Hybridný pohon automobilov
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.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta