Jak funguje hybridní motor, výhody a nevýhody ekonomického motoru
Obsah
Vznik hybridních vozidel se stal nuceným opatřením výrobců automobilů při přechodu od spalovacích motorů (ICE) na uhlovodíková paliva k čistším elektrárnám. Technologie zatím neumožnila vznik plnohodnotného elektromobilu, auta na palivové články ani žádného jiného z velkého seznamu teoreticky možných směrů rozvoje autonomní dopravy a potřeba již dozrála.
Vlády začaly silně zasahovat do automobilového průmyslu s požadavky na ochranu životního prostředí a spotřebitelé chtěli vidět kvalitativní krok vpřed a ne další mikroskopické vylepšení motoru známého více než století na jednom z produktů rafinace ropy.
Které auto se nazývá "hybrid"
Pohonná jednotka mezistupně začala být kombinací již osvědčené konstrukce spalovacího motoru a jednoho či více elektromotorů.
Elektrická část trakčního vozu je poháněna generátory mechanicky propojenými s plynovým nebo naftovým motorem, bateriemi a rekuperačním systémem, který vrací energii uvolněnou při brzdění vozidla do pohonu.
Všechna četná schémata pro praktickou realizaci myšlenky se nazývají hybridy.
Někdy výrobci klamou zákazníky tím, že nazývají hybridní systémy, kde elektrický pohon slouží pouze ke spuštění hlavního motoru v režimu start-stop.
Vzhledem k tomu, že neexistuje spojení mezi elektromotory a koly a možnost jízdy na elektrickou trakci, je nesprávné připisovat taková auta hybridním.
Princip činnosti hybridních motorů
Se všemi různými konstrukcemi mají tyto stroje společné rysy. Rozdíly jsou ale z technického hlediska tak velké, že ve skutečnosti jde o různá auta se svými výhodami a nevýhodami.
Zařízení
Každý hybrid obsahuje:
- spalovací motor s převodovkou, palubní nízkonapěťovou napájecí sítí a palivovou nádrží;
- trakční motory;
- akumulátorové baterie, nejčastěji dosti vysokonapěťové, sestávající z baterií zapojených do série a paralelně;
- silové vedení s vysokonapěťovým spínáním;
- elektronické řídicí jednotky a palubní počítače.
Zajištění všech provozních režimů integrované mechanické a elektrické převodovky obvykle probíhá automaticky, řidiči je přiděleno pouze obecné řízení provozu.
Schémata práce
Elektrické a mechanické komponenty je možné vzájemně propojovat různými způsoby, postupem času vynikla osvědčená specifická, často používaná schémata.
To neplatí pro pozdější zařazení pohonu podle konkrétního podílu elektrické trakce na celkové energetické bilanci.
Důsledné
Úplně první schéma, nejlogičtější, ale nyní málo používané v autech.
Jeho hlavním úkolem byla práce v těžké technice, kde kompaktní elektrické komponenty úspěšně nahradily objemný mechanický převod, který je navíc velmi obtížně ovladatelný. Motor, obvykle vznětový motor, je zatížen výhradně elektrickým generátorem a není přímo spojen s koly.
Proud generovaný generátorem lze využít k nabíjení trakční baterie a tam, kde není k dispozici, je posílán přímo do elektromotorů.
Může být jeden nebo více z nich, až po instalaci na každé kolo automobilu podle principu tzv. motorových kol. Velikost tahu reguluje výkonová elektrická jednotka a spalovací motor může neustále pracovat v nejoptimálnějším režimu.
Paralelní
Toto schéma je nyní nejběžnější. V něm elektromotor a spalovací motor pracují pro společnou převodovku a elektronika reguluje optimální poměr spotřeby energie každého z pohonů. Oba motory jsou spojeny s koly.
Je podporován režim zotavení, kdy se při brzdění elektromotor změní na generátor a dobíjí akumulátor. Nějakou dobu se vůz může pohybovat pouze na svůj náboj, hlavní spalovací motor je tlumený.
V některých případech je použita baterie značné kapacity vybavená možností externího nabíjení z domácí AC sítě nebo specializované nabíjecí stanice.
Obecně je zde role baterií malá. Jejich přepínání je ale zjednodušené, nebezpečné vysokonapěťové obvody zde nejsou potřeba a hmotnost baterie je mnohem menší než u elektromobilů.
Smíšené
V důsledku rozvoje technologie elektrického pohonu a úložné kapacity vzrostla role elektromotorů při vytváření tažného úsilí, což vedlo ke vzniku nejpokročilejších sériově paralelních systémů.
Zde se rozjíždění z klidu a pohyb v nízkých rychlostech provádí na elektrickou trakci a spalovací motor se připojuje pouze při požadavku na vysoký výkon a při vybití baterií.
Oba motory mohou pracovat v režimu pohonu a promyšlená elektronická jednotka volí, kam a jak směrovat toky energie. Řidič to může sledovat na grafickém informačním displeji.
Jako u sériového obvodu je použit přídavný generátor, který může dodávat energii elektromotorům nebo nabíjet baterii. Brzdná energie je rekuperována zpětným chodem trakčního motoru.
Takto je uspořádáno mnoho moderních hybridů, zejména jeden z úplně prvních a známých - Toyota Prius
Jak funguje hybridní motor na příkladu Toyoty Prius
Tento vůz je nyní ve své třetí generaci a dosáhl určitého stupně dokonalosti, i když konkurenční hybridy nadále zvyšují složitost a efektivitu návrhů.
Základem pohonu je zde princip synergie, podle kterého se spalovací motor a elektromotor mohou v libovolné kombinaci podílet na vytváření točivého momentu na kolech. Paralelnost jejich práce poskytuje komplexní mechanismus planetového typu, kde se toky výkonu směšují a přenášejí přes diferenciál na hnací kola.
Rozjezd a rozjezdová akcelerace je prováděna elektromotorem. Pokud elektronika zjistí, že její schopnosti nestačí, připojí se ekonomický benzinový motor pracující na Atkinsonově cyklu.
U běžných vozů s Ottovymi motory nelze takový tepelný cyklus použít kvůli přechodným podmínkám. Tady je ale zajišťuje elektromotor.
Režim volnoběhu je vyloučen, pokud Toyota Prius automaticky nastartuje spalovací motor, okamžitě se pro něj najde práce, která pomůže při akceleraci, dobije baterii nebo zajistí klimatizaci.
Při stálém zatížení a při optimálních otáčkách minimalizuje spotřebu benzínu a nachází se v nejvýhodnějším bodě své vnější rychlostní charakteristiky.
Neexistuje žádný tradiční startér, protože takový motor lze spustit pouze jeho roztočením na značnou rychlost, což je to, co dělá reverzibilní generátor.
Baterie mají různé kapacity a napětí, v nejsložitější dobíjecí verzi PHV jsou ty už zcela běžné u elektromobilů 350 voltů při 25 Ah.
Výhody a nevýhody hybridů
Jako každý kompromis jsou hybridy horší než čistě elektrická vozidla a běžná klasická vozidla na olej.
Ale zároveň přinášejí zisk v řadě vlastností, pro někoho, kdo působí jako hlavní:
- zjednodušení prostředků používaných k boji proti škodlivým emisím spalovacích motorů;
- dosažení určité spotřeby paliva, nicméně sporné;
- možnost pohybu po čistě elektrické trakci tam, kde je zakázáno použití spalovacích motorů;
- celkem jednoduché zvýšení deklarované kapacity;
- nemožnost, na rozdíl od elektromobilu, zůstat bez energie mimo elektrickou síť.
Všechny nevýhody jsou spojeny s komplikovaností technologie:
- potřeba kompetentního personálu speciálně vyškoleného pro práci s hybridy;
- zvýšení hmotnosti vozidla, které také spotřebovává palivo;
- vyšší cena vozu;
- ztráta elektrických vozidel v důsledku zachování spalovacího motoru a všeho s ním spojeného;
- stále nedostatečně vyvinuté technologie a chybějící jednotný přístup k designu;
- špatná šetrnost k životnímu prostředí při výrobě baterií a jejich likvidaci.
Je možné, že výroba hybridů bude pokračovat i po úplném zániku klasických aut.
To se ale stane pouze v případě, že vznikne jediný kompaktní, ekonomický a dobře ovladatelný motor na uhlovodíkové palivo, který bude dobrým doplňkem elektromobilu budoucnosti a výrazně zvýší jeho dosud nedostatečnou autonomii.
