pobierz artykuł

Katarzyna Matwiejewa
WSGE | 331
332 | WSGE
Environmentally friendly hybrid driver for vehicles
Napęd hybrydowy przyjazny środowisku
Katarzyna Matwiejewa
Studentka III roku studiów na kierunku Ochrona
Środowiska w Wyższej Szkole Gospodarki
Euroregionalnej im. Alcide De Gasperi w Józefowie
[email protected]
Abstract
The exploratory paper investigates the hybrid combustion-electric vehicle propulsion, with emphasis on its environmental impact. The author
explains the principles of hybrid motor operation and design, studies its
use in a variety of situations, and presents examples of its application. The
advantages of hybrid motor application in passenger vehicles are considered. The author also presents a case study and her personal observations
of a specific passenger vehicle with a hybrid motor.
Keywords: Passenger vehicle, vehicles driver, environmental impact,
hybrid vehicles, hybrid motor, hybrid combustion
Wprowadzenie
Sytuacja w jakiej znajduje się obecnie środowisko naturalne jest poważna. Narastające zanieczyszczenie środowiska oraz wyczerpywanie się
źródeł energii to kluczowe problemy z którymi się borykamy. Oprócz
podstawowych źródeł zanieczyszczeń, takich jak fabryki czy elektrownie,
za część emisji zanieczyszczeń odpowiedzialny jest transport. Stosowanie
nowoczesnych rozwiązań, opisanych poniżej, pozwala w pewnym stopniu
je zredukować.
Eksploatacja pojazdów z napędami hybrydowymi, spalinowo-elektrycznymi, ze względu na odzyskiwanie energii, ogranicza zużycie paliwa.
Dzięki temu jest bardziej przyjazna środowisku oraz naszym portfelom.
1. Wpływ pojazdów spalinowych na problemy ekologiczne
Ze względu na emisję niedopalonych węglowodorów (HC), tlenków węgla (CO), ditlenków węgla (CO2) i tlenków azotu (NOx), pojazdy
WSGE | 333
z silnikami spalinowymi, są uznawane za jednego z głównych trucicieli
atmosfery.
Udział samochodów i pozostałych środków transportu stanowi około 15% emisji do atmosfery dwutlenku węgla powodowanej ogólnie przez
człowieka (szacowane na ok. 26 x 109 tony na rok). W aglomeracjach miejskich, gdzie natężenie ruchu drogowego jest bardzo duże, degradacja środowiska jest zdecydowanie większa niż w miejscach o mniejszym skupieniu ruchu.
Rysunek 1: Procentowy diagram naturalnej i spowodowanej działalnością
człowieka emisji CO2 do atmosfery w skali globalnej (Polakowski, 2011)
[6]
334 | WSGE
Tabela 1: Naturalna Emisja CO2 [6]
Naturalna Emisja CO2 wynosząca 770 x 109 t/rok
Oceany
43%
Roślinność
28%
Lądy
28%
Spalanie Biomasy
1%
Tabela 2: Emisja CO2 spowodowana działalnością człowieka [6]
Emisja CO2 spowodowana działalnością człowieka, wynosząca 26 x 109
t/rok
Elektrownie
25%
Gospodarstwa Domowe
23%
Zakłady przemysłowe
21%
Spalanie biomasy
15%
Samochody
10%
Samoloty
2,7%
Inne środki transportu
1,6%
Statki
1,5%
Ze względu na zwiększające się stężenie szkodliwych emisji w obszarach o dość dużym natężeniu ruchu samochodowego , a także konieczności zredukowania efektu cieplarnianego „na całej Ziemi od połowy lat
’70 wysiłki przemysłu motoryzacyjnego [wprowadzenie kategorii pojazdów
o niskiej i bardzo niskiej emisji zanieczyszczeń LEV(Low Emission Vehicles)
i ULEV ( Ultra Low Emission Vehicles)] oraz decyzje prawodawców (głównie
w normach europejskich CEE,USA i japońskiej), w ciągu 25 lat, przyczyniły się do znacznego obniżenia zanieczyszczających substancji w spalinach.
Zgodnie z normami europejskimi od roku 1970 do 2000 dopuszczalna emisja
CO została zmniejszona o 95% (do 2,3g/km) zaś HC+NOx o 98% (do 0,2g/
km). Europejskie wymogi powinny ponadto spowodować zredukowanie emisji CO2 z 190g/km do 95 g/km po roku 2010.” (Polakowski, 2011)[6]
1.1. Napęd hybrydowy
W trosce o środowisko, rozważmy inne metody napędu pojazdów niż
silniki spalinowe. Do dyspozycji mamy jeszcze pojazdy elektryczne. Ich eksploatacja ma zerowy udział w zanieczyszczeniach środowiska. Sprawność
WSGE | 335
silników elektrycznych jest większa niż spalinowych, czyli zużycie energii
jest mniejsze. Największą wadą takiego pojazdu jest ograniczenie związane
ze źródłem energii elektrycznej. Do tej pory stosowany był kwasowy akumulator ołowiowy, który nie jest może najlepszym rozwiązaniem. „Energia
zgromadzona w akumulatorze tego typu o masie 400kg odpowiadała tej,
którą zapewni 5l paliwa.” (Polakowski, 2011). Duża masa akumulatorów
oraz stosunkowo niewielki zasięg takiego pojazdu czyni takie rozwiązanie
nie optymalnym.
W związku z koniecznością redukcji toksycznych emisji przez pojazdy z silnikami spalinowymi, przemysł samochodowy poważnie zaczął rozważać samochody z napędem mieszanym HEV (Hybrid Electric
Vehicles). [6]
Napęd hybrydowy jest to najczęściej połączenie dwóch rodzajów
napędów, silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym, stosowanych do
napędzania jednego pojazdu. Silniki te mogą pracować na przemian lub
naraz, w zależności od potrzeb, np. w mieście elektryczny, za miastem spalinowy. Silnik elektryczny może napędzać pojazdy wykorzystując energię
zgromadzoną w akumulatorze, lub też pracując w trybie prądnicy odzyskiwać energię elektryczną ładując akumulator, na przykład podczas hamowania.[7]
Rysunek 2: Ogólna struktura pojazdu Hybrydowego
(Kost & Nierychlok, 2011)[3]
a. Rodzaje napędów hybrydowych
336 | WSGE
W zależności od tego w jaki sposób umieszczone są poszczególne elementy napędzające, wyróżnia się układy hybrydowe :
• Szeregowe - gdy energia wytwarzana przez silnik spalinowy jest
w całości przetworzona na energię elektryczną silnika elektrycznego, zaś
nadmiar do ładowania akumulatorów. W układzie tym, nie ma potrzeby
stosowania skrzyni biegów.
• Równoległe - gdy część energii mechanicznej wytworzonej przez
silnik spalinowy napędza pojazd, a pozostała część ładuje akumulatory.
W razie potrzeby, oba napędy mogą pracować równolegle (razem) jako
źródła napędu.
• Mieszane - gdy następuje kombinacja układu szeregowego z równoległym [7]
b. Zalety napędów hybrydowych
Do zalet niniejszego pojazdu należą przede wszystkim, mniejsze zużycie paliwa, mniejszy hałas i co najważniejsze- mniejsza emisja szkodliwych
spalin do otoczenia. W niektórych krajach stosowane są również ulgi dla
posiadaczy pojazdów z napędami hybrydowymi. [7]
c. Wady napędów hybrydowych
Wady pojazdów hybrydowych wynikają głównie z konieczności
umieszczenia w nich dość sporych akumulatorów, które zwiększają masę
i rozmiar pojazdu. Ponadto dochodzą skomplikowane układy i systemy
sterowania napędami. Zasadniczą wadą pojazdów hybrydowych jest jednak ich wysoka cena. [7]
1.2. Toyota Yaris Hybrid - przykład superoszczędnej hybrydy
Na wstępie chciałam serdecznie podziękować TOYOTA Radość
za bezpośrednią prezentację modelu wraz z jazdą testową oraz Panu
W. Wyszyńskiemu za dostarczenie mi niezbędnych informacji o modelu.
Z racji tego, iż elementy tego rozdziału, mają charakter doświadczalny pozwolę sobie na opis bardziej personalny.
d. Toyota Yaris Hybrid - własne spostrzeżenia
Po przybyciu do salonu TOYOTA, wskazano mi podobnego Yarisa do
tego, którym przyjechałam. Na pierwszy rzut oka różnił się jedynie kolorem. Jednakże po dokładniejszych oględzinach można było zauważyć
nieznaczne różnice. Otóż, wersja hybrydowa Yarisa ma niebieską obwódkę wokół firmowego logo, inny zderzak, a także jak się potem okazało
WSGE | 337
LEDowe światła dzienne. W środku samochód był jak ‘normalny’ Yaris.
Nic nadzwyczajnego- siedzenia przednie, tylnie, deska rozdzielcza, bagażnik- tak jak w wersji benzynowej - gołym okiem nie widać różnicy.
Po dogłębnym przestudiowaniu samochodu okazało się, że oprócz silnika
benzynowego i elektrycznego Toyota ma także zamontowany niezależny
generator prądu. Zaś całość połączona jest przekładnią planetarną. Dzięki
takiej budowie samochód może jechać zarówno na silniku spalinowym,
jak i na elektrycznym, a także wykorzystując oba napędy na raz. Jest to
jeden z najbardziej rozwiniętych systemów takiego typu. Akumulatory doładowuje się podczas zwalniania- wtedy odzyskuje się energię.
Nowy Yaris wyróżnia się silnikiem benzynowym o pojemności 1,5 litra
- jest to pokrewna wersja silnika stosowanego w pozostałych hybrydach
o pojemności 1,8 litra. Silnik ten pracuje w obiegu Atkinsona. Polega on na
tym, że „cykle sprężania i rozprężania nie są symetryczne- zawory dolotowe
pozostają otwarte na tyle długo, że część ładunku wypychana jest z powrotem do kanału dolotowego.” (Auto Moto, 2012) Oznacza to, że cykl pracy
jest dłuższy niż sprężanie, a to z kolei podnosi sprawność jednostki. [1]
Na tym etapie należałoby wspomnieć o akumulatorach, które są dość
duże w autach elektrycznych i zajmują sporo miejsca - w naszym Yarisie
baterie umieszczone są pod kanapą. Nie ingerują one w budowę wnętrza
samochodu, jedynie ograniczają pojemność zbiornika paliwowego o 6 litrów. Zespół napędowy zajmuje mniej więcej tyle samo miejsca, co konwencjonalny zespół napędowy. Wszystko to pokazuje nam, że hybrydowy
Yaris jest tak samo funkcjonalny jak każda inna wersja tego modelu!
Ostanie przygotowania do jazdy - pasy, lusterka, krótki instruktaż jak
korzystać z futurystycznego wyświetlacza na desce rozdzielczej, uruchamiam samochód i...nic - żadnego warknięcia - samochód milczy. Zapaliła
się kontrolka „ready” na zestawie zegarów- oznacza to, że można już ruszać. Parę metrów bezgłośnej jazdy, jak się okazało było „winą” napędu
elektrycznego, dopiero po tym, do „akcji wkroczył” silnik benzynowy. Nie
odczułam żadnego szarpnięcia, proces przebiegł łagodnie. Zmiana biegów też nie różniła się niczym od „normalnej”. Postanowiłam troszkę poeksperymentować, chciałam sprawdzić, czy da się przyspieszyć w bardzo
szybkim tempie. Okazało się, że samochód nie miał z tym najmniejszych
problemów – od razu niemalże załączył się silnik spalinowy i samochód
poderwał się do szybkiej jazdy. Całość można było obserwować na wyświetlaczu, pokazującym, co się dzieje od strony napędu. Na początku
stan baterii był niemalże na wyczerpaniu. W czasie jazdy podładowywał
338 | WSGE
się co jakiś czas, ale nadal nie przekroczył połowy. Podczas hamowania,
zauważyłam na wyświetlaczu, że znaczna część energii przeznaczona jest
na ładowanie akumulatora, zwalniając czy utrzymując taką samą prędkość
jazdy również. Testowanie tego samochodu było przyjemnością.
Rysunek 3: Rozmieszczenie zespołu napędowego Toyota Hybrid. 1-Silnik
spalinowy, 2-Silnik Elektryczny i Generator prádu, 3-Moduł sterujący,
4-Zestaw akumulatorów [1][4]
Rysunek 4: Napęd Hybrydowy. Z lewej silnik benzynowy, z prawej część
elektryczna [4]
WSGE | 339
Rysunek 5: Dane techniczne, testy, ceny Toyoty Yaris Hybrid (Auto Moto,
2012)[1]
e. Toyota Yaris hybrid vs. diesel vs. wersja benzynowa
Czasopismo Motor wzięło pod lupę trzy wersje Yarisa - hybrydową,
diesla oraz benzynową. W teście brały udział identyczne modele Yarisa Sol. Wyniki prezentują się następująco:
340 | WSGE
Tabela 3: Dane techniczne i osiągi porównywanych modeli (Grabowski,
2012)[2]
Dane Techniczne
HYBRID
Silnik
Benzynowy/ turbodiesel
elektryczny
1.4 D-4D
1.33 100
Benzynowy
Pojemność skokowa
1497 cm3
1364 cm3
1329 cm3
Układ cylindrów/ zawory
R4/16
R4/8
R4/16
Moc maks. silnika spalinowego
74 KM/4800
90KM/3800
99KM/6000
Maks. moment obrotowy
111Nm/3600
205Nm/1800
125Nm/400
Maks. moc silnika elektr.
60KM
-
-
Maks. Moment obr. (elektr.)
169Nm
-
-
Moc maksymalna łączona
100KM
-
-
Prędkość maksymalna
165km/h
178 km/h
175km/h
Przyspieszenie 0-100 km/h
11,8s
10,8s
11,7s
Fabryczne zyżycie paliwa*
3,1/3,5/3,5
4,8/3,4/3,9
6,8/4,5/5,4
OSIĄGI
*Miasto/trasa/cykl mieszany (1/100 km)
Tabela 4: Koszty eksploatacji porównywanych modeli (Grabowski, 2012)
[2]
Koszty eksploatacji
HYBRID
1.4 D-4D
1.33 100
Planowany czas
eksploatacji
5 lat/100
000km
5 lat/100 000km
5 lat/100
000km
Zużycie paliwa (
uśrednione)
4,8 l /100 km
5,2 l/100 km
6,7 l/100 km
Cena za 1 litr paliwa
5,70
5,60
5,70
Koszt paliwa(100 tys.
km)
27360 zł
29120 zł
38190 zł
Ubezp. Ac+OC (1 rokpakiet)
2,9% (1992 zł)
3,6% (2400 zł)
3,6% (1958 zł)
Ubezp. AC+OC (2 -5
lat)*
8800 zł
8400 zł
7800 zł
Interwał
międzyprzeglądowy
15000 km
15000 km
15000 km
Uśredniony koszt
przeglądu
6 x 650 zł
(3900 zł)
6 x 700 zł (4200
zł)
6 x 650 zł
(3900 zł)
WSGE | 341
Wymiana tarcz ham.
przód.**
1 x 638 zł
2 x 466 zł (932 zł)
2 x 466 zł (932
zł)
Wymiana klocków ham.
przód**
1 x 358 zł
3 x 242 zł (726 zł)
3 x 242 zł (726
zł)
Wymiana sprzęgła**
Brak
konieczności
2430 zł
Brak
konieczności
Utrata wartości po 5
latach
37800 zł (55%) 36700 zł (55%)
28200 zł (52%)
Koszt całkowity
80840 zł
84908 zł
81706 zł
Koszt 1 KM
0,81 zł
0,85 zł
0,82 zł
*Miasto Warszawa, ze zniżką 60%; ** bez kosztów robocizny
Jak widać, wydatek eksploatacyjny na 100 tysięcy km w samochodzie
hybrydowym jest minimalnie mniejszy niż eksploatacja na tym samym
dystansie samochodu benzynowego. Wersja diesla, jak wykazuje test jest
całkowicie nieopłacalna.[2]
Jako ciekawostkę, warto wspomnieć, że Czasopismo Motor przeprowadziło test sprawnościowy 3 samochodów w postaci slalomu i okazało się,
że najlepszy wynik prędkościowy uzyskała wersja hybrydowa. Wynikało to
z tego, że tylna oś dociążona jest zestawem akumulatorów umieszczonych
pod tylnią kanapą a co za tym idzie, ma korzystny rozkład masowy. [2]
2. Inne przykłady pojazdów hybrydowych
Na rynku obecnie jest kilka wersji samochodów osobowych z napędami hybrydowymi w tym co najmniej 3 modele Toyoty, ale także Lexus
czy tez Volvo. Jednak nie tylko osoby indywidualne mogą korzystać
z przyjemności jeżdżenia hybrydowymi pojazdami. Hybrydowe napędy
znalazły zastosowanie w pojazdach transportu miejskiego! Tutaj bardzo
dobrym przykładem będzie Autobus MAN. Jest on napędzany elektryczno-spalinowym napędem, do gromadzenia energii elektrycznej wykorzystuje zestaw kondensatorów połączonych ze sobą. Kondensatory te są
dwuwarstwowe - DLC (Double Layer Capacitor) potocznie określane jako
Supercaps/Ultracaps. Kondensatory zastosowane w MANach mają dużo
większą gęstość mocy i sprawność. „Z uwagi na niskie napięcie rozkładu
zastosowanego elektrolitu organicznego, stosuje się dużą ilość kondensatorów połączonych między sobą. W rozwiązaniu tym zastosowano 8 modułów po 36 kondensatorów każdy. Silnik spalinowy zalącza się do pracy, gdy
342 | WSGE
energia zgromadzona w bateriach kondensatorów jest za mała.” (Pawelski,
Pawelski, & Pałczyński, 2007)[5]
Kolejną propozycją zastosowania hybrydowego napędu są pojazdy
wojskowe. „Napędy hybrydowe pojazdów wojskowych są częścią kierunku rozwoju sprzętu wojskowego znanego jako „AECV All Electric Combat
Vehicle” (w pełni elektryczny pojazd bojowy), który obejmuje również zastosowanie energii elektrycznej w bardziej efektywnym uzbrojeniu oraz zagadnienia wzmocnienia ochrony pojazdu przed działaniem przeciwnika.”
(Pawelski, Pawelski, & Pałczyński, 2007)[5]
Podsumowanie
Dzięki zmianom dotyczącym emisji CO2, coraz ostrzejszym ograniczeniom emisji dwutlenku węgla do otoczenia, znacznie zwiększyła się
intensywność działań różnych producentów nad tworzeniem nowego systemu układu napędowego. Choć napędy hybrydowe nie są rozwiązaniem
idealnym, cieszą się dość dużą popularnością. W niedalekiej przyszłości
należałoby się spodziewać hybrydyzacji na szerszą skalę. Nie wykluczone
jest, że będzie się to wiązało z odpowiednimi, proporcjonalnymi kosztami.
Niemniej, odnosząc się do przykładu przytoczonego w rozdziale trzecim,
nie zawsze będzie to warunek konieczny. „ Skutkami pozytywnymi będzie
ograniczenie zużycia paliw ropopochodnych i zmniejszona emisja dwutlenku węgla, z korzyścią dla środowiska naturalnego.” (Pawelski, Pawelski,
& Pałczyński, 2007)
References
1. Auto Moto. (2012, 08). Powstał, by oszczędzać, 42-47.
2. Grabowski, T. (2012). Motor. Czy hybryda się opłaca?, 24-27.
3. Kost, G. i Nierychlok, A. (2011). Przegląd Mechaniczny Zeszyt 3/2011.
Napęd hybrydowy- koncepcja sterowania.
4. Mądry, R. (2012, 08 18). Toyota Yaris Hybrid 100 - TEST, opinie, zdjęcia, wideo - DZIENNIK DZIEŃ 6: Podsumowanie najtańszego eko-auta. Pobrano 09 03, 2012 z lokalizacji SuperAUTO24.pl: http://superauto24.se.pl/testy/toyota-yaris-hybrid-test-opinie-zdjecia-wideodziennik-dzien-6-podsumowanie-najtanszego-eko-auta_273598.html
5. Pawelski, Z., Pawelski, W. i Pałczyński, T. (2007). Wybrane prototypowe i studialne pojazdy hybrydowo- elektryczne. W Zeszyty Problemowe- Maszyny Elektryczne Nr 76 (strony 19-24). Łódz: Politechnika
WSGE | 343
Łódzka.
6. Polakowski, d. i. (2011). Prace Instytutu Elektrotechniki, Zeszyt 252.
Samochody ekejtryczne pojazdami najbliższej przyszłości? Warszawa,
Mazowieckie: Politechnika Warszawska.
7. Skupień, Ł. (2007, 05 18). Napęd hybrydowy napędem przyszłości? Pobrano 08 28, 2012 z lokalizacji http://infosamochody.pl: http://infosamochody.pl/artykul,id_m-18,t-naped_hybrydowy_napedem_przyszlosci.html
344 | WSGE