Ceny benzyny ponownie poszły w górę. Patrzysz na dyszę paliwową, dokonujesz w myślach obliczeń i zastanawiasz się, czy już czas na dobre porzucić silnik spalinowy (ICE). Być może przyszła Ci do głowy myśl o zamianie samochodu codziennego użytku na pojazd elektryczny typu plug-in (BEV). Ale strach przed wyczerpaniem zasięgu jest rzeczywistością. Chcesz wydajności. Chcesz zmniejszyć emisję. Nie chcesz być przywiązany do stacji ładującej przez trzy godziny po podróży.
Na scenę wjeżdża samochód hybrydowy.
Jest to opcja pośrednia. Ale co dokładnie dzieje się pod maską, aby wycisnąć 20 lub 30 dodatkowych mil na galon benzyny? Czy lepsza oszczędność paliwa automatycznie oznacza mniejszy ślad węglowy? A gdzie w tym równaniu wpisuje się hybryda typu plug-in?
Łamiemy mechanikę hybrydy benzynowo-elektrycznej. Przyjrzymy się, jak te systemy łączą źródła energii i jak można prowadzić taki samochód, aby zmaksymalizować wydajność.
Napęd benzynowy a elektryczny
Hybryda to dosłownie hybryda. Czerpie to, co najlepsze ze świata ICE, i łączy to z elektrycznym układem napędowym. Aby zrozumieć kompromis, należy przyjrzeć się przypadkom brzegowym.
Samochód benzynowy:
1. Zbiornik gazu zawiera benzynę.
2. Benzyna dostaje się do silnika.
3. Silnik obraca skrzynię biegów.
4. Skrzynia biegów obraca koła.
Samochód elektryczny:
1. Bateria magazynuje energię elektryczną.
2. Baterie zasilają silnik elektryczny.
3. Silnik elektryczny obraca skrzynię biegów.
4. Skrzynia biegów obraca koła.
Hybryda stara się zachować wygodę tankowania na stacji benzynowej, jednocześnie drastycznie zmniejszając zużycie paliwa w przypadku pierwszej opcji. Jest to równowaga pomiędzy gęstością energii i momentem elektrycznym.
Anatomia hybrydy benzynowo-elektrycznej
Hybrydy to nie tylko silnik benzynowy z małym akumulatorem przymocowanym z boku. To są złożone systemy. Oto główne elementy, dzięki którym dzieje się ta magia.
Silnik benzynowy
Wygląda jak standardowy silnik, ale jest inaczej dostrojony. W hybrydach zazwyczaj stosuje się mniejsze silniki – czasami czterocylindrowe, podczas gdy konwencjonalny samochód miałby silnik V6. Wykorzystują zaawansowane technologie zapewniające czystsze i wydajniejsze spalanie. Silnik nie zawsze jest głównym źródłem ciągu.
Zbiornik gazu
Gęstość energii ma tutaj znaczenie. Benzyna ma ogromną gęstość energii w porównaniu do akumulatorów. Aby zgromadzić taką samą ilość energii, jak jeden galon benzyny, potrzeba około 1000 funtów ogniw akumulatorowych. Ta waga jest nie do przyjęcia dla większości samochodów osobowych. Zbiornik gazu pozostaje głównym źródłem energii na długie podróże.
Silnik elektryczny
To nie są zwykłe startery. Są to złożone urządzenia sterowane zaawansowaną elektroniką. Silnik elektryczny w hybrydzie jest ulicą dwukierunkową. Działa jak silnik, czerpiąc energię z akumulatorów, aby przyspieszyć samochód. Ale może również działać jako generator. Po zwolnieniu pedału gazu lub naciśnięciu hamulca silnik zmienia swoją funkcję. Przechwytuje energię kinetyczną i zwraca ją z powrotem do akumulatorów. Jest to hamowanie regeneracyjne w działaniu.
Generator
W odróżnieniu od silnika trakcyjnego element ten spełnia tylko jedno zadanie – wytwarzanie energii elektrycznej. Występuje głównie w szeregowych obwodach hybrydowych. Nie kręci bezpośrednio kołami.
Baterie
Magazynują energię dla silnika elektrycznego. W przeciwieństwie do zbiornika gazu, który jedynie oddaje energię, akumulator hybrydowy może ją odbierać. Silnik elektryczny oddaje energię podczas zwalniania, a silnik benzynowy może ją ładować podczas jazdy.
