AutoExpert
Reklama
Reklama

Co to jest hybryda?

Preview
Źródło: Mitsubishi
Maciej Blum
29.7.2021
Reklama
Reklama

Hybrydowy układ napędowy to taki napęd, który może wykorzystywać dwa odmienne źródła energii (lub więcej) do niezależnego napędzania samochodu. Oznacza to, że z założenia mogą one działać niezależnie. Konstruktorzy samochodów wykorzystują jednak takie połączenie do jeszcze jednego celu – wspierania napędu spalinowego. Ma to obniżyć zużycie paliwa i zmniejszyć emisję substancji szkodliwych w spalinach.

 

  • Hybrydowy układ napędowy to taki napęd, który może wykorzystywać dwa odmienne źródła energii.
  • Napęd hybrydowy nie musi składać się z kombinacji napędu silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym.
  • Dziś najczęściej stosuje się elektryczny napęd hybrydowy.
  • Maszyna elektryczna dysponuje dużym momentem obrotowym przy małej prędkości obrotowej.
  • Hybrydowe napędy łączące silnik elektryczny z silnikiem spalinowym dzieli się na napędy szeregow, równoległe lub ich kombinacje.
     

Za pierwsze pojazdy hybrydowe można więc uznać greckie i rzymskie statki, w których stosowano do napędu siłę mięśni (napęd wiosłowy) i pęd wiatru (napęd żaglowy).

Preview
Statek grecki (Triera). Do napędzania jednostki używano siły mięśni załogi lub pędu wiatru. Źródło: Domena publiczna/F. Mitchell, Department of History, United States Military Academy


Współcześnie napęd hybrydowy popularny jest w łodziach podwodnych. Przy zanurzeniu do napędu śruby używa się tam silników elektrycznych, a przy wynurzeniu śruba napędzana jest silnikiem spalinowym. Innym przykładem jest rower elektryczny, który może być napędzany siłą ludzkich mięśni lub silnikiem elektrycznym.
Najwięcej popularności napędy hybrydowe zdobywają w przemyśle motoryzacyjnym – jako źródła napędu samochodów. Najczęściej silnik spalinowy łączony jest z silnikiem elektrycznym. Wynika to z niewielkich wymiarów silników elektrycznych, dość łatwego magazynowania energii oraz możliwości łatwego sterowania.

Preview
Podstawowe funkcje zelektryfikowanego napędu hybrydowego. Energia elektryczna z akumulatorów używana jest tylko w krótkich okresach czasu. Źródło: Domena publiczna

Po co stosuje się napęd hybrydowy?

Napędy hybrydowe pierwotnie miały za zadanie zapewnić napęd pojazdu w warunkach, kiedy niemożliwe było skorzystanie z jednego rodzaju napędu. Jako dodatkowe źródło energii wykorzystywano akumulatory mechaniczne (koła zamachowe), hydrauliczne (akumulator hydrauliczny) czy pneumatyczne (akumulator ciśnienia).
Dziś najczęściej stosuje się elektryczny napęd hybrydowy – przede wszystkim z 3 głównych powodów:

  • zmniejszenia zużycia paliwa,
  • zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach,
  • zwiększenia momentu obrotowego i mocy dostarczanych do kół pojazdu.

Możliwe jest to dzięki wsparciu silnika spalinowego pracą silnika elektrycznego w najbardziej niekorzystnych dla silnika spalinowego warunkach, czyli w najbardziej nieekonomicznych zakresach pracy. Ma to miejsce  najczęściej podczas ruszania czy gwałtownego przyspieszania, czyli wtedy, gdy występuje największe zapotrzebowanie na energię do napędzania pojazdu.

Taki napęd ma także za zadanie:

  • odzyskiwanie energii wynikającej z ruchu pojazdu,
  • napędzanie pojazdu niezależnie od pierwotnego źródła napędu.

Hybrydy nie tylko elektryczne

Napęd hybrydowy nie musi składać się z kombinacji napędu silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym. W latach 80. XX w. Volvo prowadziło eksperymenty z autobusami, w których dodatkowym źródłem napędu były silniki hydrauliczne napędzane przepływem cieczy z akumulatorów hydraulicznych. Akumulator hydrauliczny jest potencjalnie tańszy i trwalszy niż akumulatory elektryczne. Wymaga jednak większej ilości miejsca, aby zapewnić ten sam zasięg co napęd elektryczny.
Innym przykładem może być koncepcyjna ciężarówka Ford F-350 Mighty Tonka, zaprezentowana w 2002 r. Wyposażona jest w akumulator hydrauliczny, który jest połączony ze skrzynią biegów. Ciśnienie w układzie hydraulicznym jest magazynowane podczas hamowania samochodu. Natomiast w chwili ruszania silnik hydrauliczny sprzężony ze skrzynią biegów może napędzać samochód przez maksymalnie 15 s, wykorzystując tylko energię z układu hydraulicznego. W tym czasie silnik spalinowy nie bierze udziału w napędzaniu samochodu.

Popularne było także magazynowanie energii mechanicznej za pomocą koła zamachowego. Ze względu na dużą masę wirującą spotkać je można było głównie w sprzęcie wojskowym i pojazdach ciężkich, takich jak autobusy (Gyrobus). Rozwiązanie stosowane w 1951 r. w autobusie Gyrobus polegało na zabudowaniu w podwoziu koła zamachowego o średnicy 160 cm i masie 1,5 t. Koło było napędzane do prędkości obrotowej równej 3000 obr./min z sieci trakcyjnej na przystanku. Po odłączeniu od sieci trakcyjnej napędzało zainstalowany na jego wale generator, który zasilał silniki trakcyjne autobusu.

Preview
Układ napędowy autobusu Gyrobus (a) i koło zamachowe z prądnicą (b).  1 – koło zamachowe z generatorem
2 – silnik trakcyjny
3 – kondensatory
4 – bateria pomocnicza
5 – pantografy
6 – styki włączające i uziemiające
7 – regulator prędkości
8 – regulator siły napędowej
9 – dźwignia przyspieszenia sterująca regulatorem 7
10 – dźwignia przyspieszenia sterująca regulatorem 8
11 – maszt zasilający
12 – włącznik
13 – cewka ładująca
Źródło: Faykristof, CC BY-SA 4.0 <
https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

Rozwiązanie to jednak nie przyniosło spektakularnych efektów. Koło zamachowe było ciężkie, a efekt żyroskopowy wpływał na prowadzenie autobusu. Ponadto łożyska koła zamachowego ulegały częstej awarii, co przy prędkości obwodowej koła zamachowego wynoszącej ok. 900 km/h stanowiło istotny problem związany z bezpieczeństwem.

Dlaczego napęd elektryczny?

Połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym okazało się rozwiązaniem skuteczniejszym z kilku powodów:

  • maszyna elektryczna dysponuje dużym momentem obrotowym przy małej prędkości obrotowej i w ten sposób może idealnie uzupełnić silnik spalinowy, w którym moment obrotowy zwiększa się dopiero w zakresie średnich prędkości obrotowych,
  • wspomaganie silnikiem elektrycznym umożliwia pracę silnika spalinowego w zakresie największej sprawności lub najmniejszej emisji substancji szkodliwych w spalinach,
  • zastosowanie silnika elektrycznego umożliwia użycie mniejszego silnika spalinowego,
  • przy obecnym rozwoju elektroniki możliwe jest łatwe sterowanie układem napędowym,
  • sterowanie łatwo można zintegrować z pozostałymi komponentami samochodu,
  • można stosować źródła energii, które są w stanie szybko przyjąć i szybko oddać zgromadzoną energię (kondensatory, superkondensatory),
  • niewielkie gabaryty przy dużej mocy silników elektrycznych.
Preview
Charakterystyka napędowa samochodu z silnikiem spalinowym i elektrycznym. Parabole określają zmianę przebiegu momentu obrotowego w funkcji prędkości pojazdu na poszczególnych biegach – przy napędzie silnikiem spalinowym – co bezpośrednio wynika z oporów jazdy. Linia przerywana przedstawia zmianę momentu obrotowego dla silnika elektrycznego. Źródło: Domena publiczna

Rodzaje elektrycznych napędów hybrydowych

Reklama

Hybrydowe napędy łączące silnik elektryczny z silnikiem spalinowym dzieli się na napędy:

