Hybridný pohon automobilov

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Referát
Dátum: 19.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 5 570 slov
Počet zobrazení: 3 615
Tlačení: 242
Uložení: 268
Hybridný pohon automobilov

1 Predslov
Automobilové spoločnosti nás už dlhší čas prekvapujú zaujímavými štúdiami. Elektromobily, solárne autá alebo autá využívajúce biopalivo. Všetko sú to zaujímavé vozidlá. Najmä hybridné automobily sa javia ako možná alternatíva do budúcnosti predstavujúc medzistupeň medzi klasickými spaľovacími motormi a elektromotormi. Trendy ukazujú, že automobilový trh zaznamenáva zvyšujúci sa záujem o ekologické automobily, čomu sa prispôsobujú aj popredné automobilové spoločnosti produkciou a vývojom nových hybridov, aj keď vysoké náklady na výrobu stále patria medzi ich najväčšie negatíva a brzdia ich vo väčšom rozšírení. Ich rastúca popularita v očiach technickej i laickej verejnosti im však postupne prináša čoraz väčší záujem u kupujúcich a s tým spojenú rastúcu produkciu. To spätne umožní znížiť výrobné náklady a konečnú cenu pre zákazníka, čo bude mať za následok ďalšie zvýšenie predaja a zároveň aj vývoja nových riešení a technológií. Takto postupujúci vývoj trhu ukazuje pravdepodobnú blízku budúcnosť, v ktorej sa hybridné autá stanú neoddeliteľnou súčasťou života, kompletne nahradia obyčajné spaľovacie motory, odľahčia životné prostredie a súčasne vytvoria priestor pre rozvoj bezemisných automobilov. A preto som sa rozhodol zaoberať sa touto problematikou. Postupne sa pokúsim objasniť zloženie a činnosť hybridného pohonu, jeho výhody aj nevýhody, rozdelenie hybridov a rozdiely medzi nimi tak, aby som uspokojil odbornú verejnosť, ale zároveň prebudil záujem o tému u nezainteresovaných ľudí. Nakoniec vás zoznámim s existujúcimi modelmi hybridných vozidiel ako aj s ich rôznymi zaujímavými štúdiami.

2  Spaľovací motor v hybridnom automobile
Prvou časťou hybridného pohonu je spaľovací motor (obrázok 1). Je to stroj, ktorý spálením paliva premieňa jeho chemickú energiu na mechanickú prácu. V hybridných automobiloch sa používa štvortaktný zážihový motor alebo ojedinele aj motor vznetový. Vstreknutá palivová zmes sa vo valci zážihového motora zapaľuje elektrickou iskrou. Palivová zmes sa do spaľovacieho priestoru vstrekuje priamo alebo nepriamo. Stlačená zmes sa zapaľuje iskrou, ktorá preskočí medzi elektródami sviečky. Vzniknutý plyn vysokej teploty a tlaku sa horením rozpína, posunie piest nadol, ten roztočí kľukový hriadeľ, ktorý prenesie kinetickú energiu prostredníctvom prevodov na kolesá, a tak ich roztáča.. Pri vznetových motoroch sa miesto zapaľovania zmesi iskrou vstreknutá zmes vznieti pri kontakte s vysoko stlačeným horúcim vzduchom.
 
2.1  Stavba štvortaktného spaľovacieho motoru
Základné časti štvortaktného spaľovacieho motoru sú valce, piesty, ojnice, kľukový hriadeľ, ventily a ventilové rozvody a pri benzínových motoroch aj elektrická sviečka a zapaľovací systém. Medzi ďalšie časti motora patrí výfukový systém, chladiaci systém, mazací systém, zotrvačník a štartér, ako aj pomocné zariadenia ako napr. alternátor a riadiaca elektronika. Valec je centrálna časť piestového motoru, priestor, v ktorom sa pohybuje piest a prebieha proces spaľovania paliva. Valce sa nachádzajú v motorovom bloku a najčastejšie bývajú usporiadané radovo, vidlicovo alebo viacradovo. Piest tvorí utesnené pohyblivé dno valca. Piest sprostredkuje prenos energie medzi tlakom utesnených plynov a pohyblivým mechanizmom spojeným s piestom. Pri spaľovacích motoroch má valcovitý tvar.

Ojnica spája piest s kľukovým hriadeľom. Prenáša energiu medzi tlakom plynov pôsobiacich na piest a kľukovým hriadeľom. Skladá sa z hlavy piestneho čapu a hlavy ojnicového čapu. Kľukový hriadeľ je časť motora, ktorá premieňa priamočiary pohyb piestu na pohyb rotačný. Je zložený z krátkych valcových čapov navzájom pevne spojených ramenami. Čapy umiestnené v osi otáčania hriadeľa sa nazývajú kľukové, vyosené čapy sa nazývajú ojničné a nasadzuje sa na ne ojnica. Zotrvačník je veľký disk na kľukovom hriadeli, ktorý sa používa na zamedzenie jeho nerovnomerného otáčania. Nerovnomerné otáčanie nastáva pri expanzii, kde sa otáčanie hriadeľa zrýchľuje a pri ostatných taktoch sa spomaľuje.Ventil je zariadenie, ktorým sa reguluje množstvo vstreknutého paliva do spaľovacej komory, a to otvorením alebo zavretím sacieho potrubia. Elektrická sviečka je súčiastka, ktorá nachádza vo vrchnej časti valca a zapaľuje stlačenú palivovú zmes vo valci prehodením elektrickej iskry.

Štartér je elektrický motor, ktorý pohybuje spaľovacím motorom dovtedy, kým nie je schopný samostatnej činnosti. Štartér je poháňaný elektrickou batériou v automobile. Výfukový systém je potrubie, ktoré sa používa na odvádzanie splodín, ktoré vznikajú pri spaľovaní paliva v motore.Chladiaci systém pozostáva z potrubí, chladiča, ventilátoru a pumpy. Mazací systém zabezpečuje hladké trenie pohyblivých častí motora o seba. Mazanie sa zabezpečuje mazacou pumpou alebo nepriamym vstreknutím oleja na čapy ojnice. Nedostatok maziva spôsobuje zvýšené opotrebovanie častí motora, ich vzájomný kontakt, prehrievanie motora, a v krajných prípadoch aj zatavenie piestov k valcom.
 
2.2  Princíp činnosti štvortaktného spaľovacieho motoru
Klasický piestový spaľovací motor mení spaľovaním zmesi chemickú energiu na mechanickú energiu pohybujúceho sa piestu, na tepelnú a kinetickú energiu výfukových plynov. Časť vytvorenej mechanickej energie sa spotrebuje na krytie mechanických a tepelných strát. Pracovný cyklus zážihového štvortaktného motora pozostáva zo štyroch taktov:
1.nasávanie - pri pohybe piestu nadol sa plní valec cez nasávací kanál popri otvorenom ventile (alebo viacerých ventiloch) zmesou vzduchu a paliva (pre motory s priamym vstrekom paliva sa nasáva čistý vzduch)
2.stláčanie (kompresia) - valec pri pohybe nahor stláča palivovú zmes (pri priamom vstrekovaní sa v tomto takte vstrekne palivo). Obidva ventily sú zatvorené. Tesne pred koncom zdvihu preskočí iskra a zapáli palivovú zmes.
3.spaľovanie a expanzia - stlačená zmes paliva a vzduchu horením expanduje a tlačí piest nadol
4.výfuk - spaliny sú vytláčané piestom z valca do výfukového potrubia cez výfukový kanál (ventily)
  Pracovný cyklus vznetového štvortaktného motora sa tiež skladá zo štyroch taktov:
1.nasávanie - pri pohybe piesta nadol sa plní valec cez nasávací ventil vzduchom
2.stláčanie (kompresia) - valec pri pohybe nahor stláča vzduch. Tesne pred koncom zdvihu sa vstrekne palivo, ktoré sa v horúcom stlačenom vzduchu vznieti.
3.spaľovanie a expanzia - stlačená zmes paliva a vzduchu horením expanduje a tlačí piest nadol
4.výfuk - spaliny sú vytláčané piestom z valca do výfukového potrubia cez výfukový ventil
 
3 Motor-generátor v hybridnom automobile
Motor-generátor je elektrické zariadenie, ktoré je schopné fungovať ako elektromotor (obrázok 2) alebo ako elektrický generátor. Motor-generátor dokáže premieňať elektrickú energiu na mechanickú a naopak. Motorgenerátor je vo svojej podstate elektrický točivý stroj, ktorý spája funkciu elektromotora a generátora elektrického prúdu do jedného zariadenia. Problematika elektrických točivých strojov je veľmi široká, a preto sa pre účely tejto práce obmedzím len na popis základných fyzikálnych princípov.
 
3.1 Stavba motorgenerátoru
Motor-generátor spája obidve zariadenia do jedného takým spôsobom, že na spoločnom rotore je vinutie elektromotora aj generátora a stator je len jeden spoločný pre obe funkcie zariadenia. Rovnako aj ostatné mechanické časti ako vonkajšia skriňa či ložiská sú spoločné. Zariadenie je tak veľmi kompaktné a šetrí tým zástavbový priestor aj hmotnosť. V hybridných automobiloch sa najčastejšie používa motor-generátor, ale záležiac od konštrukcie vozidla sa používa aj oddelený elektromotor od generátoru.
 
3.2 Funkcia motor-generátoru ako motor
Elementárnym fyzikálnym princípom, na ktorom tieto zariadenia pracujú, je elektromagnetizmus. Funkcia elektromotora vychádza zo známeho javu: keď cievkou, ktorá je umiestnená v magnetickom poli, prechádza elektrický prúd, táto sa začne otáčať. Zapríčinené je to tým, že prúd pretekajúci závitmi cievky v nej vytvára elektromagnetické pole. Na jednotlivých stranách cievky tak vznikajú tzv. Póly – severný a južný. Magnetické pole, ktoré cievku obklopuje, samozrejme tiež vytvára póly. A ako je z magnetizmu dobre známe, opačné póly sa priťahujú, a tak dochádza k natočeniu cievky o 180°. Aby pohyb pokračoval ďalej, je nutné prepólovanie cievky, čo sa deje napr. mechanickým spôsobom – tzv.  komutátor resp. použitím viacerých cievok.

Elektromotor sa teda skladá z dvoch základných častí : statora a rotora. Stator tvorí vonkajšiu nepohyblivú časť tzv. obal elektromotora. Je v závislosti od typu elektromotora tvorený permanentnými magnetmi alebo elektrickými vodičmi vytvárajúcimi tzv. statorové vinutie. Rotor je  tvorený hriadeľom s ramenami, na ktorých je navinuté elektrické vinutie, vytvárajúce tzv. rotorové vinutie.  Rotor je otočne uložený v ložiskách tak, aby sa mohol voči statoru voľne otáčať.
 
3.3 Funkcia motor-generátoru ako generátor
Generátor elektrického prúdu tiež využíva princípy elektromagnetickej indukcie. Teda ak otáčame cievkou umiestnenou v elektromagnetickom poli, na jej koncoch vznikne indukované elektrické napätie, ktoré môžeme odoberať a použiť ako zdroj elektrickej energie. Konštrukcia generátora el. prúdu je po mechanickej stránke takmer identická s elektromotorom. Skladá sa teda tiež zo statorovej a rotorovej časti, ktoré sú oproti sebe voľne otočné. U oboch zariadení je ešte nutné prepojenie rotorového vinutia s vonkajšími statickými vodičmi. To sa deje väčšinou prostredníctvom kontaktov z grafitu, ktorý je dobrým elektrickým vodičom a zároveň má vynikajúce trecie vlastnosti alebo  prostredníctvom tzv. kefkových kovových kontaktov.
 
4 Prepojenie pohonov v hybridných automobiloch
V hybridných automobiloch sa nachádzajú dva zdroje pohonu: spaľovací motor a elektromotor. Tieto pohony musia byť efektívne prepojené, aby sa dosiahla znížená spotreba, nižšie emisie a zvýšený výkon. V hybridoch sa používajú tri typy prepojenia pohonov: paralelné, sériové a sériovo-paralelné.
 
4.1 Paralelné prepojenie
V hybridných automobiloch je dnes najbežnejšie paralelné prepojenie (obrázok 3). Pozostáva zo spaľovacieho motoru a motor-generátoru oboch pripojených na mechanickú prevodovku. Motor-generátor sa najčastejšie nachádza medzi spaľovacím motorom a prevodovkou, kde nahrádza štartér aj alternátor. Na uskladnenie energie používa skupinu veľkokapacitných batérií s vysokým napätím namiesto klasickej 12V autobatérie, ktorá by nestačila pokryť výkon elektromotoru dostatočne dlho. Dodatočné vybavenie automobilu ako servopohon a klimatizácia sú poháňané výhradne elektromotorom, ktorý zaručuje ich stály chod bez ohľadu na to, akou rýchlosťou pracuje spaľovací motor.

Pripojenie na mechanickú prevodovku môže byť skutočne paralelné alebo sa najprv napája na diferenciál, ktorý je potom spojený s prevodovkou.
  Pri skutočne paralelnom pripojení sú spaľovací motor a motor-generátor spojené v jednej osi. Rýchlosť otáčania tejto osi musí byť na oboch koncoch rovnaká a krútiace momenty pohonov sa potom sčítavajú. Ak sa pri tomto spojení využíva len jeden pohon, druhý pohon musí byť spojený protišmykovou spojkou, inak by sa sústava mohla zničiť. Toto pripojenie sa používa len pri elektrických bicykloch, keďže pri hybridných automobiloch je konštrukčne nevýhodné. Keď sú pohony napojené najskôr na diferenciál, ich krútiace momenty musia byť rovnaké a ich rýchlosti sa sčítavajú. Ak sa využíva len jeden pohon, druhý pohon musí byť vybavený jednoduchou reverznou spojkou alebo by stále musel dodávať veľké množstvo krútiaceho momentu.
  Dnešné paralelné hybridy ešte nie sú schopné jazdy čisto na elektrický pohon, ale len pomáhajú spaľovaciemu motoru dodávaním ďalšieho výkonu alebo znižovaním jeho námahy, a tým pádom znižovaním aj jeho spotreby. Paralelné hybridy sa z väčšej miery spoliehajú na  regeneratívne brzdenie, čiže rekuperáciu energie pri brzdení, a na spaľovací motor, ktorý môže čiastočne fungovať ako generátor pre dobíjanie elektromotoru, lebo používajú menšie batérie ako iné typy hybridov. Vďaka tomu sú efektívnejšie pri jazde po diaľnici ako pri jazde v meste.   Predstaviteľmi paralelných hybridov sú napríklad automobily Honda Insight, Civic hybrid a Accord hybrid, BMW 7 ActiveHybrid, General Motors Parallel Hybrid Truck, Chevrolet Malibu a Silverado Hybrid, a prototyp Mercedes-Benz S400 BlueHYBRID.
 
4.2 Sériové prepojenie
Druhý spôsob prepojenia pohonov v hybridoch je sériovo (obrázok 4). Sériové hybridy sú poháňané len elektrickou trakciou. Elektromotor má na rozdiel od spaľovacieho motoru veľmi dobrý výkonovo-hmotnostný pomer, a poskytuje tak vysoký krútiaci moment v každej rýchlosti. Elektromotor tiež nepotrebuje prevodovku medzi motorom a kolesami, ktorá by musela meniť prevodové stupne. Prevodovka predstavuje ďalšiu záťaž a odoberá výkon z motora. V sériovom prepojení spaľovací motor namiesto otáčania kolies poháňa elektrický generátor, ktorý potom dodáva energiu elektromotoru.
 
Sériové prepojenie nie je novinkou v technologickom svete, ale sa bežne používa napríklad v diesel-elektrických lokomotívach. Sériové zapojenie (tzv. System Mixt) vynašiel Ferdinand Porsche začiatkom 20. storočia a prvý krát ho použil vo svojich pretekárskych automobiloch. Avšak, v tej dobe bolo sériové prepojenie pre bežné cestné automobily nepoužiteľné, kvôli malej efektivite elektromotorov, ich vysokej hmotnosti a slabej synchronizácií generátoru s elektromotorom, čo viedlo k vyššej spotrebe paliva ako použití iba spaľovacieho motoru.

V dnešnej dobe sú už elektromotory menšie, ľahšie a efektívnejšie, a na rozdiel od mechanickej prevodovky so spaľovacím motorom umožňujú hladký chod automobilu bez potreby používať prevodové stupne. Sériové prepojenie sa v hybridnom automobile skladá z elektromotoru, ktorý poháňa vozidlo. Zo spaľovacieho motoru, ktorý iba roztáča generátor. Elektrického generátoru, ktorý nabíja batérie alebo poháňa elektromotor a tiež slúži ako štartér. Z regeneratívneho brzdenia, ktoré rekuperuje kinetickú energiu pri brzdení, čiže sa pri ňom správa ako generátor a dobíja batérie.

Výhodou sériového prepojenia je, že motor pohybuje priamo kolesami, čim eliminuje potrebu klasickej mechanickej prevodovky a diferenciálu, vďaka čomu môže byť celá konštrukcia oveľa jednoduchšia. Elektromotor môže byť poháňaný len energiou z batérií, cez generátor roztáčaný spaľovacím motorom alebo obidvoma naraz. Výhodou tohto zriadenia je, že vozidlo pri zastavení vypne spaľovací motor a pri rozbiehaní používa energiu v batériách. Tento systém výrazne znižuje emisie vozidiel pohybujúcich sa v mestách. Automobily, ktoré stoja na križovatkách, rozbiehajú sa alebo jazdia pomaly vďaka tomu neznečisťujú okolie.

Pri sériovom prepojení prebieha energia postupne. Najprv energia spaľovacieho motoru roztáča generátor, ktorý dodáva energiu elektromotoru alebo sa energia z generátoru ukladá do batérií, z ktorých je poháňaný elektromotor. Každá takáto transformácia energie znižuje účinnosť sústavy, ale za normálnych jazdných podmienok sú tieto straty prekryté a prevýšené rekuperovanou energiou pri brzdení. Pri dlhých trasách na diaľnici sériový hybrid stráca na účinnosti, pretože väčšinu energie do elektromotora musí dodávať spaľovací motor, ktorý pri vysokých rýchlostiach pracuje vo vysokých otáčkach, musí sa mu dodávať viac paliva, a tým pádom má vozidlo vysokú spotrebu. Sériový hybrid má na diaľnici o 20% až 30% nižšiu účinnosť motora ako paralelný hybrid. Medzi sériové hybridy patria automobily patria zatiaľ len prototypy, napríklad Chevrolet Volt, Volvo ReCharge, Ford Faraday mark II, a sériové hybridy v produkcii zatiaľ neexistujú.
 
4.3 Sériovovo-paralelné prepojenie
Sériovo-paralelné prepojenie (obrázok 5) je typ paralelného prepojenia. Oproti obyčajnému paralelnému prepojeniu zahŕňa rozdeľovač síl (jednoduchý diferenciál), ktorý umožňuje energii zo spaľovacieho motoru prechádzať do kolies v elektrickej alebo mechanickej forme. Základný princíp sériovo-paralelného prepojenia je oddelenie výkonu dodávaného motorom od výkonu vyžadovaného vodičom. Krútiaci moment spaľovacieho motoru je pri nízkych otáčkach minimálny, takže na rozbehnutie potrebuje vozidlo väčší motor, ktorý má zasa prebytok výkonu pri súvislom jazdení. Elektromotor, na druhej strane, vykazuje maximálny krútiaci moment už od začiatku rozbiehania vozidla, a je vhodný na vyplnenie nedostatku krútiaceho momentu spaľovacieho motoru pri nízkych otáčkach. Vďaka tomu stačí v sériovo-paralelnom hybride menší, menej pružný, ale vysoko efektívny spaľovací motor, ktorý zvyčajne býva upravený, aby pracoval podľa Millerovho alebo Atkinsonovho cyklu. Menší motor s efektívnejším cyklom sa výrazne podieľa na celkovom znížení spotreby vozidla. V sériovo-paralelnom prepojení je spaľovací motor primárnym zdrojom pohonu, a je pripojený na rozdeľovač síl, ktorý sa napája na elektrický generátor a na mechanickú prevodovku. Spaľovací motor teda môže pohánať čisto len vozidlo, len generátor alebo môže poháňať aj vozidlo aj generátor v ľubovoľnom pomere.

Elektromotor sa využíva na dočasné zvýšenie výkonu vozidla, napríklad pri predbiehaní, kde vodič potrebuje maximálny výkon motoru. Taktiež sa používa pri jazde v meste, využívajúc Štart/Stop systém, ktorý vypína motor pri zastavení vozidla, a tiež pracuje pri jeho rozbiehaní. Pri súvislej jazde elektromotor pracuje ako generátor a dobíja batérie. Elektromotor sa v sériovo-paralelnom zapojení môže využiť aj na samostatný pohon vozidla bez pomoci spaľovacieho motoru. Toyota je asi najznámejšia využívaním sériovo-paralelného prepojenia v hybridoch so systémom Hybrid Synergy Drive (v sesterskej firme Lexus sa nazýva Lexus Hybrid Drive), ktorý používa zložitejší diferenciál, ktorý rozdeľuje výkon motora na vstupe do elektromechanickej prevodovky. Tento systém výrazne zjednodušuje konštrukciu sústavy, ale trpí určitými nedostatkami. Maximálna rýchlosť vozidla je z veľkej časti limitovaná rýchlosťou elektromotoru, a  účinnosť sústavy je závislá na množstve elektrickej energie prúdiacej cez elektromotor.

Ďalší systém založený na sériovo-paralelnom prepojení je Two-Mode Hybrid, vyvinutý spoločnosťami General Motors, BMW a DaimlerChrysler, ktorý môže pracovať v dvoch režimoch, hybridnom a čisto elektrickom. Prvý krát bol predstavený v roku 2008 na vozidlách Chevrolet Tahoe hybrid a GMC Yukon. Oproti Hybrid Synergy Drive je Two-Mode Hybrid zložitejší, obsahuje 4 spojky naviac a má komplexnejšiu prevodovku. Cieľom systému je meniť pomer výkonu elektromotoru a spaľovacieho motoru tak, aby malo vozidlo optimálnu spotrebu pri vysokých aj nízkych rýchlostiach. Najtypickejším predstaviteľom sériovo-paralelného hybridu je Toyota Prius, ďalej sú to napríklad Lexus RX400h a GS450h, BMW X6 ActiveHybrid alebo Mercedes ML 450 hybrid.
 
5 Typy hybridných automobilov podľa stupňa hybridizácie
Hybridné automobily sa rozdeľujú podľa výkonu ich elektromotoru na 3 typy: Micro hybrid, Mild hybrid a Full hybrid. Špeciálnou kategóriou je Plug-in hybrid, ktorý sa zvyčajne radí k ostatným trom.
 
5.1 Micro hybrid
Micro hybridy využívajú ako primárny pohon spaľovací motor. Elektromotor pripojený na prevodovku sa používa len na zvýšenie krútiaceho momentu vozidla. Nachádza sa medzi motorom a prevodovkou a v základe je to veľký štartér, ktorý sa používa nielen pri štartovaní vozidla, ale aj pri prudkej akcelerácií, keď vodič potrebuje dodatočný výkon. Spaľovací motor sa pri zastavení micro hybridu vypína, ale elektromotor potom nerozbieha vozidlo, len zaručuje plynulé nabehnutie spaľovacieho motoru (Štart/Stop systém) a fungovanie príslušenstva v automobile. Batérie poháňajúce elektromotor majú väčšiu kapacitu ako obyčajná autobatéria, nie sú však také veľké ako pri mild a full hybridoch.
 
