Ceny benzínu opět vzrostly. Díváte se na palivovou trysku, mentálně spočítáte a přemýšlíte, zda není čas spalovací motor (ICE) nadobro zavrhnout. Možná vás napadá myšlenka vyměnit své každodenní auto za plug-in elektrický vůz (BEV). Ale strach z dojezdu je realitou. Chcete efektivitu. Chcete snížit emise. Nechcete být tři hodiny po výletu připoutáni k nabíjecí stanici.
Na scénu přichází hybridní auto.
Toto je mezilehlá možnost. Ale co přesně se děje pod kapotou, abyste vytlačili 20 nebo 30 mil navíc na galon plynu? Znamená lepší spotřeba paliva automaticky menší uhlíkovou stopu? A kde do této rovnice zapadá plug-in hybrid?
Rozebereme mechaniku benzinovo-elektrického hybridu. Podíváme se na to, jak tyto systémy kombinují zdroje energie a jak lze takové auto řídit tak, aby byla maximální efektivita.
Benzínový pohon vs elektrický
Hybrid je doslova hybrid. Přebírá to nejlepší ze světa ICE a kombinuje to s elektrickým pohonem. Abyste pochopili kompromis, musíte se podívat na okrajové případy.
Benzínový vůz:
1. Plynová nádrž obsahuje benzín.
2. Benzín vstupuje do motoru.
3. Motor otáčí převodovkou.
4. Převodovka roztáčí kola.
Elektrický vůz:
1. Baterie uchovává elektřinu.
2. Elektromotor napájí baterie.
3. Elektromotor roztáčí převodovku.
4. Převodovka roztáčí kola.
Hybrid se snaží zachovat pohodlí při tankování na čerpací stanici a zároveň dramaticky snížit spotřebu paliva první možnosti. Je to rovnováha mezi hustotou energie a elektrickým točivým momentem.
Anatomie benzínově-elektrického hybridu
Hybridy nejsou jen benzinový motor s malou baterií připevněnou na boku. Jedná se o složité systémy. Zde jsou hlavní komponenty, díky kterým se toto kouzlo stalo.
Benzínový motor
Vypadá jako standardní motor, ale je jinak naladěný. Hybridy obvykle používají menší motory — někdy čtyřválce, kde by konvenční auto mělo V6. Používají pokročilé technologie pro čistší a efektivnější spalování. Motor není vždy hlavním zdrojem tahu.
Nádrž na plyn
Zde je důležitá hustota energie. Benzín má ve srovnání s bateriemi obrovskou hustotu energie. Chcete-li uložit stejné množství energie jako jen jeden galon benzínu, budete potřebovat asi 1000 liber bateriových článků. Tato hmotnost je pro většinu osobních automobilů nepřijatelná. Plynová nádrž zůstává hlavním zdrojem energie pro dlouhé cesty.
Elektrický motor
Nejsou to obyčejné startéry. Jedná se o složitá zařízení ovládaná pokročilou elektronikou. Elektromotor v hybridu je obousměrný. Funguje jako motor, čerpá energii z baterií a pomáhá tak zrychlit vůz. Může ale fungovat i jako generátor. Když uvolníte plynový pedál nebo sešlápnete brzdu, motor změní svou funkci. Zachycuje kinetickou energii a vrací ji zpět do baterií. Jedná se o rekuperační brzdění v akci.
Generátor
Na rozdíl od trakčního motoru plní tato součást pouze jeden úkol – vyrábí elektřinu. Nachází se hlavně v sériových hybridních obvodech. Neprotáčí kola přímo.
Baterie
Ukládají energii pro elektromotor. Na rozdíl od plynové nádrže, která pouze vydává energii, může hybridní baterie energii přijímat. Elektromotor vrací energii při zpomalování a benzinový motor ji může dobíjet za jízdy.
převodovka
Zde se design velmi liší. Některé hybridy používají konvenční převodovky. Například Honda Insight používá vícestupňovou automatickou převodovku. Jiné, jako například Toyota Prius, používají zásadně odlišnou architekturu, která nepřetržitě míchá vstupy motoru a elektromotoru.
