Jak to się dzieje, że wpięcie w łańcuch przekazywania napędu „elektryki”, czyli generatora i elektrycznych silników poprawia ekonomię silnika spalinowego?
Silnik samochodu zmuszany jest do pracy w bardzo szerokim zakresie obrotów. Podczas jazdy miejskiej niemal przez 40% czasu kręci się na wolnych obrotach. Na niskich biegach obciążany jest w zakresie 10 – 25% pracując przy ledwo uchylonej przepustnicy. W dodatku nieznający jego charakterystyki kierowca często zmusza silnik do przyspieszania na zbyt wysokim biegu, co bardzo szkodzi trwałości silnika, przyczynia się do zwiększenia zużycia paliwa oraz emisji toksycznych związków w spalinach.
Tymczasem silnik spalinowy swą największą efektywność osiąga w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowych, a dokładniej są to obroty, przy których rozwijany jest maksymalny moment obrotowy. Wówczas sprawność termodynamiczna, jak i mechaniczna jest największa. Objawia się to właśnie największą siłą gazową oddawaną z cylindrów na wał korbowy (czyli momentem obrotowym) oraz najmniejszym jednostkowym zużyciem paliwa. Takie właśnie warunki pracy silnika może zapewnić mu praca w układzie hybrydowym.
W układzie napędowym w pełni hybrydowym silnik spalinowy napędza generator prądu, który wytworzony prąd kieruje do silnika elektrycznego połączonego z kołami pojazdu oraz częściowo do ładowania baterii. Pozwala to utrzymywać obroty silnika spalinowego podczas jego pracy w wąskim, optymalnym zakresie, niezależnie od prędkości jazdy czy obciążenia pojazdu. Silnik spalinowy uruchamiany jest jedynie wtedy, kiedy należy uzupełnić energię w bateriach lub kiedy auto potrzebuje pełnej mocy, a wówczas wprowadzany jest od razu na swe najbardziej wydajne obroty i pracuje w optymalnych warunkach jedynie na tyle długo, ile jest to absolutnie niezbędne. Na jego prędkość obrotową, moment załączenia czy wyłączenia kierowca nie ma już żadnego wpływu. Taki układ umożliwia też jazdę na samych bateriach, z wyłączonym silnikiem spalinowym.
Hybryda szeregowa/ J. Gembara
Dziś sama nazwa „hybryda” w odniesieniu do układu napędowego niewiele nam mówi, ponieważ istnieje kilka rodzajów układów napędowych określanych tym mianem. Prócz opisanej powyżej hybrydy pełnej, zwanej HEV – czyli Hybrid Electric Vehicle lub SHEV – Series Hybrid Electric Vehicle, występuje też tak zwana miękka hybryda (mHEV / Mild HEV), która w istocie jest klasycznym, mechanicznym układem napędowym, w którym napędzany paskiem generator wykorzystany jest też jako silnik elektryczny poprawiający niedostatki charakterystyki silnika spalinowego. Niekiedy silnik elektryczny w takim układzie wkomponowany jest w koło zamachowe. Układ taki nie pozwala na jazdę wyłącznie na bateriach.
Bardzo obecnie popularne są układy PHEV, czyli z koniecznością doładowywania baterii z instalacji zewnętrznej. Przedstawiają one w zasadzie konstrukcyjny brak zdecydowania co do tego, czy ma to być pojazd z własnym źródłem prądu, czy też bez. Po prostu zainstalowany w pojeździe silnik spalinowy nie jest włączany wystarczająco często by w pełni uzupełnić zużytą energię elektryczną, a ów deficyt uzupełniany jest ze źródła zewnętrznego. Taki techniczny „twór” najprawdopodobniej jest odpowiedzią producentów na unijne przepisy i ma tyleż sensu co i one – w stwierdzeniu tym nie ma ironii ani złośliwości.
Hybryda rownoległa/ J. Gembara
Ekonomicznie oraz technicznie najsensowniejszym rozwiązaniem jawi się opisana powyżej, zbudowana po raz pierwszy 118 lat temu hybryda szeregowa (HEV, lub SHEV o większej pojemności baterii), gdzie silnik spalinowy nie ma mechanicznego połączenia z kołami pojazdu. Pełna hybryda pozwala dobrze napisanemu oprogramowaniu sterownika elektronicznego (ECU) na szeroki zakres „żonglerki” energią silnika spalinowego, elektrycznego oraz odzyskaną podczas hamowania, co przy częstym rozpędzaniu, hamowaniu i „pełzaniu” w miejskich korkach pozwala na uzyskanie zaskakująco dużych oszczędności w paliwie. Podczas jazdy autostradowej, kiedy przez dłuższy czas potrzebujemy całej dostępnej na pokładzie mocy, użytkowników hybrydy może zdziwić, że zużycie paliwa nie tylko nie jest mniejsze od klasycznych aut spalinowych, ale i potrafi być od nich wyższe. W sytuacji takiej elektroniczny sterownik zarządzający energetyczną „żonglerką” po prostu nie ma czym „żonglować”.
Mimo iż hybrydy pozwalają zaoszczędzić w ruchu miejskim, to są pojazdami posiadającymi silnik spalinowy oraz toksyczne w produkcji i trudne w utylizacji baterie. Czy zatem naprawdę są ekologiczne? Na to pytanie mogą przynieść odpowiedź dane serwisowe o trwałości baterii. Producenci jednak niechętnie się nimi dzielą, a jeśli już to robią, to musimy uwierzyć im na słowo ;)
mgr inż. Jacek Gembara
CZYTAJ TAKŻE: