MOIM ZDANIEM
DO NAPĘDU SAMOCHODÓW LEPSZY JEST
HYBRYDOWY UKŁAD SPALINOWO-HYDRAULICZNY
NIŻ HYBRYDOWY UKŁAD SPALINOWO-ELEKTRYCZNY

Stan prac nad układami napędu hybrydowego jest obecnie zaawansowany zarówno w odniesieniu do układów spalinowo-elektrycznych, jak i spalinowo-hydraulicznych. Prace prowadzone są intensywnie przez wielkie firmy takie, jak Toyota, Allison, Rexroth, Parker itp. a wyniki są wdrażane do produkcji nowych samochodów. Są to rozwiązania uznawane obecnie za bezkonkurencyjne.

W momencie, kiedy przystąpiłem do realizacji mojego projektu w roku 2003, stan prac nad napędami hybrydowymi był zdecydowanie mniej zaawansowany, a wiedza na temat realizowanych projektów była - z oczywistego względu zachowania tajemnicy firmowej – bardzo słabo dostępna. Kluczem do konstrukcji zrealizowanego przeze mnie układu jest pojawienie się na rynku pomp hydraulicznych o zmiennej wydajności roboczej i nawrotnym działaniu (pomposilników) typu AVG firmy Rexroth. Ponieważ pompy te pojawiły się w ostatnich latach (Parker jeszcze w roku 2004 nie produkował urządzeń tego typu), przedprototyp zaczęto budować z chwilą pojawienia się ich w katalogu. Ponieważ zrealizowany przeze mnie równoległy hybrydowy spalinowo-hydrauliczny układ napędowy samochodów (nazwany układem rekuperatywnym) został sprawdzony w przedprototypie, chcę Państwa przekonać, że jest on bardziej efektywny w zastosowaniu do pojazdów miejskich w stosunku do obecnie najczęściej rozważanego i stosowanego w nowych samochodach oraz autobusach szeregowego spalinowo-elektrycznego układu hybrydowego (Lexus, Solaris).

Państwo są kompetentni w omawianej dziedzinie, zatem rozumowanie przeprowadzę po wstępnym uporządkowaniu definicji podstawowych zagadnień użytych w dalszej argumentacji. Przyjmując, że definicja układu hybrydowego jest dla Państwa oczywista, nie wnikając w analizę struktury, układy hybrydowe samochodów są następujących znanych podstawowych typów:

1. SZEREGOWE, gdzie oba systemy energetyczne układu napędowego połączone są z kołami napędowymi (z ewentualnym zastosowaniem sprzęgieł)

2. RÓWNOLEGŁE, gdzie jeden system energetyczny układu napędowego połączony jest z kołami napędowymi, natomiast drugi układ nie jest połączony.

Układ hybrydowy zawiera dwa systemy energetyczne:

1. PODSTAWOWY – MECHANICZNY

2. BUFOROWY – w rozpatrywanych wypadkach jest to układ ELEKTRYCZNY lub HYDRAULICZNY

W napędach samochodów układ hybrydowy ma następujące zadania:

• hamowanie odzyskowe, podczas którego maszyna elektryczna/pomposilnik pracuje jako prądnica/pompa ładująca akumulatory

• ustabilizowanie pracy silnika spalinowego poprzez ograniczenie zakresu jego obciążeń w ten sposób, że:

  • przy maksymalnym obciążenie napęd wspomaga maszyna elektryczna/pomposilnik pracująca jako silnik czerpiący energię z akumulatorów

  • w przypadku nadmiaru mocy silnika spalinowego podczas jazdy z ustabilizowaną prędkością wymagającą mocy napędu mniejszej, niż maksymalna moc silnika spalinowego, maszyna elektryczna/pompa ładuje akumulatory

Najistotniejsze różnice pomiędzy hybrydowymi układami równoległym i szeregowym są następujące:

1. W hybrydowym układzie SZEREGOWYM podczas napędzania samochodu przez silnik spalinowy (gdy nie jest on wysprzęglony aby układ pracował jako elektryczny układ napędowy) pracuje on tak samo, jak w klasycznym układzie napędowym, to znaczy w całym zakresie obciążeń wymuszanych szybkozmiennymi parametrami jazdy - niezgodnie z zasadą maksymalizacji sprawności.

2. W hybrydowym układzie RÓWNOLEGŁYM silnik spalinowy pracuje zawsze zgodnie z zasadą maksymalizacji jego sprawności, ponieważ warunki jego pracy nie zależą od szybkozmiennych parametrów jazdy, a zależą od stanu układu buforowego (elektrycznego lub hydraulicznego) oddzielonego od układu napędowego poprzez działanie akumulatora.

Z punktu widzenia pracy silnika spalinowego w hybrydowym układzie napędowym samochodu KORZYSTNIEJSZY JEST UKŁAD RÓWNOLEGŁY (zastosowany w napędzie REKUPERATYMNYM) zapewniający w każdej sytuacji pracę silnika spalinowego w zakresie jego najwyższej sprawności.

Układ podstawowy w rozpatrywanych układach napędowych samochodów nie podlega dyskusji jako zasada (choć może mieć różne rozwiązania techniczne, np. napęd osi wyposażonej w mechanizm różnicowy za pomocą jednego silnika lub indywidualny napęd każdego koła za pomocą osobnych silników). Wyborowi podlega zastosowanie układu buforowego. W celu stwierdzenia, który z układów buforowych jest korzystniejszy w hybrydowym układzie napędowym samochodów należy rozpatrzyć ich podstawowe właściwości istotne dla napędu samochodów:

1. WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE AKUMULATORA

2. MOŻLIWĄ DO UZYSKANIA MOC PRZESYŁANĄ W UKŁADZIE

   1. ze względu na właściwości układu

   2. ze względu na właściwości akumulatora

Do analizy zastosować należy parametry napędu samochodu wyposażonego w hybrydowy układ napędowy. Jako warunki odniesienia przyjęto zapotrzebowanie układu hybrydowego na akumulację energii:

• podczas hamowania przeciętnego, występującego podczas typowej jazdy

• podczas hamowania awaryjnego, występującego w sytuacji katastrofalnej

• niezbędnej do dynamicznej jazdy w cyklu miejskim przy minimalizacji mocy silnika spalinowego i dynamice uzyskiwanej poprzez czerpanie energii z akumulatora podczas przyspieszania

Określone na podstawie danych literaturowych oraz obliczeń właściwości eksploatacyjne akumulatorów stosowanych w napędach hybrydowych przedstawiono w tablicy obok.

Parametry pojazdów wyposażonych w napęd hybrydowy przedstawiono w tablicy poniżej. Minimalną pojemność akumulatora energii określono jako równą energii kinetycznej pojazdu podczas jazdy z maksymalną prędkością. Eksploatacyjną pojemność akumulatora:

• HYDRAULICZNEGO określono na podstawie BADAŃ PRZEDPROTOTYPU SAMOCHODU MIEJSKIEGO oraz obliczeń komputerowych autobusu miejskiego

• ELEKTRYCZNEGO określono na podstawie DANYCH LITERATUROWYCH (samochody Mercedes Benz, Solaris, Lexus)

Akumulator hydrauliczny ma masę, pojemność i objętość jednostkowe znacznie gorsze od obu typów akumulatorów elektrycznych (NiMS, Pb), ale MOC JEGO ŁADOWANIA JEST DOWOLNIE WYSOKA. Moc ładowania akumulatora elektrycznego zależy od jego pojemności, natomiast moc ładowania akumulatora hydraulicznego jest zależna tylko od mocy pompy, którą jest ładowany.

WEDŁUG PRZEPROWADZONYCH BADAŃ PRZEDPROTOTYPU wystarczy, by pojemność akumulatora w hybrydowym układzie napędowym samochodu była około 2-krotnie większa od pojemności minimalnej. Pozwala to na zastosowanie akumulatora hydraulicznego o małej pojemności: taki układ zastosowany w przedprototypie, który pozwala na PEŁEN ODZYSK ENERGII HAMOWANIA nazwany został NAPĘDEM REKUPERATYWNYM.

WEDŁUG ANALIZY ZREALIZOWANYCH KONSTRUKCJI przy zastosowania ogniw NiMH ich pojemność jest 50 … 200-krotnie większa od pojemności minimalnej (patrz tabela wyżej). Wynika to z konieczności zapewnienia dostatecznej mocy odzysku energii podczas hamowania. Zastosowania akumulatorów elektrycznych o dużej pojemności nie pozwala jednak na pełen odzysk energii hamowania nawet w przypadku hamowania przeciętnego przy prędkościach większych, niż około 20 km/godz dla autobusów i 30 km/godz dla samochodów miejskich i taksówek.

Zastosowanie HYBRYDOWEGO UKŁADU SPALINOWO-HYDRAULICZNEGO (w tym REKUPERATYWNEGO) pozwala na pełen odzysk energii hamowania przeciętnego i awaryjnego, podczas gdy zastosowanie HYBRYDOWEGO UKŁADU SPALINOWO-ELEKTRYCZNEGO pozwala na odzysk energii hamowania w granicach do 20…35% przy hamowaniu przeciętnym i do 10% przy hamowaniu awaryjnym.

HYBRYDOWE UKŁADY SPALINOWO-ELEKTRYCZNE W UKŁADZIE SZEREGOWYM mają konfigurację wymuszoną poprzez powiązanie układu przeniesienia napędu pomiędzy silnikiem a mostem napędowym (silnik – skrzynia przekładniowa i zespół sprzęgieł – wał napędowy – most z mechanizmem różnicowym). Rozwiązanie to determinuje możliwość odzysku energii hamowania tylko z jednej osi napędowej, o ile nie zostanie zainstalowany napęd elektryczny innych osi, oraz ogranicza ilość miejsca użytkowego w pojeździe, ponieważ silnik musi być ulokowany tak, aby wał napędowy odpowiednio dochodził do mostu napędowego. W akumulatorze elektrycznym NiMH występuje „efekt pamięci” sprawiający trudności w jego eksploatacji. Akumulatory NiMH wymagają zaawansowanych układów regulacji i termostatyzacji, które zabezpieczają akumulator przed nadmiernym prądem ładowania oraz rozładowania, przeładowaniem i przegrzaniem. Mimo zastosowania - ze względu na możliwość hamowania odzyskowego - akumulatorów o dużej pojemności, możliwość samodzielnej jazdy jako pojazdu elektrycznego (po wyłączeniu silnika spalinowego) jest na tyle ograniczona, że taka jazda jest z eksploatacyjnego punktu widzenia nieefektywna.

HYBRYDOWE UKŁADY SPALINOWO-HYDRAULICZNE W UKŁADZIE RÓWNOLEGŁYM pozwalają na zainstalowanie indywidualnych pomposilników przy każdym kole, co pozwala na znacznie wygodniejsze rozplanowanie układu napędowego (połączenie pomposilników oraz akumulatorów z pozostałymi elementami układu jest wykonane za pomocą elastycznych węży hydraulicznych) i w konsekwencji na lepsze wykorzystanie powierzchni ładunkowej. W akumulatorze hydraulicznym ładowanie i rozładowanie akumulatorów nie powoduje efektów wymagających specjalnych układów zabezpieczających (akumulatory hydrauliczne są od wielu lat eksploatowane w przemyśle i maszynach roboczych). Mała pojemność akumulatora pozwala na jazdę bez wykorzystania silnika spalinowego na bardzo krótkich dystansach.

Z punktu widzenia zdolności do hamowania odzyskowego, pewności działania, kosztów obsług i wygody eksploatacji a także możliwości organizacji powierzchni ładunkowej RÓWNOLEGŁY HYBRYDOWY UKŁAD SPALINOWO-HYDRAULICZNY, a zatem i UKŁAD REKUPERATYWNY, jest lepszy od SZEREGOWEGO HYBRYDOWEGO UKŁADU SPALINOWO-ELEKTRYCZNEGO.

Szeregowe spalinowo-elektryczne układy hybrydowe, które nie spełniają wszystkich założeń konstrukcyjnych, wymagają zastosowania termostatyzowanych modułów baterii, przetwornic, mechaniczno-elektrycznych skrzyń przekładniowych, układów automatyki itp., które wytwarzają dyktujący warunki monopolistyczni producenci. Jest to rozwiązanie, drogie w produkcji oraz trudne w eksploatacji.

Zbudowany przez dr inż. Leona M. Kołodziejczyka dzięki finansowaniu przez Tadeusza Szewczyka układ rekuperatywny powstał na podstawie projektu opracowanego przez autora poprzez wykorzystanie elementów produkowanych przez światowe, konkurujące ze sobą, specjalistyczne firmy. Przedprototyp zbudowany został przy wykorzystaniu wykwalifikowanych pracowników warsztatowych. Przedprototyp spełnił wszystkie wymagania - mimo zastosowania nadmiernie prostych rozwiązań w dziedzinie automatyki. Prototyp a następnie produkt seryjny wymagał będzie wyspecjalizowanych wariantów urządzeń aktualnie produkowanych masowo. Napęd rekuperatywny jest rozwiązaniem zarazem spełniającym wszystkie założenia konstrukcyjne, jak i względnie tanim oraz łatwym w eksploatacji.

Dr inż. Leon M. Kołodziejczyk