktów rafinacji ropy naftowej.

Który samochód nazywa się „hybrydą”

Jednostka napędowa stopnia pośredniego zaczęła być połączeniem sprawdzonej już konstrukcji silnika spalinowego i jednego lub więcej silników elektrycznych.

Część elektryczna zespołu trakcyjnego zasilana jest przez generatory połączone mechanicznie z silnikiem gazowym lub wysokoprężnym, akumulatory oraz układ odzysku, który zwraca do napędu energię uwolnioną podczas hamowania pojazdu.

Wszystkie liczne schematy praktycznej realizacji pomysłu nazywane są hybrydami.

Czasami producenci wprowadzają klientów w błąd, nazywając układami hybrydowymi, w których napęd elektryczny służy jedynie do uruchamiania silnika głównego w trybie start-stop.

Ponieważ nie ma związku między silnikami elektrycznymi a kołami i możliwością jazdy na trakcji elektrycznej, błędne jest przypisywanie takich samochodów do hybrydowych.

Zasada działania silników hybrydowych

Przy całej różnorodności konstrukcji takie maszyny mają wspólne cechy. Ale różnice są tak duże z technicznego punktu widzenia, że ​​w rzeczywistości są to różne samochody z własnymi zaletami i wadami.

Urządzenie

Każda hybryda zawiera:

• silnik spalinowy wraz z przekładnią, pokładową siecią niskiego napięcia i zbiornikiem paliwa;
• silniki trakcyjne;
• akumulatory, najczęściej dość wysokonapięciowe, składające się z akumulatorów połączonych szeregowo i równolegle;
• okablowanie zasilające z przełączaniem wysokiego napięcia;
• elektroniczne jednostki sterujące i komputery pokładowe.

Zapewnienie wszystkich trybów pracy zintegrowanej mechanicznej i elektrycznej przekładni odbywa się zwykle automatycznie, a jedynie ogólne kierowanie ruchem jest powierzone kierowcy.

Schematy pracy

Elementy elektryczne i mechaniczne można łączyć ze sobą na różne sposoby; z czasem pojawiły się dobrze ugruntowane, specyficzne i często używane obwody.

Jak działa samochód hybrydowy?

Nie dotyczy to późniejszej klasyfikacji napędu ze względu na określony udział trakcji elektrycznej w ogólnym bilansie energetycznym.

spójny

Pierwszy schemat, najbardziej logiczny, ale teraz mało używany w samochodach.

Jego głównym zadaniem była praca w ciężkim sprzęcie, gdzie kompaktowe podzespoły elektryczne z powodzeniem zastąpiły nieporęczną przekładnię mechaniczną, którą też bardzo trudno sterować. Silnik, zwykle silnik wysokoprężny, jest zasilany wyłącznie z generatora elektrycznego i nie jest bezpośrednio połączony z kołami.

Prąd generowany przez generator może być wykorzystany do ładowania akumulatora trakcyjnego, a tam gdzie go nie ma, jest przesyłany bezpośrednio do silników elektrycznych.

Może być ich jeden lub więcej, aż do zamontowania na każdym kole samochodu na zasadzie tzw. Wielkość ciągu jest regulowana przez jednostkę napędową, a silnik spalinowy może stale pracować w najbardziej optymalnym trybie.

Równolegle

Ten schemat jest obecnie najbardziej powszechny. W nim silnik elektryczny i silnik spalinowy pracują na wspólną przekładnię, a elektronika reguluje optymalny stosunek zużycia energii przez każdy z napędów. Oba silniki są połączone z kołami.

Wspierany jest tryb odzyskiwania, gdy podczas hamowania silnik elektryczny zamienia się w generator i ładuje akumulator. Przez pewien czas samochód może poruszać się tylko na swoim ładunku, główny silnik spalinowy jest stłumiony.

W niektórych przypadkach stosuje się akumulator o znacznej pojemności, wyposażony w możliwość zewnętrznego ładowania z domowej sieci AC lub specjalistycznej stacji ładującej.

Ogólnie rzecz biorąc, rola baterii jest tutaj niewielka. Ale ich przełączanie jest uproszczone, nie są tu potrzebne niebezpieczne obwody wysokiego napięcia, a masa akumulatora jest znacznie mniejsza niż w pojazdach elektrycznych.

mieszany

W wyniku rozwoju technologii napędów elektrycznych i pojemności magazynowych wzrosła rola silników elektrycznych w tworzeniu siły pociągowej, co doprowadziło do powstania najbardziej zaawansowanych układów szeregowo-równoległych.