Skrzynia biegów
Tutaj projekty są bardzo zróżnicowane. Niektóre hybrydy wykorzystują konwencjonalne skrzynie biegów. Na przykład Honda Insight wykorzystuje wielobiegową automatyczną skrzynię biegów. Inne, takie jak Toyota Prius, wykorzystują zasadniczo inną architekturę, która w sposób ciągły łączy moc silnika i silnika elektrycznego.
Hybrydy równoległe
W hybrydzie równoległej oba źródła zasilania są podłączone do kół. Silnik benzynowy może napędzać skrzynię biegów. Silnik elektryczny może również obracać skrzynię biegów. Mogą współpracować.
Przy niskich prędkościach całą pracę może wykonać silnik elektryczny. Przy dużych prędkościach lub podczas gwałtownego przyspieszania silnik i silnik elektryczny włączają się jednocześnie. To proste podejście. Korzyści z elektrycznego momentu obrotowego można uzyskać bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów sekwencyjnych.
Hybrydy seryjne
Hybrydy szeregowe działają inaczej. Silnik benzynowy nigdy nie napędza bezpośrednio kół. Zamiast tego działa jako przedłużacz zasięgu.
Silnik benzynowy obraca generator. Generator ten wytwarza energię elektryczną. Energia ta albo ładuje akumulatory, albo zasila silnik elektryczny, który napędza przekładnię. Zasadniczo jest to samochód elektryczny z wbudowanym generatorem benzynowym. Taka konstrukcja pozwala silnikowi na ciągłą pracę z najbardziej efektywną prędkością, niezależnie od prędkości pojazdu, ale powoduje straty wydajności w procesie konwersji energii.
Paradoks wydajności małego silnika
Sekretnym składnikiem strategii wydajności hybrydy nie jest po prostu dodanie energii elektrycznej, ale zmniejszenie rozmiaru silnika spalinowego. Typowy samochód potrzebuje dużego, spragnionego silnika, aby wygenerować wystarczający moment obrotowy, aby szybko przyspieszyć. Hybryda wykorzystuje kompaktową czterocylindrową lub nawet trzycylindrową jednostkę zamiast V-8.
Dlaczego zmniejszenie rozmiaru silnika poprawia wydajność? Wszystko sprowadza się do fizyki i tarcia. Duży silnik jest ciężki. Za każdym razem, gdy przyspieszasz lub wjeżdżasz na wzgórze, ciągniesz ze sobą dodatkowy metal. Wewnątrz bloku większe tłoki i wały korbowe wymagają więcej energii do poruszania się w górę i w dół. Większa pojemność skokowa cylindra oznacza, że przy każdym suwie wtryskiwana jest większa ilość paliwa. I nie zapomnij o samych cylindrach – każdy z nich odpala i spala paliwo, nawet gdy samochód stoi na biegu jałowym lub na biegu jałowym.
Dwa identyczne samochody, różne silniki. Na autostradzie przy prędkości 65 mil na godzinę oba wymagają tej samej mocy, aby utrzymać prędkość. Ale mniejszy silnik zużywa mniej paliwa na samą pracę. Pracuje bliżej maksymalnego obciążenia, gdzie sprawność cieplna jest najwyższa, podczas gdy duży silnik pracuje przy niskich, nieefektywnych prędkościach.
Wypełnianie luki w mocy
Jak więc malutki silnik radzi sobie z Camaro ZL1? Nie może sobie poradzić. I nie musi.
W tradycyjnym samochodzie silnik zaprojektowano z myślą o maksymalnej wydajności. Wciskasz pedał gazu przy zjeździe z autostrady, a duży silnik V-8 ryczy, dostarczając maksymalny moment obrotowy. Ale oto brutalna prawda: większość kierowców wykorzystuje tę moc szczytową w mniej niż 1% przypadków. Pozostała część podróży to dojazdy do pracy, normalna jazda i postoje na biegu jałowym.
Hybrydy dzielą władzę i konieczność. Silnik benzynowy został zaprojektowany z myślą o przeciętnym zapotrzebowaniu na moc – wystarczającą do utrzymania samochodu w ruchu na autostradzie. Gdy trzeba szybko włączyć się do ruchu ulicznego lub wspiąć się na strome wzniesienie, włącza się silnik elektryczny. Zapewnia natychmiastowy moment obrotowy, którego brakuje małemu silnikowi benzynowemu. Ta synergia oznacza, że w przypadku rzadkich wydarzeń o dużym zapotrzebowaniu silnik nigdy nie musi być przeciążony.
Pięć taktyk pozwalających zmaksymalizować liczbę mil na galon
Oprócz wymiany silników, hybrydy wykorzystują specjalne technologie, aby wycisnąć każdy kilometr z galona paliwa. Niektóre z nich to standardowe sztuczki oszczędzające, inne są przeznaczone wyłącznie dla hybryd.
1. Hamowanie regeneracyjne: wychwytywanie utraconej energii
Hamując, zasadniczo uwalniasz energię – energia kinetyczna zamienia się w ciepło w klockach hamulcowych i rozprasza się w powietrzu. W hybrydzie energia ta nie jest tracona.
System wykorzystuje hamowanie regeneracyjne. Po zwolnieniu pedału przyspieszenia lub lekkim naciśnięciu hamulca silnik elektryczny zmienia swoją funkcję. Zamiast zużywać energię do obracania kół, działa jak generator. Opór spowalnia samochód, jednocześnie ładując akumulator wysokiego napięcia. Przechwytujesz energię, która w przeciwnym razie zniknęłaby bez śladu.
2. Automatyczny system start-stop: Wyeliminuj pracę na biegu jałowym
Praca na biegu jałowym to strata paliwa. Żadna praca nie jest wykonywana, ale silnik spala benzynę. Hybrydy z zaawansowanymi systemami Start-Stop całkowicie wyłączają silnik w momencie zatrzymania samochodu – na przykład na czerwonym świetle lub w korku. Gdy tylko zwolnisz hamulec, włącza się silnik elektryczny lub rozrusznik, płynnie uruchamiając silnik ponownie. Benzyna nie jest spalana, gdy samochód stoi.
3. Zmniejszony opór aerodynamiczny
Przy dużych prędkościach głównym wrogiem jest opór aerodynamiczny. Głównym zadaniem silnika nie jest tylko poruszanie samochodem, ale pchanie go w powietrze.
Hybrydy często mają niższą linię dachu, gładkie panele podwozia, a nawet zamknięte nadkola. Te rozwiązania konstrukcyjne zmniejszają powierzchnię czołową i wygładzają przepływ powietrza. Mniejszy opór oznacza, że silnik nie musi tak ciężko pracować, aby utrzymać prędkość, co bezpośrednio poprawia oszczędność paliwa.
4. Opony o niskim oporze toczenia
Standardowe opony to kompromis. Powinny być ciche, wygodne i zapewniać przyczepność podczas deszczu lub śniegu. Nie zostały zaprojektowane z myślą o wydajności. W samochodach hybrydowych stosowane są specjalistyczne opony o niskim oporze toczenia. Są sztywniejsze i często napompowane do wyższego ciśnienia. Zmniejsza to ugięcie ścian bocznych i tarcie w miejscu styku, umożliwiając pojazdowi pokonywanie dłuższych dystansów przy mniejszym zużyciu energii.
5. Utrata wagi
Masa jest zabójcą zużycia paliwa. Lżejszy samochód wymaga mniej energii do przyspieszania i mniej energii do pokonywania wzniesień. Producenci stosują w nadwoziu i podwoziu lekkie materiały, takie jak aluminium, magnez i płyty kompozytowe. Każdy utracony funt powoduje niewielki, ale skumulowany wzrost przebiegu na galon.
Bicie serca Priusa
Urządzenie do podziału mocy to prawdziwe serce Toyoty Prius. Trzeba go szanować. To inteligentna skrzynia biegów, która łączy silnik benzynowy, generator i silnik elektryczny w jedną kompaktową jednostkę. To tutaj dzieje się magia. Dzięki temu samochód może pracować jako hybryda równoległa. Silnik elektryczny może napędzać samochód samodzielnie, silnik benzynowy również samodzielnie lub mogą współpracować. Jest elastyczny.
Działa również jako hybryda szeregowa. Silnik benzynowy może pracować niezależnie od prędkości pojazdu. Po prostu ładuje akumulatory lub w razie potrzeby zasila koła. To skuteczne.
Urządzenie do podziału mocy działa również jako przekładnia bezstopniowa. Eliminuje to potrzebę stosowania ręcznej lub automatycznej skrzyni biegów. Bez przełączania. Brak pedału sprzęgła. Po prostu płynne dostarczanie mocy. Wreszcie, ponieważ urządzenie do podziału mocy umożliwia generatorowi uruchomienie silnika, pojazd nie potrzebuje rozrusznika. Tej części po prostu brakuje.
Urządzeniem do podziału mocy jest przekładnia planetarna. Jest wyrafinowany, a jednocześnie elegancki. Silnik elektryczny jest połączony z kołem koronowym skrzyni biegów. Jest również bezpośrednio podłączony do mechanizmu różnicowego. Ten mechanizm różnicowy napędza koła. Zatem o prędkości pojazdu decyduje prędkość obrotowa silnika elektrycznego i koła koronowego. Prosta fizyka. Potężne wyniki.
Mechanicznym sercem układu hybrydowego Toyoty jest układ rozdziału mocy – przekładnia planetarna kontrolująca przepływ energii pomiędzy silnikiem, generatorem i silnikiem trakcyjnym. To nie jest tradycyjna skrzynia biegów z drążkiem zmiany biegów. Zamiast tego jest to mechanizm bezstopniowej skrzyni biegów (CVT), w którym koło słoneczne jest połączone z generatorem, a wspornik przekładni jest połączony z silnikiem benzynowym. Pierścień zębaty? Jest on połączony z wałem wyjściowym, który ostatecznie napędza koła.
Ponieważ te trzy elementy są mechanicznie sztywno połączone, nie mogą poruszać się niezależnie od siebie. Prędkość obrotowa koła koronowego jest równa sumie prędkości dwóch pozostałych. Muszą stale koordynować swoje ruchy. Jeśli jeden z nich przyspiesza, pozostałe muszą zmienić prędkość obrotową, aby zachować fizyczną poprawność układu. W ten sposób system reguluje prędkość wyjściową bez użycia tradycyjnego sprzęgła lub skrzyni biegów.
Po naciśnięciu pedału przyspieszenia z pozycji parkowania silnik benzynowy pozostaje wyłączony. Całą pracę wykonują silnik elektryczny i akumulator. Silnik elektryczny połączony jest z kołem koronowym, dzięki czemu natychmiast zaczyna się obracać, popychając samochód do przodu. Ale oto sztuczka: nośnik satelitarny przymocowany do silnika jest nieruchomy. Silnik jeszcze nie pracuje.
Ponieważ koło koronowe obraca się, a nośnik planetarny jest zablokowany na swoim miejscu, przekładnie planetarne zmuszone są obracać się wokół własnych osi. Ten obrót napędza koło słoneczne. Koło słoneczne jest podłączone do generatora. Zatem podczas przyspieszania w trybie elektrycznym generator zaczyna nabierać pędu. Nie wytwarza jeszcze prądu do ładowania akumulatora; po prostu się obraca, aby silnik był wyłączony. Generator obraca się dokładnie z prędkością niezbędną do skompensowania ruchu koła koronowego względem nośnika planety. Dzięki temu wał silnika jest całkowicie nieruchomy. To elegancki, mechaniczny trik.
Gdy silnik się uruchomi
Ten tryb jazdy wyłącznie na napędzie elektrycznym trwa do prędkości około 64 km/h. W tym momencie system podejmuje decyzję o podłączeniu silnika benzynowego. Generator nagle zmienia prędkość. Ta zmiana zaburza równowagę przekładni planetarnej. Siła przenoszona przez koła zębate powoduje teraz obrót nośnika planety.
Nośnik planety jest sztywno połączony z wałem korbowym silnika. Dlatego gdy tylko zacznie się obracać, silnik uruchamia się. Przejście jest płynne, ponieważ silnik jest już obracany przez skrzynię biegów przed uruchomieniem. Do rozkręcenia silnika nie jest potrzebny rozrusznik; Układ hybrydowy pełni funkcję rozrusznika.
Po uruchomieniu silnika na biegu jałowym i uruchomieniu, prędkość obrotowa stabilizuje się na stałym poziomie. Generator teraz stale zmienia swoją prędkość, aby dopasować się do potrzeb silnika trakcyjnego i kół. Dzięki temu silnik może pracować w najbardziej efektywnym zakresie obrotów, niezależnie od tego, jak szybko jedzie samochód. Generator zmienia prędkość, aby zsynchronizować moc wyjściową z silnikiem elektrycznym, dzięki czemu nie ma potrzeby przeciążania silnika ani nadmiernych obrotów.
Jeśli mocno naciśniesz pedał przyspieszenia, silnik elektryczny pobierze dodatkowy prąd z akumulatora wysokonapięciowego, aby zapewnić dodatkowy moment obrotowy. Kiedy jednak osiągniesz prędkość autostradową, samochód będzie napędzany mieszanką benzyny i prądu. Cała energia elektryczna zużywana na tym etapie jest wytwarzana przez generator, który jest obracany przez silnik. Akumulator pełni rolę bufora, magazynując energię podczas hamowania i oddając ją podczas przyspieszania.
Ile koni mechanicznych naprawdę potrzebujesz?
Istnieje ogromna różnica pomiędzy mocą podaną na tabliczce znamionowej samochodu a mocą faktycznie potrzebną do utrzymania prędkości na autostradzie. Większość pracy, jaką samochód wykonuje na drodze, wykorzystuje jedynie niewielką część jego całkowitej mocy wyjściowej.
Kiedy jedziesz po płaskiej drodze z prędkością 96,6 km/h, na silnik działają trzy główne siły:
- Opór aerodynamiczny. Opór powietrza rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości. Pokonanie oporu powietrza wymaga mocy.
- Tarcie mechaniczne. Obejmuje to opór toczenia opon, tarcie w przekładni, tarcie osi i tarcie zacisku hamulcowego.
- Obciążenie akcesoriów Sprężarka klimatyzacji, pompa wspomagania układu kierowniczego i układy elektryczne pobierają energię z silnika.
W przypadku większości nowoczesnych sedanów pokonanie tych sił przy prędkości 60 mil na godzinę wymaga mniej niż 20 koni mechanicznych. Dlaczego więc producenci tworzą silniki o mocy 200 koni mechanicznych? Ponieważ potrzebujesz zapasu mocy do wyprzedzania, włączania się do ruchu na autostradzie lub przyspieszania na skrzyżowaniach. Moment, w którym jesteś „podłogowy”, to jedyny moment, w którym używasz mocy bliskiej maksymalnej. W zdecydowanej większości sytuacji na drodze wykorzystujesz tylko niewielki procent dostępnej mocy.
To właśnie ta luka w wydajności sprawia, że hybrydy są tak atrakcyjne. Wykorzystują silnik elektryczny, aby sprostać wymaganiom przy niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym, co w przeciwnym razie spowodowałoby marnowanie paliwa.
Wskazówki dotyczące oszczędzania paliwa w trybie hybrydowym: jazda zapewniająca wydajność
Chęć szybkiego przyspieszania jest wrogiem oszczędności paliwa. Prawdopodobnie zauważyłeś to w salonach samochodowych. Samochód z mniejszym i słabszym silnikiem często będzie zużywał mniej paliwa w mieście i na autostradzie niż identyczny model z turbodoładowanym lub większym silnikiem. Większy potencjał mocy oznacza spalanie większej ilości paliwa, aby wytworzyć ten potencjał, nawet jeśli go nie wykorzystujesz.
Aby uzyskać najlepszą oszczędność paliwa w przypadku hybrydy, nie potrzebujesz nowego samochodu. Potrzebujesz po prostu innych nawyków. Zasady są takie same jak w przypadku każdego samochodu benzynowego, ale system hybrydowy zwiększa korzyści wynikające z ich stosowania.
Jedź wolniej
Opór aerodynamiczny jest głównym czynnikiem wpływającym na osiągi na torze. Siła oporu powietrza gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem prędkości. Przy prędkości 70 mil na godzinę (113 km/h) opór jest około dwa razy większy niż przy prędkości 50 mil na godzinę (81 km/h). Podwojenie oporu nie podwaja wymaganej mocy, ale znacznie ją zwiększa. Zmniejszenie prędkości nawet o 5–10 mil na godzinę może zapewnić wymierny wzrost zużycia paliwa (mpg).
Utrzymuj stałą prędkość
Za każdym razem, gdy przyspieszasz, zużywasz energię na zwiększenie energii kinetycznej. Podczas hamowania energia ta jest rozpraszana w postaci ciepła. W hybrydzie hamowanie regeneracyjne pozwala odzyskać część tej energii, ale nie całą. Utrzymując stałą prędkość, minimalizujesz straty energii podczas cykli hamowania i przyspieszania. Tempomat pomaga, ale stopa często radzi sobie lepiej. Przewiduj przepływ i trzymaj pedał stabilnie.
Unikaj nagłych zatrzymań
Hybrydy sprawdzają się tutaj szczególnie dobrze. Podczas płynnego hamowania silnik elektryczny działa jak generator. Przeciwstawia się obrotowi kół, spowalniając samochód i zamieniając energię kinetyczną z powrotem w energię elektryczną, która jest doprowadzana do akumulatora. Im mocniej i szybciej hamujesz, tym większe obciążenie jest wywierane na hamulce mechaniczne. Hamulce mechaniczne przekształcają tę energię w ciepło i całkowicie ją marnują.
Jeśli dasz silnikowi elektrycznemu czas na spowolnienie samochodu, odzyska on więcej energii. Dotyczy to również samochodów benzynowych, ale efekt jest bardziej wyraźny w przypadku hybryd, ponieważ odzyskana energia jest bezpośrednio wykorzystywana do kolejnego przyspieszenia. Płynne działanie pedałów to nie tylko kwestia komfortu. To kwestia wydajności.
Źródła
–
