BRATISLAVA. V záujme zlepšenia životného prostredia je veľmi dôležité znížiť množstvo oxidu uhličitého vo výfukových plynoch spaľovacích motorov. To sa dá dosiahnuť znížením spotreby paliva – cestou zvýšenia účinnosti spaľovacích motorov i celého prevodového mechanizmu, zmenšením jazdných odporov motorového vozidla a lepším využívaním jeho pohybovej energie.
Preto sa konštruktéri snažia znížiť najmä valivý odpor pneumatík a odpor vzduchu automobilu. Značným problémom je odpor zotrvačnosti, ktorý sa prejavuje pri každom zrýchlení a brzdení.
Počas rozbiehania alebo predbiehania sa na prekonanie odporu zotrvačnosti spotrebuje veľké množstvo paliva. Pri brzdení bežného automobilu sa potom veľká časť nadobudnutej pohybovej energie v brzdách premieňa na teplo, čo veľmi zvyšuje spotrebu paliva.
Schovávajú do elektriky
Pri hybridných automobiloch sa práve táto časť pohybovej energie rekuperáciou premení na elektrickú energiu a uloží sa do batérií. Pri opätovnom rozbiehaní sa zasa táto ušetrená energia odoberá z batérií na pohon automobilu elektromotorom.
Tým sa najmä pri častých zmenách rýchlosti jazdy ušetrí značné množstvo paliva. Preto najmä v mestách, v kolónach a v zápchach dosahujú hybridné automobily, v porovnaní s klasickými automobilmi, mimoriadne veľké úspory paliva.
| Hybridné pohony automobilov majú tri druhy konštrukčného usporiadania – sériové, paralelné a kombinované. Pri sériovom usporiadaní hybridného pohonu sú spaľovací motor a elektromotor v sérii za sebou. Spaľovací motor pracuje v ekologicky výhodnom režime s nízkou spotrebou paliva a s dobrým krútiacim momentom v pomerne úzkom rozsahu otáčok. Automobil bežne poháňa elektromotor. Keď batérie už nestačia poháňať vozidlo, samočinne sa zapne spaľovací motor, ktorý navyše aj dobíja batérie. Výhodou sériového usporiadania hybridného pohonu je jednoduchá konštrukcia a to, že nie je potrebná prevodovka. Nevýhodou je nízka účinnosť pohonu. Pri paralelnom usporiadaní hybridného pohonu elektromotor spolupracuje so spaľovacím motorom pomocou prevodovky. Súčasným využitím obidvoch zdrojov pohonu pri nízkych otáčkach spaľovacieho motora sa dá pripojením elektromotora značne zvýšiť hnacia sila na kolesách, čím sa výrazne zlepší zrýchlenie vozidla. Paralelné zapojenie umožňuje samostatný pohon elektromotorom alebo spaľovacím motorom. V kombinovanej prevádzke zostáva spaľovací motor trvale v činnosti. Paralelné hybridné pohony sa delia na Micro, Mild, Full a Plug-in. Micro hybridný pohon využíva najmä spaľovací motor. Elektromotor sa používa len na zlepšenie zrýchlenia. Mild hybridné pohony tiež využívajú elektromotor len na zvýšenie krútiaceho momentu pri zrýchlení. Majú však väčší výkon elektromotora. Full hybridné automobily poháňa len elektromotor, prípadne len spaľovací motor, alebo obidve pohonné jednotky. Plug-in hybridné pohony majú podobnú konštrukciu ako Ful hybridné automobily, len navyše ich batérie sa môžu dobíjať z elektrickej siete. Výhodou paralelnej konštrukcie hybridných pohonov, oproti sériovému usporiadaniu, je vyššia účinnosť, menšia hmotnosť a možnosť využívania viacerých režimov pohonu vozidla. Potrebujú však určité transformačné zariadenie medzi elektromotorom a spaľovacím motorom a vyžadujú si zložitejšie riadenie pohonu. V tejto oblasti dosiahli najvyššiu technickú dokonalosť hybridné automobily Toyota a Lexus. Vo svete už jazdí vyše tri milióny týchto automobilov. Kombinovaná konštrukcia hybridného pohonu sa podobá paralelnému usporiadaniu. Výkon spaľovacieho motora sa tu môže prenášať po dvoch vetvách cez planétový prevod alebo elektricky. Spomínaná kombinovaná konštrukcia hybridného pohonu má výhody sériového a paralelného usporiadania. Nevýhodou je vyššia hmotnosť pohonu. |
Zaujímavé je porovnanie vplyvu veľkosti spaľovacieho motora na spotrebu paliva v mestách. Pri bežných osobných automobiloch so spaľovacím motorom je ich veľký výkon pre vodiča veľmi príťažlivým lákadlom čo najviac využívať značné zrýchlenie. Samozrejme, že to si vyžaduje značné množstvo paliva.