5.2 Mild hybrid
Mild hybrid (obrázok 6) je vozidlo, ktoré nemôže jazdiť využívaním len elektromotoru, pretože nemá dostatočný výkon, aby dokázal poháňať vozidlo samostatne. Mild hybridy dosahujú zníženie spotreby v meste o 15% a v priemere o 10%. Elektromotory v mild hybridoch využívajú Štart/Stop systém (nahrádzajú štartér), ale naviac vypínajú spaľovací motor pri brzdení a pri udržiavaní stálej rýchlosti. Elektromotory majú priemerne výkon okolo 10-15 kW (13-20 k), sú menšie a ľahšie ako pri full hybridoch a taktiež majú menšie batérie. Mild hybridy využívajú do veľkej miery regeneratívne brzdenie, kde elektromotor rekuperuje veľkú časť energie pri brzdení. Takéto elektromotory a batérie dovoľujú výrobcom automobilov ušetriť hmotnosť a cenu vozidla a mild hybridy sú dnes najrozšírenejším typom hybridných automobilov.
 
5.3 Full hybrid
 
  Full hybrid (obrázok 7) dokáže jazdiť len na spaľovací motor, len na elektromotor, alebo na kombináciou oboch. Technológie Ford hybrid, Hybrid Synergy Drive a Two-Mode Hybrid sú všetko full hybrid systémy. Full hybridy využívajú sériovo-paralelné zapojenie, ktoré im dovoľuje ľubovoľné pomery vo využívaní spaľovacieho motoru a elektromotoru, najčastejšie však 0-100% pre spaľovací motor, 0-100% pre elektromotor alebo 40% pre elektromotor a 60% pre spaľovací motor. Elektromotor poháňajú veľké vysokokapacitné batérie, ktoré sú potrebné pre čisto elektrický pohon.
 
5.4 Plug-in hybrid
Plug-in hybridné elektrické vozidlo (obrázok 8) je hybridný automobil, ktorého batérie môžu byť plne nabité zapojením konektoru do externého elektrického zdroja. Plug-in hybrid zdieľa vlastnosti tradičného hybridu a elektromobilu. Ako hybrid má elektromotor a spaľovací motor, a ako elektromobil zasa konektor na pripojenie do elektrickej siete. Plug-in hybridy dosahujú omnoho dlhšie dojazdy len na elektromotor v porovnaní s tradičnými hybridmi a tiež odstraňujú starosti s dojazdom elektromobilov lebo spaľovací motor pracuje ako záložný zdroj, keď elektromotor vyčerpá svoje batérie. Plug-in hybridy sú, až na jednu výnimku, len prototypmi. Jediný plug-in hybrid v produkcii je momentálne čínsky BYD F3DM (dojazd na elektromotor až 100 km), druhý Chevrolet Volt je zatiaľ vo vývoji a na trh sa dostane v Novembri 2010.

6 Využitie hybridných automobilov v praxi
Hybridné automobily ešte nie sú v dnešnej dobe na trhu osobných automobilov veľmi rozšírené. Hybridné technológie sa však využívajú už niekoľko rokov v taxíkoch, autobusoch a nákladných vozidlách.
 
6.1 Hybridné taxi
Prvým hybridným taxi bola Toyota Prius prvej generácie. Začali ju využívať v roku 2000 v meste Vancouver a najazdila viac než 330,000 kilometrov než ju vyradili zo služby. Dnes používa alebo zavádza do prevádzky hybridné taxi (obrázok 9) väčšina veľkomiest na svete, na čele s New Yorkom a San Franciscom. V roku 2009 slúžilo z celkového počtu všetkých taxi v New Yorku až 15% hybridných. Ďalšie mestá, v ktorých aktívne využívajú hybridné taxi sú Tokyo, Londýn, Rím, Sydney a Melbourne.
 
6.2 Hybridné autobusy
Hybridné autobusy sa tešia veľkej pozornosti odkedy technológie výrazne redukovali hmotnosť veľkokapacitných batérií. Prvý hybridný autobus použili v Tokyu v roku 1997 od spoločnosti Toyota. Používal sériové diesel-elektrické prepojenie. Od roku 1999 sa začal rozrastať trh s hybridnými autobusmi rozrastať aj v USA. Tento rok vláda v USA vyčlenila 10 miliónov dolárov na vývoj plug-in hybridných autobusov s cieľom dosiahnuť elektrický dojazd 64 kilometrov (40 míľ), cestovanie po vyčerpaní batérií bude zaručovať dieselový motor používajúci bionaftu. Vláda týmito autobusmi plánuje nahradiť školské autobusy v USA, no nie je vylúčené, že by sa mohli používať aj v mestskej doprave. V Európe sa vývoju hybridných automobilov prednostne venuje Volvo (obrázok 10).
 
6.3 Hybridné nákladné vozidlá
Nákladné vozidlá začali využívať hybridný pohon len nedávno. V roku 2003 automobilová spoločnosť GM predstavila prvé hybridné nákladné vozidlo poháňané dieslovým motor a palivovými článkami, avšak bolo určené len pre armádu. V roku 2004 predstavil Mercedes-Benz hybridný Sprinter, prvé hybridné nákladné vozidlo určené pre verejnosť. V polovici roku 2005 Isuzu uviedlo na japonský trh Elf Diesel Hybrid nákladné vozidlo. Hybridné kamióny nie sú veľmi rozšírené, aj keď poprední výrobcovia kamiónov majú svoje hybridné kamióny, napríklad spoločnosti MAN AG a DAF Trucks s MAN TGL alebo Nissan Motors a Renault Trucks s modelom Renault Puncher. Hybridné kamióny sú najpoužívanejšie v USA a Kanade spoločnosťou Coca-Cola Enterprises s flotilou 185-ich hybridných kamiónov a 142-och hybridných nákladných vozidiel používaných na rozvoz svojich produktov po celej Severnej Amerike.
 
7 Výhody hybridného pohonu v automobiloch
Výhody hybridného pohonu oproti pohonu na spaľovaci motor spočívajú hlavne v zníženej spotrebe fosílneho paliva a zníženiu emisií vytváraných vozidlom.
 
7.1 Malá spotreba paliva
Zníženie spotreby sa v hybridoch dosahuje využitím troch spôsobov: vypínaním spaľovacieho motoru, keď nie je potrebný, rekuperáciou energie pri brzdení, a zmenšením spaľovacieho motoru. Hybridný pohon nepoužíva spaľovací motor na výrobu energie, ktorú by nemohol využiť. Preto sa spaľovací motor vypína pri voľnobehu, aby motor nevyrábal prebytočnú energiu. Elektromotor nahrádza spaľovací motor aj pri rozbiehaní a udržiavaní jeho stálej rýchlosti vozidla (pri nižších rýchlostiach), keďže výkon elektromotoru je v týchto prípadoch dostačujúci a nie je potrebné využívať výkon spaľovacieho motoru. Elektromotor alebo motor-generátor sa pri brzdení správa ako generátor, kladie odpor kolesám, vytvára elektrickú energiu, ktorá dobíja batérie a spomaľuje vozidlo, takže rekuperuje energiu, ktorá by pri brzdení brzdovými kotúčmi alebo spaľovacím motorom ostala nevyužitá. Rekuperovaná energia sa môže uložiť do batérií alebo ju môže elektromotor spätne využiť na rozbehnutie vozidla, a odpadá tak potreba použiť na rozbehnutie spaľovací motor.

Zmenšenie objemu a výkonu spaľovacieho motoru priamo znižuje jeho spotrebu paliva. Zmenšený motor je ľahší a môže využívať dokonalejší cyklus (Millerov alebo Atkinsonov), ktorý, aj keď neponúka taký výkon a krútiaci moment, a pružnosť motoru je celkovo slabšia, má vyššiu účinnosť a straty v jeho sile vynahrádza používaním elektromotoru. Spaľovací motor sa v hybridnom pohone primárne využíva na udržiavanie rýchlosti vozidla a poháňanie generátoru na dobíjanie batérií, takže môže stále pracovať za optimálnych podmienok a dosahovať malú spotrebu paliva.
 
7.2 Nižšie emisie
Zníženie spotreby paliva priamo úmerne znižuje aj množstvo emisií vypustených do okolia vozidlom. Vďaka vypínaniu spaľovacieho motora, a jeho dokonalejšej konštrukcii, dokážu hybridné automobily znížiť množstvo emisií vytvárajúcich smog až o 90%, a celkové množstvo vytvorených emisií vrátane CO2 od 25% do 90% záležiac od spôsobu jazdenia a samotného vozidla.
 
7.3 Menší hluk vozidla
Pri používaní elektromotoru hybridné vozidlo nevytvára hluk a vedie tak k celkovému zníženiu hluku cestnej komunikácie v porovnaní s vozidlami využívajúcimi len spaľovacie motory. Zníženie hluku na cestách je prospešné pre ľudské ucho a zbytočne ho nenamáha, avšak veľký hluk vytvorený valivým odporom pneumatík a odporom vzduchu pri vysokých rýchlostiach už hybridný pohon nedokáže znížiť. Znížený hluk, na druhej strane, nemusí byť len prospešný. Štúdie tvrdia, že zrážky s cyklistami alebo chodcami sú pri hybridoch podstatne častejšie a taktiež predstavujú veľké riziko pre slepých ľudí alebo ľudí s poškodeným zrakom, ktorým pomáha hluk vozidiel pri prechode cez cestu. Európska komisia a Vláda USA pripravujú legislatívu, ktorá by určovala minimálny hluk, ktorý by musel hybrid alebo elektromobil generovať pri jazde na elektromotor, keďže tieto vozidlá je ťažké počuť do rýchlosti približne 32 km/h.
 
8 Nevýhody hybridného pohonu v automobiloch
Aj keď hybridné elektromotory podstatne znižujú tvorbu emisií a spotrebu fosílnych palív, ich výroba je nákladná a zaťažuje životné prostredie viac ako výroba obyčajných automobilov.

8.1 Ťažba vzácnych kovov
Asi najväčším nedostatkom hybridných automobilov je ich zložitá technológia, ktorá pri výrobe spotrebuje veľa vzácnych nerastných surovín. Napríklad vzácny prvok dysprózium, ktorý sa používa na výrobu pokročilých elektromotorov a batérií alebo neodým, taktiež vzácny kov, nevyhnutný pri výrobe silných elektromagnetov používajúcich sa v takýchto elektromotoroch. Ťažba týchto kovov je nákladná a výrazne zaťažuje životné prostredie. Takmer celá svetová zásoba vzácnych kovov sa nachádza v Číne a predpokladá sa, že pri súčasnom zvyšovaní ťažby by sa mohla vyčerpať už v roku 2012.
 
8.2 Znečisťovanie životného prostredia
Hybridné automobily znečisťujú životné prostredie aj nepriamo. Plug-in hybridy dokážu dobíjať svoje batérie aj z elektrickej siete, pre ktorú ale musia vyrábať energiu elektrické elektrárne. Emisie v skutočnosti nie sú nižšie, len sú presunuté z automobilu na elektráreň, a keďže väčšina elektrických elektrární na svete používa tuhé fosílne palivá, tieto emisie určite nie sú zanedbateľné.
 
8.3 Cena vozidla
Ďalšou nevýhodou je relatívne vysoká cena hybridného vozidla. Hybridné automobily majú oveľa komplexnejšiu stavbu a spolu s nákladnou ťažbou vzácnych surovín sa môže cena vozidla v porovnaní s ostatnými vozidlami v jeho triede zdať neúmerne vysoká. Komplexná konštrukcia predstavuje aj oveľa nákladnejšiu údržbu vozidla, keďže zložité technológie potrebujú špecializovaný servis. Nízky predaj hybridov, aj keď postupne rastúci, neumožňuje rýchle napredovanie, zjednodušenie a zdokonalenie hybridného systému, ktorý by mohol výrazne redukovať výrobné náklady a tak aj konečnú cenu vozidla. Najpredávanejší hybrid Toyota Prius predal celosvetovo 1,6 milióna kusov, čo je v porovnaní s celkovým počtom vozidiel jazdiacich na svete stále veľmi malé číslo.
 
8.4 Problematické batérie
Batérie používané v hybridoch sú taktiež potencionálnym nebezpečenstvom pre človeka alebo životné prostredie. Do hybridných automobilov montujú nikel metal hydridové alebo lithium-iónové batérie, ktoré sú podstatne menej toxické ako obyčajné olovnaté a nikel-kadmiové autobatérie. Nikel metal hydrid je však preukázaný karcinogén, a pri poškodení takýchto batérií by mohlo dojsť k nebezpečnej otrave organizmu. Ich recyklácia je tiež nákladná, ale väčšina výrobcov hybridných vozidiel recykluje tieto batérie na vlastné náklady.
 
9. Príklady dnešných hybridných automobilov a ich prototypy
V tejto sekcii vás oboznámim s Toyotou Prius a Hondou Insight, dvoma najznámejšími sériovo vyrábanými hybridmi na svete, ale tiež so zaujímavými športovými prototypmi hybridov značiek Mercedes, Ferrari a Porsche.
 
9.1 Toyota Prius
Tretia generácia Priusu (obrázok 11), najznámejšieho hybridu planéty, vám umožní kochať sa v energetických tokoch jej hybridnej sústavy, a to s pocitom, že do ovzdušia vypúšťa minimum skleníkových plynov. Srdcom Priusu je tretia generácia hybridnej sústavy, ktorá je na 90 percent úplne nová. Najdôležitejšou zmenou je nahradenie maloobjemového štvorvalca 1,8-litrovým motorom s výkonom 73 kW (99 k). Tá spolupracuje s elektromotorom o výkone 60 kW (82 k). Maximálny výkon celej sústavy je 100 kW (134 k). Toyota Prius pracuje v troch režimoch. EV (elektromotor), ECO alebo PWR (maximálny výkon). V ekonomickom móde ECO dosahuje reálnu spotrebu v meste 4,9 l/100 km. Pri pomalej jazde sa dá jazdiť výlučne na elektromotor, ktorý vydrží pri pomalom zrýchľovaní až do rýchlosti 50 km/h. V zápche tak prejde niekoľko ulíc s nulovou spotrebou, čo sa v priemernej spotrebe prejaví jej ráznym poklesom. Ak sa ponáhľate, stačí zvoliť režim PWR a Prius začne využívať maximálny výkon oboch sústav, pričom v tomto režime zvládne z 0 na 100 km/h za 10,4 sekundy. Prepínanie medzi motormi prebieha hladko, elektrický pohon je tichý, a spaľovací motor je pri ustálených otáčkach taktiež mimoriadne tichý. Toyota Prius tretej generácie má oproti staršej generácií aj vylepšenú aerodynamiku a spolu so systémom Hybrid Synergy Drive (obrázok 12) predstavuje najpraktickejší a najpokročilejší hybrid na trhu.
 
9.2 Honda Insight
Hondu Insight (obrázok 13) poháňa benzínový štvorvalec s objemom 1,33 litra a asistenčný elektromotor systému IMA (Integrated Motor Assist, obrázok 14) s výkonom 10 kW (13 k). V porovnaní s Toyotou Prius ide teda len o takzvaný mild-hybrid, ktorý nepracuje, s výnimkou niektorých extrémnych režimov, v čisto elektrickom móde. Celkový výkon sústavy je 65 kW.
  Honda Insight má tri jazdné režimy. Ekonomický, normálny a športový. Ekonomický režim minimalizuje spotrebu napríklad aj odpojením kompresora klimatizácie.  K ekonomickej jazde prispieva aj zaujímavá obrazovka s piatimi kvietkami na palubnom počítači. Honda Insight totiž dlhodobo sleduje a vyhodnocuje štýl jazdy a na základe týchto hodnôt pribúdajú, alebo naopak ubúdajú kvietky a lístočky na nich. Tento systém podporuje súťaživosť vodiča, ktorý sa v konečnom dôsledku snaží dosiahnuť čo najnižšiu spotrebu paliva. Pri športovom režime spaľovací motor točí až 6000 otáčok za minútu a používa sa pri predbiehaní, kde je potrebný maximálny výkon motoru. Honda Insight je momentálne najlacnejší hybrid na trhu a ponúka zaujímavú alternatívu automobilom nižšej strednej triedy.
 
9.3 Mercedes-Benz F800 Style
Plug-in hybridný koncept (obrázok 15) kombinuje 3,5-litrový zážihový šesťvalec s priamym vstrekovaním benzínu a elektromotor zaradený medzi spaľovací motor a sedemstupňovú automatickú prevodovku 7G-TRONIC. Zážihový motor vyvinie zhruba 220 kW (300 k) a elektromotor 80 kW (109 k). Celkový výkon hybridnej sústavy je zhruba 300 kW (409 k). Z 0 na 100 km/h dokáže akcelerovať za 4,8 sekundy a maximálnu rýchlosť elektronika obmedzuje na 250 km/h. Lítium-iónové batérie majú kapacitu viac ako 10 kWh, čo umožňuje, aby vozidlo prešlo zhruba 30 km na čisto elektrický pohon. To v mnohých prípadoch pokrýva celodenný počet najazdených kilometrov, takže F800 Style Plug-in môže jazdiť bez naštartovania spaľovacieho motoru päť dní v týždni a spaľovací motor naštartuje len pri dlhších trasách cez víkend. Pritom ani v elektrickom režime taktiež nezaostáva, dosiahne rýchlosť 120 km/h, a pokiaľ by ho neobmedzovala elektronika, dokázal by ísť aj rýchlejšie. To znamená, že ním možno na čisto elektrický pohon jazdiť aj mimo mesta. Ani dlhšie trasy však nie sú problémom. Len čo kapacita batérií klesne pod stanovenú hodnotu, elektronika automaticky naštartuje spaľovací motor. V nádrži s objemom 45 litrov je benzín dostačujúci na približne 700 km, celkový dojazd hybridného F800 Style je teda zhruba 730 km. F800 s hybridným pohonom spotrebuje v kombinovanej prevádzke v priemere len 2,9 l/100 km, čomu zodpovedajú emisie CO2 na úrovni len 68 g/km. V elektrickom režime má F800 nulovú spotrebu a nulové lokálne emisie.
 