Paralelní hybridy
U paralelního hybridu jsou oba zdroje energie spojeny s koly. Benzinový motor může pohánět převodovku. Elektromotor může také roztáčet převodovku. Mohou spolupracovat.
V nízkých otáčkách zvládne veškerou práci elektromotor. Při vysokých rychlostech nebo při prudké akceleraci se motor i elektromotor zapínají současně. To je jednoduchý přístup. Získáte výhody elektrického točivého momentu bez složitého sekvenčního obvodu.
Sériové hybridy
Sériové hybridy fungují jinak. Benzínový motor nikdy přímo nepohání kola. Místo toho funguje jako prodlužovač dosahu.
Benzínový motor roztáčí generátor. Tento generátor vyrábí elektřinu. Tato elektřina buď nabíjí baterie, nebo pohání elektromotor, který pohání převodovku. V podstatě se jedná o elektromobil s vestavěným benzinovým generátorem. Tato konstrukce umožňuje motoru neustále pracovat při své nejúčinnější rychlosti, bez ohledu na rychlost vozidla, ale přináší ztráty účinnosti do procesu přeměny energie.
Paradox malé účinnosti motoru
Tajnou složkou strategie hybridního výkonu není pouhé přidání elektřiny, ale zmenšení velikosti spalovacího motoru. Typické auto potřebuje velký, žíznivý motor, aby generoval dostatečný točivý moment pro rychlou akceleraci. Hybrid používá místo V-8 kompaktní čtyřválcový nebo dokonce tříválcový agregát.
Proč zmenšení motoru zlepšuje účinnost? Jde o fyziku a tření. Velký motor je těžký. Pokaždé, když zrychlíte nebo vyjedete do kopce, táhnete s sebou tento kov navíc. Uvnitř bloku vyžadují větší písty a klikové hřídele více energie k pohybu nahoru a dolů. Větší zdvihový objem válce znamená vstřikování většího množství paliva při každém zdvihu. A nezapomeňte na samotné válce – každý z nich hoří a spaluje palivo, i když auto běží na volnoběh nebo setrvačně.
Dvě stejná auta, různé motory. Na dálnici při rychlosti 65 mph oba vyžadují stejné množství výkonu k udržení rychlosti. Menší motor ale spotřebuje méně paliva, aby sám běžel. Pracuje blíže svému maximálnímu zatížení, kde je tepelná účinnost nejvyšší, zatímco velký motor běží při nízkých, neefektivních otáčkách.
Překlenutí energetické mezery
Jak si tedy maličký motor poradí s Camarem ZL1? Nemůže si poradit. A nepotřebuje.
V tradičním autě je motor navržen pro špičkový výkon. Při výjezdu z dálnice sešlápnete plynový pedál a velký V-8 zařve, aby dodal maximální točivý moment. Ale zde je tvrdá pravda: Většina řidičů využívá tento špičkový výkon méně než 1 % času. Zbytek cesty se skládá z dojíždění, normální jízdy a volnoběhu.
Hybridy sdílejí sílu a nutnost. Benzínový motor je navržen pro průměrné požadavky na výkon – dostatečný na to, aby vůz udržel v pohybu na dálnici. Když potřebujete rychle splynout s provozem nebo vyjet do prudkého kopce, zapne se elektromotor. Poskytuje okamžitý točivý moment, který malému benzínovému motoru chybí. Tato synergie znamená, že při vzácných událostech s vysokou poptávkou nikdy nebude nutné motor přeplňovat.
Pět taktik, jak maximalizovat své míle na galon
Kromě výměny motorů využívají hybridy specifické technologie, aby z galonu paliva vymáčkly každý kilometr. Některé z nich jsou standardní šetřící triky, jiné jsou exkluzivní pro hybridy.
