Współczesne wyzwania motoryzacji - pojazdy hybrydowe. Geneza i rodzaje.

   Wprowadzenie europejskich norm emisji toksycznych składników spalin emitowanych przez pojazdy samochodowe do atmosfery oraz limitów emisji dwutlenku węgla dla nowych samochodów osobowych wdrożonych przez Unię Europejską w 2007 roku w ramach strategii zmniejszania wydzielania gazów cieplarnianych (tzw. normy EURO), spowodowało konieczność wdrożenia zmian w konstrukcji nowych pojazdów przez ich producentów. W tym celu konstruktorzy pojazdów zaczęli projektować samochody wyposażone w silniki spalinowe o małych pojemnościach skokowych, aby poprzez zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa (z 1 kW mocy silnika), co bezpośrednio przekłada się na obniżenie eksploatacyjnego zużycia paliwa (w dm³/100 km) -  ograniczyć ilość, generowanych i wydobywających się spalin na zewnątrz pojazdu.  Innymi słowy przyjęto strategię opartą na mniejszym zużyciu paliwa przez samochód, co znalazło swoje odzwierciedlenie w mniejszej ilości produkowanych przez pojazd związków toksycznych. Jednak nie zapominano również i o tym, aby tak zaprojektowane pojazdy, o małej pojemności skokowej jednostki napędowej, czyli gabarytowo mniejsze, charakteryzowały się  odpowiednimi osiągami, czyli dużym momentem obrotowym silnika odpowiedzialnym za dynamikę samochodu (przyspieszanie, rozpędzanie, zdolność do pokonywania wzniesień) oraz mocą umożliwiającą poruszanie się samochodu z możliwie maksymalną prędkością po drodze.

Dlatego, w celu sprostania i tym wymaganiom, zaczęto doposażać samochody w mechaniczne sprężarki lub turbosprężarki. Strategię tę ogólnie określono mianem tzw. „downsizingu” silników spalinowych z których chciano uzyskać jak największy jednostkowy wskaźnik mocy, czyli maksymalną moc jaką można otrzymać z jednostkowej objętości skokowej pojedynczego cylindra. Ponadto, aby sprostać wymaganiom norm dotyczącym czystości spalin wynaleziono m. in. system Start-Stop, jak również zwiększono udział silników zasilanych paliwami alternatywnymi (ciekłym gazem propan-butan LPG, sprężonym gazem ziemnym CNG, skroplonym gazem ziemnym LNG), a także wprowadzono dodatki do paliwa w postaci alkoholi - metanolu i etanolu, a także zwiększono liczebność na rynku modeli samochodów z alternatywnymi układami napędowymi, czyli pojazdy hybrydowe oraz elektryczne.

   Pojazdy hybrydowe to środki transportu wyposażone w napęd, który najczęściej stanowi połączenie silnika spalinowego (benzynowego o zapłonie iskrowym lub zasilanego olejem napędowym o zapłonie samoczynnym) z maszyną elektryczną, która może pracować albo jako silnik elektryczny (energia elektryczna - pochodząca z akumulatora, bądź z baterii naładowanych kondensatorów albo też z tzw. ogniwa paliwowego - jest zamieniana w energię mechaniczną, która następnie jest transportowana do kół napędowych pojazdu) albo ta sama maszyna może pracować jako generator (prądnica) prądu - wówczas energia mechaniczna która pochodzi np. od silnika spalinowego i napędza wał takiej maszyny, jest zamieniana na energię elektryczną, która umożliwia doładowanie akumulatora, czy naładowanie wspomnianego wcześniej kondensatora.

Zatem w takim samochodzie mamy do czynienia nie z jednym, ale z dwoma rodzajami silników - spalinowym i elektrycznym, z których napęd (moment obrotowy, moc) jest doprowadzany do kół przednich (samochód przednionapędowy) lub tylnych (samochód tylnonapędowy) lub do wszystkich kół równocześnie pojazdu (tzw. stały napęd 4x4) i dzięki któremu może on poruszać się po drodze i  spełniać wszystkie swoje zamierzone funkcje i cele. Silniki te mogą pracować na przemian lub jednocześnie, w zależności od potrzeb, np.: w trybie miejskim - tylko silnik elektryczny, a poza miastem - spalinowy. Jak już wspomniano wcześniej silnik elektryczny może też spełniać funkcję generatora i ładować źródło prądu (akumulator, kondensator) nie tylko w wyniku napędzania go silnikiem spalinowym podczas jazdy, ale także podczas hamowania. Mówimy wówczas o tzw. rekuperacji, czyli odzyskiwaniu energii mechanicznej podczas hamowania pojazdu silnikiem albowiem część kinetycznej energii mechanicznej jest z powrotem odzyskiwana (zamieniana) na energię elektryczną, a nie w całości zamieniana na energię cieplną bezpowrotnie traconą przez samochód. W układach takich montowany benzynowy silnik spalinowy ma moc wystarczającą do poruszania się pojazdem dla optymalnych parametrów pracy przy średnich prędkościach jazdy samochodem. Przyjmuje się, iż jest to około 1/4 mocy silników obecnie stosowanych.