Tutaj ruszanie z miejsca i poruszanie się z małymi prędkościami odbywa się na trakcji elektrycznej, a silnik spalinowy włączany jest tylko wtedy, gdy wymagana jest duża moc i gdy akumulatory są wyczerpane.

Oba silniki mogą pracować w trybie napędowym, a przemyślana jednostka elektroniczna wybiera, gdzie i jak skierować przepływ energii. Kierowca może śledzić to na graficznym wyświetlaczu informacyjnym.

Zastosowano dodatkowy generator, podobnie jak w obwodzie szeregowym, który może dostarczać energię do silników elektrycznych lub ładować akumulator. Energia hamowania jest odzyskiwana przez bieg wsteczny silnika trakcyjnego.

Tak urządzono wiele nowoczesnych hybryd, w szczególności jedną z pierwszych i dobrze znanych - Toyotę Prius

Jak działa silnik hybrydowy na przykładzie Toyoty Prius

Ten samochód jest obecnie w trzeciej generacji i osiągnął pewien stopień doskonałości, chociaż konkurencyjne hybrydy nadal zwiększają złożoność i wydajność konstrukcji.

Podstawą napędu jest tutaj zasada synergii, zgodnie z którą silnik spalinowy i silnik elektryczny mogą w dowolnej kombinacji uczestniczyć w tworzeniu momentu obrotowego na kołach. Równoległość ich pracy zapewnia złożony mechanizm typu planetarnego, w którym przepływy mocy są mieszane i przenoszone przez mechanizm różnicowy na koła napędowe.

Ruszanie i przyspieszanie przy ruszaniu odbywa się za pomocą silnika elektrycznego. Jeśli elektronika stwierdzi, że jej możliwości są niewystarczające, podłączany jest ekonomiczny silnik benzynowy pracujący w cyklu Atkinsona.

W konwencjonalnych samochodach z silnikami Otto taki cykl termiczny nie może być zastosowany ze względu na warunki przejściowe. Ale tutaj są one dostarczane przez silnik elektryczny.

Tryb jałowy jest wykluczony, jeśli Toyota Prius automatycznie uruchomi silnik spalinowy, natychmiast znajdzie się dla niego praca, pomagając w przyspieszaniu, ładując akumulator lub zapewniając klimatyzację.

Stale obciążony i pracujący na optymalnych obrotach minimalizuje zużycie benzyny będąc w najkorzystniejszym punkcie swojej zewnętrznej charakterystyki prędkościowej.

Jak działa Toyota Prius?

Nie ma tradycyjnego rozrusznika, ponieważ taki silnik można uruchomić jedynie poprzez rozkręcenie go do znacznych prędkości, co właśnie robi generator odwracalny.

Akumulatory mają różną pojemność i napięcie; w najbardziej złożonej wersji PHV z możliwością ładowania jest to 350 woltów przy 25 Ah, co jest dość powszechne w pojazdach elektrycznych.

Zalety i wady hybryd

Jak każdy kompromis, hybrydy są gorsze od czysto elektrycznych pojazdów i zwykłych klasycznych pojazdów napędzanych olejem.

Ale jednocześnie dają zysk w wielu właściwościach, dla kogoś pełniącego rolę głównych:

• uproszczenie środków zwalczania szkodliwych emisji z silników spalinowych;
• osiągnięcie pewnej oszczędności paliwa, niezależnie od tego, jak bardzo może to być kwestionowane;
• możliwość poruszania się wyłącznie na trakcji elektrycznej, gdzie obowiązuje zakaz używania silników spalinowych;
• dość prosty wzrost deklarowanej pojemności;
• niemożność, w przeciwieństwie do samochodu elektrycznego, pozostania bez energii z dala od sieci elektrycznej.

Wszystkie wady są związane z komplikacją technologii:

• potrzeba kompetentnego personelu specjalnie przeszkolonego do pracy z hybrydami;
• wzrost masy pojazdu, który również zużywa paliwo;
• wyższa cena samochodu;
• straty dla pojazdów elektrycznych z powodu konserwacji silnika spalinowego i wszystkiego, co jest z nim związane;
• wciąż niedostatecznie rozwinięte technologie i brak jednolitego podejścia do projektowania;
• słaba przyjazność dla środowiska w produkcji baterii i ich utylizacji.

Możliwe, że produkcja hybryd będzie kontynuowana po całkowitym zniknięciu klasycznych samochodów.

Stanie się to jednak tylko wtedy, gdy powstanie jeden kompaktowy, ekonomiczny i dobrze sterowany silnik na paliwo węglowodorowe, który stanie się dobrym dodatkiem do samochodu elektrycznego przyszłości, znacznie zwiększając jego obecnie niewystarczającą autonomię.