1. Regenerativní brzdění: Zachycování ztracené energie
Při brzdění v podstatě uvolňujete energii – kinetická energie se v brzdových destičkách mění v teplo a rozptyluje se do vzduchu. V hybridu se tato energie neztrácí.
Systém využívá rekuperační brzdění. Když uvolníte pedál plynu nebo lehce sešlápnete brzdu, elektromotor změní svou funkci. Namísto využití energie k otáčení kol funguje jako generátor. Odpor zpomaluje auto při současném nabíjení vysokonapěťové baterie. Zachytáváte energii, která by jinak zmizela beze stopy.
2. Automatický systém start-stop: Odstraňte volnoběh
Volnoběh je plýtvání palivem. Nepracuje se, ale motor spaluje benzín. Hybridy s pokročilými start-stop systémy zcela vypínají motor, když vůz stojí – například na červenou nebo v dopravní zácpě. Jakmile uvolníte brzdu, zapojí se elektromotor nebo startér a motor plynule znovu nastartuje. Benzín se nespaluje, když auto stojí.
3. Snížený aerodynamický odpor
Při vysokých rychlostech je hlavním nepřítelem aerodynamický odpor. Hlavním úkolem motoru není jen pohybovat autem, ale tlačit ho vzduchem.
Hybridy mají často nižší linie střechy, hladké spodní panely a dokonce uzavřené podběhy kol. Tato konstrukční řešení zmenšují přední plochu a vyhlazují proudění vzduchu. Menší odpor znamená, že motor nemusí pracovat tak tvrdě, aby udržoval rychlost, což přímo zlepšuje spotřebu paliva.
4. Pneumatiky s nízkým valivým odporem
Standardní pneumatiky jsou kompromisem. Měly by být tiché, pohodlné a poskytovat trakci v dešti nebo sněhu. Nejsou určeny pro efektivitu. Hybridní vozy používají specializované pneumatiky s nízkým valivým odporem. Jsou tužší a často nafouknuté na vyšší tlaky. To snižuje ohyb bočních stěn a tření kontaktních ploch, což umožňuje vozidlu cestovat na delší vzdálenosti s menší energií.
5. Hubnutí
Hmotnost je zabijákem palivové účinnosti. Lehčí auto vyžaduje méně energie na zrychlení a méně energie na stoupání do kopců. Výrobci používají lehké materiály, jako je hliník, hořčík a kompozitní desky v karoserii a podvozku. Každá ztracená libra má za následek malé, ale kumulativní zvýšení počtu najetých kilometrů na galon.
Prius Heartbeat
Zařízení pro sdílení energie je skutečným srdcem Toyoty Prius. Musí být respektován. Jedná se o chytrou převodovku, která spojuje benzínový motor, generátor a elektromotor do jednoho kompaktního celku. Tady se děje kouzlo. Umožňuje vozu fungovat jako paralelní hybrid. Elektromotor může pohánět auto sám, benzinový motor také sám nebo mohou spolupracovat. Je flexibilní.
Funguje také jako sériový hybrid. Benzínový motor může pracovat bez ohledu na rychlost vozidla. Jednoduše nabíjí baterie nebo dodává energii kolům podle potřeby. Je to účinné.
Zařízení pro sdílení výkonu funguje také jako plynule měnitelný převod. Odpadá tak potřeba manuální nebo automatické převodovky. Žádné přepínání. Bez pedálu spojky. Jen plynulé dodání energie. Konečně, protože zařízení pro sdílení energie umožňuje generátoru nastartovat motor, vozidlo nepotřebuje startér. Tato část prostě chybí.
Zařízení pro sdílení výkonu je planetová převodovka. Je sofistikovaný a přitom elegantní. Elektromotor je připojen k ozubenému věnce převodovky. Je také přímo spojen s diferenciálem. Tento diferenciál pohání kola. Rychlost vozidla je tedy určena rychlostí otáčení elektromotoru a ozubeného věnce. Jednoduchá fyzika. Silné výsledky.