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem takiego silnika spalinowego w pojazdach hybrydowych jest silnik pracujący w cyklu Atkinsona. Ma on lepszą sprawność w zakresie średnich prędkości obrotowych, a różnica w stosunku do tradycyjnego czterosuwowego silnika spalinowego pracującego w cyklu Otta polega na tym, że kiedy zaczyna się suw sprężania, zawory dolotowe są wciąż jeszcze otwarte. Zamykają się one z pewnym opóźnieniem i dlatego suw sprężania zostaje wyraźnie skrócony. Nie sprzyja to uzyskiwaniu dużej mocy maksymalnej, ale taki zabieg bywa stosowany, gdy priorytetem jest obniżenie zużycia paliwa oraz zwiększenie całkowitej sprawności (mechanicznej i cieplnej) samego silnika, który może wówczas wykonać większą pracę nad układem.

Całość sterowana jest przez układ elektroniczny zapewniający optymalne wykorzystanie energii.

Pojazdy hybrydowe, generalnie możemy podzielić na:

• szeregowe - czyli takie, które charakteryzują się rzędowym (szeregowym) umieszczeniem przetworników energii - maszyny elektrycznej i silnika spalinowego; w układzie szeregowym niezbędne są dwie maszyny elektryczne, z których jedna pełni rolę generatora prądu, a druga silnika elektrycznego; generator prądu jest napędzany silnikiem spalinowym, a moc, która wprawia pojazd w ruch i jest przekazywana na wał napędowy, pochodzi wyłącznie z silnika elektrycznego; w zależności od zastosowanej strategii napędu, silnik spalinowy w każdej chwili może uzupełniać aktualne zapotrzebowanie na energię lub też może być eksploatowany w najbardziej ekonomicznym zakresie pracy, a nadmiar wytwarzanej energii może służyć do ładowania akumulatora,
• równoległe -czyli takie, w których po mieście pojazd będzie napędzany tyko silnikiem elektrycznym, a w trybie pozamiejskim tylko silnikiem spalinowym, a w sytuacji kiedy wzrośnie zapotrzebowanie na moc pojazdu, oba silniki będą równocześnie doprowadzać napęd do kół pojazdu; w odróżnieniu od układu szeregowego, w równoległym napędzie hybrydowym występuje tylko jedna maszyna elektryczna, która jest połączona mechanicznie z wałem korbowym silnika spalinowego i może pracować jako generator prądu lub silnik elektryczny; chodzi tu o dodawanie momentu obrotowego, przy którym jego udziały pochodzącego od silnika  spalinowego lub elektrycznego mogą być dowolnie dobierane,
• szeregowo-równoległe - czyli takie, które stanowią kombinację układu szeregowego z równoległym; zasadnicza różnica w stosunku do napędu szeregowego polega na zastosowaniu sprzęgła, które łączy ze sobą obie maszyny elektryczne - generator prądu i silnik elektryczny; przy wyłączonym sprzęgle układ działa tak, jak napęd szeregowy, a po włączeniu sprzęgła silnik spalinowy może oddawać moc bezpośrednio na osie napędowe, co odpowiada równoległemu układowi napędowemu.

   Bez wątpienia zaletą układów hybrydowych jest zmniejszenie zużycia paliwa, a zatem i emisji szkodliwych spalin (obecnie spełniają najbardziej rygorystyczne normy w tym zakresie) oraz hałasu. Wadą ich jest natomiast większa masa i cena pojazdu oraz większe rozmiary i komplikacja układów głównie z powodu zastosowania wymagających źródeł napięcia (akumulatorów, kondensatorów). Warto jednak w tym miejscu zaznaczyć, iż niektóre pojazdy hybrydowe zostały doposażone w tzw. wtyczkę (plug-in), która umożliwia bezpośrednie naładowanie samego akumulatora z zewnętrznej stacji ładującej, a nie tylko z generatora prądu  w samochodzie.

  Szanowni Państwo, już niebawem  zaprosimy Państwa do salonu Renault Auto-Zięba mieszczącego się w Katowicach przy ulicy Kościuszki 257, aby osobiście zapoznać się z bardzo ciekawymi ofertami samochodów hybrydowych marki Renault, które pojawią się na rynku polskim, a które bez wątpienia stanowić będą bardzo ciekawą alternatywę dla tradycyjnych pojazdów wyposażonych w silniki spalinowe oraz pojazdów zasilanych tylko elektryczną jednostką napędową.

W kolejnym artykule zaprezentujemy szczegółowy opis modeli hybrydowych w marce Renault.

Tekst dr inż. Piotr Gustof

Politechnika Śląska, Wydział Transportu i Inżynierii Lotniczej

Dyrekcja Techniczna Obiektu Auto-Zięba