9.4 Ferrari 599 HY-KERS
Ferrari na ženevskom autosalóne predstavilo vozidlo 599 HY-KERS Vettura  Laboratorio (obrázok 16). Z názvu vyplýva, že je postavené na základe modelu 599 GTB Fiorano, hybridný pohon využíva skúsenosti z techniky KERS pôvodne vyvinutého pre monoposty Formuly 1 a prívlastok Vettura Laboratorio naznačuje, že je to zatiaľ len skúšobný prototyp. Pod prednou kapotou je šesťlitrový dvanásťvalec, ktorý spolupracuje s elektromotorom, ktorý vyvinie 74 kW (100 k) a 137 Nm. Lítium-iónové batérie sú umiestnené v strede vozidla pod podlahou, čo prispieva k ideálnemu rozloženiu hmotnosti a zachovaniu stability. Vysokonapäťový trojfázový elektromotor však neslúži len na krátkodobé zvýšenie výkonu, ako je to pri systéme KERS, ale je schopný poháňať vozidlo na čisto elektrický pohon. Zároveň pomáha pri brzdení, keď rekuperuje kinetickú energiu a dobíja akumulátory. Vozidlo je vybavené sedemstupňovou dvojspojkovou robotizovanou prevodovkou. Výrobca deklaruje, že hybridné Ferrari 599 je síce o 100 kg ťažšie než sériový model, ale o 25% úspornejšie.
 
9.5 Porsche 918 Spyder
Porsche 918 Spyder (obrázok 17) v sebe stelesňuje historicky danú pretekársku kompetenciu a klasicky-modernú reč tvarov. Otvorený dvojmiestny prototyp má uprostred ležiaci vysokootáčkový osemvalcový (V8) motor s výkonom viac ako 373 kW (500 k), maximálnym krútiacim momentom 9200/min doplnený elektromotormi na prednej a zadnej náprave s celkovým výkonom 163 kW  (218 k). Na prenos výkonu slúži sedemstupňová dvojspojková prevodovka, predný elektromotor však poháňa kolesá priamo. Na uskladnenie energie slúžia lítium-iónové batérie, umiestnené za priestorom pre posádku, ktoré sa pri Plug-in hybride dobíjajú z elektrickej siete, ale aj rekuperáciou brzdnej energie.  Tlačidlom na volante sa dajú nastaviť štyri rôzne varianty pohonu Spyderu. V móde  E-Drive je toto Porsche čistým elektromobilom s dojazdom 25 km. V móde Hybrid využíva 918 Spyder elektromotory aj spaľovací motor a nasadenie jednotlivých komponentov pohonu závisí od jazdnej situácie a jej orientácie od ekonomickej po športovú. Aj v móde Sport Hybrid využíva Spyder oba systémy pohonu s ťažiskovým nastavením na športový výkon. V móde Race Hybrid sú oba pohony nastavené na poskytnutie maximálneho zážitku z jazdy s dynamikou najvyššej úrovne na pretekárskom okruhu s operáciou techniky na hraniciach jej výkonových možností. Pri použití funkcie Push-to-Pass sa napríklad využije elektrická energia na krátkodobé zvýšenie výkonu  (E-Boost). Prototyp 918 Spyder kombinuje high-tech pretekárskych automobilov s elektrickou mobilitou a ponúka fascinujúce spektrum, na ktorého jednej strane dominuje spotreba kompaktu s hodnotou 3 l/100 km, a na druhej strane výkon superšportu so zrýchlením z 0 na 100 km/h pod 3,2 sekundy a maximálnou rýchlosťou 320 km/h.
 
10 Záverom
Hybridné automobily sa už dnes javia ako zaujímavá alternatíva k obyčajným automobilom, ale hlavne ako perspektíva do budúcnosti, pretože  predstavujú pokrok smerom k bezemisným elektromobilom. V súčasnosti si naliehavo uvedomujeme, že svetové zdroje fosílnych palív, ktoré sú hlavnou surovinou na výrobu pohonných hmôt, sú obmedzené, preto je hľadanie nových zdrojov pohonu a menšie využívanie súčasných nesmierne dôležité.

Hybridné automobily sú však len medzistupňom vo vývoji. Nízka spotreba pohonných hmôt a nízke množstvo emisií vznikajúcich počas ich prevádzky sú pozitívnou správou pre prírodu.  Na druhej strane čiastočne znehodnotené využívaním vzácnych drahých kovov a nerastných surovín potrebných pre konštrukciu týchto pokročilých technológií. Tieto zdroje taktiež nie sú nevyčerpateľné a ich ťažba, preprava a spracovanie do konečného stavu zaťažuje náš ekosystém. Elektrický pohon presúva emisie na druhú stranu, na stranu výrobcov elektrickej energie, avšak stále predstavuje menšiu záťaž pre prostredie aspoň v danej lokalite. Hybridný pohon, aj keď nie je vo svete techniky žiadnou novinkou, sa objavuje v dobe, kedy si človek začína uvedomovať dôležitosť ochrany životného prostredia ako aj jeho krehkosť. Hybridný pohon ukazuje, akým spôsobom sa uberá vývoj automobilového priemyslu. Je to prechod k elektromobilom, automobilom využívajúcim len elektrickú energiu, priamo neznečisťujúcim naše okolie. Používajúc buď elektrinu zo siete alebo, dokonalejšie, len z palivových článkov, pretože tie naozaj neškodia nášmu prostrediu, ktorých odpadom je len čistá voda, môžme naozaj našej planéte prospieť.
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE - Referáty, ťaháky, maturita:

0.025