Príslušná nadspotreba je tým väčšia, čím je vozidlo ťažšie. Takto draho nadobudnutá veľká pohybová energia automobilu sa potom v hustej mestskej premávke častým brzdením v brzdách premieňa na tepelnú energiu, ktorá sa bez úžitku rozplýva do okolia. To je v mestách najväčšou príčinou vysokej spotreba paliva.
 |
| Prvý hybridný model kombinujúci elektromotor s naftovým agregátom je Peugeot 3008 Hybrid4. |
V meste usporí tretinu
Keď sa spomínaná pohybová energia vozidla v hybridných automobiloch rekuperáciou uloží ako elektrická energia do batérií, prevažná časť z nej sa ekonomicky využíva pri opätovných rozbiehaniach vozidla, čím sa dosiahne veľká úspora paliva.
Ešte väčšie možnosti úspory paliva vznikajú uplatnením hybridného pohonu v rozvážkových nákladných automobiloch a v mestských autobusoch, kde sa tiež musí vodič často rozbiehať a brzdiť. Tu sa ráta s tým, že sa bežne dá dosiahnuť úspora paliva aj vyše 30 percent.
Idú po nízkych otáčkach
Je otázkou, či môže hybridný automobil šetriť aj na diaľnici, kde sa väčšinou využíva konštantná rýchlosť jazdy? Z výskumu vlastností spaľovacích motorov i z praktických skúseností je známe, že zážihový aj vznetový štvortaktný motor dosahujú najlepšiu účinnosť pri plnom zaťažení, prípadne v jeho tesnej blízkosti. A to pri pomerne malých otáčkach.
Vo vývoji nových spaľovacích motorov sa preto konštruktéri usilujú posunúť maximálny krútiaci moment do oblasti malých otáčok. To umožňuje na poslednom prevodovom stupni zvoliť menší prevodový pomer a tým zväčšiť zaťaženie a zmenšiť otáčky motora, čím sa motor dostáva do oblasti svojej najlepšej účinnosti, teda najmenšej špecifickej spotreby paliva. (Pritom špecifická spotreba paliva je množstvo paliva v gramoch, ktoré sa spotrebuje na vytvorenie výkonu jedného kilowattu počas jednej hodiny.)
 |
| Honda Jazz hybrid – typický príklad Mild hybridu. |
Pri jazde na diaľnici s hybridným automobilom elektromotoru pomáha aj spaľovací motor, ktorý pritom súčasne nabíja aj batérie.. Pritom elektromotor pracuje s dobrou účinnosťou vyše 90 %. Vďaka tomuto dvojitému pohonu môže konštruktér použiť menší prevodový pomer, lebo spojené hnacie jednotky „to utiahnu“.
Takto sa pri tej istej rýchlosti jazdy zmenšia otáčky a zväčší sa zaťaženie spaľovacieho motora.. Čiže spaľovací motor bude pracovať s menšou špecifickou spotrebou paliva. Následkom toho sa zmenší aj prevádzková spotreba paliva v litroch na sto kilometrov.
Pre spomínané dôvody má automobil s hybridným pohonom aj na diaľnici menšiu spotrebu paliva ako ten istý automobil bez hybridného pohonu. Prevádzková spotreba paliva bude v praxi väčšinou ešte menšia, lebo len málokedy nám podmienky premávky na diaľnici dovolia ísť tou istou konštantnou rýchlosťou.
Odpor vzduchu berie veľmi veľa
Mnohokrát musíme ubrať plyn a brzdiť – a vtedy generátor hybridného pohonu zakaždým dobíja batérie, teda šetrí nadobudnutú pohybovú energiu vozidla – uloží ju do batérií na neskoršie použitie – a tým tiež zmenšuje spotrebu paliva.
Toyota pri type Prius III ešte navyše, najmä pri vyšších rýchlostiach, zmenšuje spotrebu paliva aj extrémne malým odporom vzduchu (medzi veľkosériovo vyrábanými osobnými automobilmi na svete má najmenší súčiniteľ odporu vzduchu cx = 0,25).
Otázka na záver
Prečo aj na diaľnici pri konštantnej rýchlosti musí spaľovací motor dobíjať batérie, keď aj tak väčšinu výkonu na pohon vozidla dodáva on sám a batérie sa podieľajú na pohone vozidla len minimálne?
Je to preto, lebo súčasne používané nikel-metal-hydridové batérie svojou obmedzenou kapacitou sú schopné v spolupráci s elektromotorom pridať veľký krútiaci moment len na krátky čas. Keby vodič potreboval predbiehať viackrát za sebou, batérie by sa čoskoro vyčerpali a zrýchlenie vozidla by sa zhoršilo. To by vodiča zaskočilo, lebo v náročných situáciách by sa potom nemohol spoľahnúť na dostatočné zrýchlenie vozidla.
Dnešné hybridné automobily využívajú kombináciu spaľovacieho motora, elektromotora a batérií. Zo spaľovacích motorov prichádzajú do úvahy zážihové motory (benzínové i plynové) a vznetové motory. V súčasnosti sa najviac využíva vzájomná spolupráca benzínového motora a elektromotora. V krajinách, kde je dostatok lacného plynného paliva, sa vyvíjajú automobily s pohonom na plyn v kombinácii s elektromotorom.
Autor: Doc. Ing. Alexander IKRINSKÝ, PhD.