Reklama

Szeregowe – silnik spalinowy pracuje cały czas w optymalnym zakresie obrotów, napędzając generator prądu. Energia elektryczna z generatora jest przekazywana do silnika lub silników elektrycznych napędzających koła, a nadmiar energii przekazywany jest do akumulatorów. Możliwy jest odzysk energii przez rekuperację, czyli w trakcie hamowania pojazdem. Energia kinetyczna zamieniana jest w energię elektryczną przez silnik trakcyjny, który pracuje jako generator.  Silnik elektryczny w razie potrzeby może również korzystać z energii zgromadzonej w akumulatorach i napędzać pojazd niezależnie od silnika spalinowego. W tym przypadku nie ma bezpośredniego przeniesienia momentu obrotowego z silnika spalinowego na koła. Przykłady zastosowania: BMW i3 z Range Extenderem, Fisker Karma.

Preview
Szeregowy napęd hybrydowy. Źródło: Domena publiczna

Szeregowo-równoległe – kombinacja napędu szeregowego z równoległym polega na tym, że silnik spalinowy i silniki elektryczne mogą niezależnie napędzać koła pojazdu, ale mogą też napędzać je wspólnie. Główna różnica w stosunku do napędu szeregowego polega na zastosowaniu sprzęgła między silnikiem elektrycznym a generatorem. Napęd ten jest napędem kombinowanym, co oznacza, że silnik spalinowy może bezpośrednio napędzać koła pojazdu przez przekładnię mechaniczną, ale może też pracować jako napęd generatora, który napędzają trakcyjne silniki elektryczne. Przykłady zastosowania: Lexus GS450h.

Preview
Szeregowo-równoległy napęd hybrydowy z rozdziałem mocy. Źródło: Fred the Oysteri The source code of this  SVG is valid. This  vector image was created with Adobe Illustrator., CC BY-SA 4.0 by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

Równoległe – napędy równoległe można podzielić na napędy o jednym sprzęgle, dwóch sprzęgłach i rozdzielonych osiach. W układach hybrydowych o jednym i dwóch sprzęgłach silnik elektryczny i silnik spalinowy z założenia napędzają jedną oś pojazdu. Aby mieć możliwość rozdzielenia prędkości obrotowych silnika spalinowego i silnika elektrycznego, oba silniki muszą być od siebie mechanicznie rozdzielone. W napędzie równoległym jest to możliwe przez fizyczne oddzielenie napędu spalinowego od napędu elektrycznego. Gdy potrzebna jest duża moc, silnik elektryczny i spalinowy mogą pracować równolegle. Podczas hamowania silnik elektryczny jest generatorem energii elektrycznej. Napęd silnikiem elektrycznym realizowany jest przez rozsprzęglenie silnika spalinowego w celu uniknięcia niepotrzebnych strat energii. Z tego powodu sprawność napędu równoległego jest większa niż innych odmian napędu hybrydowego.

Preview
Napęd równoległy umożliwia fizyczne rozdzielenie napędu silnikiem spalinowym od napędu silnikiem elektrycznym. Źródło: CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1527624

W napędzie z rozdzielonymi osiami silnik spalinowy napędza oś przednią, natomiast silnik elektryczny – oś tylną. Przez oś tylną następuje też ładowanie akumulatorów podczas odzysku energii hamowania. W sytuacji, gdy oba napędy są aktywne, mamy do czynienia z napędem na 4 koła. Napędy na poszczególne osie mogą działać w tym układzie niezależnie i mogą być niezależnie odłączane.

Napędy o rozdzielonej mocy, dwuzakresowy i z dwusprzęgłową skrzynią biegów – połączenie silnika elektrycznego z dwusprzęgłową skrzynią biegów daje pewne możliwości optymalizacji pracy silnika spalinowego.

Dwusprzęgłowa skrzynia biegów umożliwia połączenie silnika elektrycznego z jednym z zespołów skrzyni biegów, pracę tego silnika przy innej wartości przełożenia niż wartość przełożenia drugiego zespołu skrzyni biegów, z którym połączony jest silnik spalinowy. To umożliwia ustalenie optymalnych warunków pracy maszyny elektrycznej, niezależnie od punktów pracy silnika spalinowego.