Mechanickým srdcem hybridního systému Toyota je zařízení pro rozdělování výkonu – planetová převodovka, která řídí tok energie mezi motorem, generátorem a trakčním motorem. Nejedná se o tradiční převodovku s pákovým řazením. Místo toho se jedná o mechanismus s plynule měnitelným převodem (CVT), kde centrální kolo je spojeno s generátorem a nosič ozubeného kola je spojen s benzínovým motorem. Prstencové zařízení? Ten je spojen s výstupní hřídelí, která v konečném důsledku pohání kola.
Protože jsou tyto tři součásti mechanicky pevně spojeny, nemohou se pohybovat nezávisle na sobě. Rychlost otáčení ozubeného věnce je rovna součtu rychlostí ostatních dvou. Musí neustále koordinovat své pohyby. Pokud jeden z nich zrychlí, ostatní musí změnit rychlost otáčení, aby byla zachována fyzická správnost systému. Takto systém reguluje výstupní otáčky bez použití tradiční spojky nebo převodovky.
Když sešlápnete plynový pedál z parkovací polohy, benzínový motor zůstane vypnutý. Veškerou práci dělá elektromotor a baterie. Elektromotor je spojen s ozubeným věncem, takže se okamžitě začne otáčet a tlačí vůz dopředu. Ale tady je trik: satelit připojený k motoru je nehybný. Motor ještě neběží.
Protože se ozubený věnec otáčí a planetový unašeč je zablokován na místě, jsou planetová kola nucena otáčet se kolem své vlastní osy. Tato rotace pohání centrální kolo. Centrální kolo je připojeno ke generátoru. Při zrychlování v elektrickém režimu tedy generátor začíná nabírat na síle. Ještě nevyrábí elektřinu k nabíjení baterie; jednoduše se otáčí, aby zůstal motor vypnutý. Generátor se otáčí přesně takovou rychlostí, která je nezbytná pro kompenzaci pohybu ozubeného věnce vzhledem k planetovému unašeči. Hřídel motoru tak zůstává absolutně nehybná. Je to elegantní mechanický trik.
Když motor naskočí
Tento čistě elektrický jízdní režim trvá až do rychlosti asi 40 mph (64 km/h). V tuto chvíli se systém rozhodne připojit benzínový motor. Generátor náhle změní rychlost. Tato změna narušuje rovnováhu planetové převodovky. Síla přenášená přes ozubená kola nyní způsobuje otáčení planetového unašeče.
Planetový unašeč je pevně spojen s klikovým hřídelem motoru. Proto, jakmile se začne otáčet, motor naskočí. Přechod je plynulý, protože motor již před nastartováním roztáčí převodovka. K roztočení motoru není potřeba startér; Hybridní systém funguje jako startér.
Jakmile motor běží na volnoběh a nastartuje, stabilizuje se na konstantní otáčky. Generátor nyní neustále mění svou rychlost tak, aby odpovídala potřebám trakčního motoru a kol. To umožňuje motoru pracovat v nejúčinnějším rozsahu otáček bez ohledu na to, jak rychle auto jede. Generátor mění svou rychlost, aby synchronizoval svůj výkon s elektromotorem, takže není potřeba přetěžovat motor nebo přetáčet.
Pokud silně sešlápnete plynový pedál, elektromotor odebere dodatečný proud z vysokonapěťové baterie, aby zajistil další točivý moment. Jakmile ale dosáhnete dálniční rychlosti, auto jede na směs benzínu a elektřiny. Veškerá elektřina použitá v této fázi je generována generátorem, který se otáčí motorem. Baterie funguje jako vyrovnávací paměť, ukládá energii při brzdění a uvolňuje ji při akceleraci.
Kolik koňských sil skutečně potřebujete?
Mezi koňským výkonem uvedeným na typovém štítku auta a výkonem skutečně potřebným k udržení dálniční rychlosti je obrovská propast. Většina práce, kterou auto vykonává na silnici, využívá pouze malý zlomek jeho celkového výkonu.
Když jedete po rovné silnici rychlostí 60 mph (96,6 km/h), váš motor zažívá tři hlavní síly:
- Aerodynamický odpor. Odpor vzduchu se zvyšuje úměrně druhé mocnině rychlosti. Překonání odporu vzduchu vyžaduje sílu.
- Mechanické tření. Zahrnuje valivý odpor pneumatik, tření v převodovce, tření nápravy a tření brzdového třmenu.
- Zatížení příslušenství Kompresor klimatizace, čerpadlo posilovače řízení a elektrické systémy odebírají energii z motoru.
U většiny moderních sedanů vyžaduje překonání těchto sil při rychlosti 60 mph méně než 20 koňských sil. Proč tedy výrobci vytvářejí motory o výkonu 200 koní? Protože na předjíždění, zařazování na dálnici nebo zrychlování na křižovatkách potřebujete výkon nazbyt. Okamžik, kdy jste „na podlaze“, je jediný okamžik, kdy používáte blízko maximálního výkonu. V drtivé většině jízdních situací využíváte jen malé procento dostupného výkonu.
Právě tato mezera v účinnosti dělá hybridy tak atraktivní. Používají elektromotor ke splnění požadavků na nízké otáčky a vysoký točivý moment, které by jinak plýtvaly palivem.
Hybridní tipy na úsporu paliva: Jízda k efektivitě
Touha po rychlé akceleraci je nepřítelem účinnosti paliva. Určitě jste si toho všimli v autobazarech. Auto s menším, méně výkonným motorem bude mít ve městě a na dálnici často lepší spotřebu než identický model s přeplňovaným nebo větším motorem. Větší potenciál energie znamená, že se k vytvoření tohoto potenciálu spálí více paliva, i když jej nepoužíváte.
Abyste dosáhli co nejlepší spotřeby paliva z hybridu, nepotřebujete nové auto. Potřebujete jen jiné návyky. Principy jsou stejné jako u každého benzínového vozu, ale hybridní systém umocňuje výhody jejich dodržování.
Jezděte pomaleji
Aerodynamický odpor je hlavním faktorem výkonu na trati. Síla odporu vzduchu prudce roste s rostoucí rychlostí. Při rychlosti 70 mph (113 km/h) je odpor asi dvakrát větší než při rychlosti 50 mph (81 km/h). Zdvojnásobení odporu nezdvojnásobí potřebný výkon, ale výrazně jej zvýší. Snížení rychlosti dokonce o 5 až 10 mph může poskytnout měřitelné zvýšení spotřeby paliva (mpg).
Udržujte konstantní rychlost
Při každém zrychlení vynakládáte energii na zvýšení kinetické energie. Při brzdění se tato energie rozptýlí jako teplo. U hybridu regenerativní brzdění část této energie rekuperuje, ale ne všechnu. Udržováním konstantní rychlosti minimalizujete ztráty energie během brzdění a akcelerace. Tempomat pomáhá, ale vaše noha často odvede lepší práci. Předvídejte průtok a udržujte pedál stabilní.
Vyhněte se náhlým zastávkám
Hybridy jsou zde obzvlášť dobré. Při plynulém brzdění funguje elektromotor jako generátor. Odolává otáčení kol, zpomaluje vůz a přeměňuje kinetickou energii zpět na elektřinu, která je přiváděna do baterie. Čím silněji a rychleji brzdíte, tím více je namáháno mechanické brzdy. Mechanické brzdy přeměňují tuto energii na teplo a zcela ji plýtvají.
Pokud dáte elektromotoru čas na zpomalení vozu, rekuperuje více energie. To platí i pro benzínová auta, ale efekt je výraznější u hybridů, protože rekuperovaná energie je přímo využita pro další zrychlení. Hladký chod pedálů není jen otázkou pohodlí. Jde o efektivitu.
Zdroje
–