W napędzie o rozdzielonej mocy punktem centralnym jest przekładnia planetarna, która odpowiada za podział mocy z silnika spalinowego na dwie drogi – do napędu kół i do napędu generatora. Dzięki przekładni planetarnej maszyna elektryczna dopasowuje prędkość obrotową i moc silnika spalinowego do zapotrzebowania na prędkość obrotową kół i moment napędowy. W tym układzie przekazywanie mocy drogą mechaniczną jest możliwe tylko wtedy, gdy jest napędzana maszyna elektryczna, czyli gdy występuje obciążenie elektryczne generatora.

W napędzie dwuzakresowym zastosowano dwie przekładnie planetarne, z czego jedna jest napędzana mechanicznie, a druga elektrycznie. Rozwiązanie to pozwala na zwiększenie sprawności dzięki zwiększeniu możliwości realizacji połączeń wałów wejściowych i wyjściowych. Bezpośrednie przełożenie mechaniczne jest tutaj możliwe dzięki zastosowaniu dwóch sprzęgieł blokujących jarzma satelit.

Hybrydy typu Plug-In – samochody typu Plug-In Hybrid (PHEV) mają dwie charakterystyczne cechy:
– można je ładować z sieci zewnętrznej,
– mogą poruszać się z wykorzystaniem napędu elektrycznego.

Pojazdy PHEV mogą być wyposażone w napęd szeregowy lub równoległy, jednak dodatkowo są wyposażone w akumulatory o większej pojemności, które mogą być doładowywane z sieci zewnętrznej. Na pewnych dystansach mogą być zupełnie niezależne od zasilania paliwem ciekłym.

Preview
Mitsubishi Outlander PHEV. Z przodu samochodu znajduje się silnik spalinowy z generatorem prądu, pod podłogą – bateria akumulatorów, natomiast w tylnej części – zbiornik paliwa, a za nim silnik elektryczny napędzający tylną oś. W trakcie jazdy z wykorzystaniem silnika spalinowego akumulatory są doładowywane przez generator. W trakcie hamowania silnik elektryczny pracuje jako generator, ładując akumulatory przez odzysk energii. Podczas przyspieszania silnik spalinowy napędza koła przednie, a silnik elektryczny napędza koła tylne. To rozwiązanie pozwala też na napędzanie równocześnie 4 kół bez stosowania dodatkowego przeniesienia napędu na tylną oś. Dodatkowo w tym modelu możliwe jest doładowywanie akumulatorów z sieci elektrycznej. Źródło: Mitsubishi

Mild Hybrid, start-stop, Power Assist – „mild hybrid” („łagodna hybryda”) oznacza, że samochód nie jest wyposażony w niezależne dodatkowe źródło napędu, czyli musi stale korzystać z pierwotnego napędu silnikiem spalinowym. Sterowanie silnikiem spalinowym jest jednak zmodyfikowane, aby możliwe stało się spełnienie norm emisji spalin. Pierwszym systemem z rodziny „łagodnej hybrydy” jest system „start-stop”, który polega na automatycznym wyłączaniu silnika spalinowego podczas postoju – np. na światłach. Aby jednak systemy elektryczne i komfortu działały w czasie postoju, osprzęt silnika musiał zostać zmodyfikowany. Przede wszystkim zastosowano elektrycznie napędzany kompresor układu klimatyzacji. Kolejnym rozwiązaniem jest funkcja „Power Assist”, która polega na zastosowaniu dodatkowego silnika elektrycznego sprzężonego z silnikiem spalinowym. Silnik elektryczny nie jest jednak silnikiem trakcyjnym, lecz pełni funkcję wspomagającą wtedy, gdy występuje duże zapotrzebowanie na moment obrotowy. Silnik elektryczny jest połączony przekładnią pasową z wałem korbowym silnika spalinowego i pełni też funkcję generatora prądu, pozwalając na odzyskiwanie energii podczas hamowania silnikiem. Silnik ten pełni także funkcję rozrusznika dla silnika spalinowego.

Preview
Silnik elektryczny wspomagający silnik spalinowy jest rozwiązaniem typu „mild hybrid”. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

Mimo potocznego nazywania tych systemów hybrydowymi nie są one napędami hybrydowymi, ponieważ głównym i jedynym źródłem napędu samochodu jest silnik spalinowy. Silnik elektryczny pełni natomiast funkcję wspomagającą. 

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama