Jak połączyć silnik spalinowy z elektrycznym? HEV, plug-in i mild – rodzaje napędów hybrydowych.
Hybrydyzacja i elektryfikacja stały się dominującymi trendami rozwoju napędów samochodowych. Połączenie pracy silników spalinowych z elektrycznymi nie jest już ciekawostką ale coraz częściej standardem. Hybryda nie jedno ma jednak imię i nie zawsze działa tak samo. Oto rodzaje napędów hybrydowych – zestawienie, które pomoże w się w tym wszystkim połapać.
Rodzaje napędów hybrydowych
Pełna / klasyczna hybryda (HEV)
HEV to skrót od angielskiego wyrażenia hybrid electric vehicle czyli hybrydowy pojazd elektryczny. Spotkać się można także z określeniem “pełna hybryda” lub “hybryda klasyczna”.
Jest to podstawowy i najpopularniejszy w chwili obecnej rodzaj hybrydy. Samochód tego typu porusza się dzięki silnikowi spalinowemu, elektrycznemu lub w oparciu o ich połączone siły. Zarządzaniem całością zajmuje się odpowiedni komputer, który podejmuje decyzje o sposobie napędzania auta w oparciu o pomiar m.in. obciążenia, prędkości, poziomu naładowania akumulatora.
Pełne hybrydy wykorzystują układ szeregowo-równoległy, którego dobrym przykładem jest znany z Toyoty i Lexusa Hybryd Synergy Drive. Serce całości stanowi przekładnia planetarna łącząca silnik spalinowy, generator i połączony z kołami silnik elektryczny. Jej zadaniem jest podział momentu obrotowego wału silnika spalinowego między koła i generator, a także umożliwienie łączenia pracy silnika spalinowego i elektrycznego pełniąc przy tym rolę bezstopniowej skrzyni biegów. Układ, poza pracą w trybie wyłącznie elektrycznym, może także działać jako hybryda szeregowa lub równoległa. W pierwszym przypadku koła napędzane są przez silnik elektryczny, ale silnik spalinowy pracuje jako pokładowy generator. Hybryda równoległa polega natomiast na połączeniu pracy oby rodzajów silników do napędzania kół.
W niektórych samochodach możliwe jest wymuszenie jazdy wyłącznie z wykorzystaniem silnika elektrycznego, ale tryb ten zostanie wyłączony automatycznie wówczas, gdy obciążenie przekroczy możliwości tego silnika – wystarczy mocniejsze wciśnięcie pedału gazu lub przekroczenie granicy prędkości 30-40 kilometrów na godzinę.
By cały zestaw działał, potrzebne jest wykorzystanie baku z paliwem oraz akumulatora. Energii w tym ostatnim nie można jednak uzupełniać poprzez podpięcie do wtyczki, tak jak dzieje się to w samochodach elektrycznych lub omówionych niżej hybrydach plug-in. Akumulator jest ładowany przez pracę silnika spalinowego oraz odzyskiwanie energii toczenia i hamowania. Silnik elektryczny pracuje wówczas jako generator, zaś generator służy jako rozrusznik przy uruchamianiu silnika spalinowego.
Znaczną zaletą tego typu napędu hybrydowego jest jego bezobsługowość. Samochód niewiele różni się od zwykłej spalinówki, nie trzeba go ładować z gniazdka, a jednocześnie w pewnych warunkach (przede wszystkim w mieście, gdzie możliwe jest ciągłe doładowywanie akumulatorów podczas hamowania, a ruch odbywa się z niską prędkością) pozwala zaoszczędzić znaczne ilości paliwa i zwiększyć dynamikę dzięki dostępnemu w każdym zakresie obrotów momentowi silnika elektrycznego. Moc tego ostatniego jest jednak niewielka, podobnie jak pojemność akumulatorów, można więc zapomnieć o pokonywaniu znacznych dystansów wyłącznie na prądzie – nawet w mieście. Tradycyjny napęd hybrydowy nie ma większych zalet także w trasach ze względu na zbyt wysokie dla silnika elektrycznego prędkości oraz relatywnie rzadkie okazje do podładowania akumulatorów poprzez odzyskiwanie energii hamowania.
Hybryda typu plug-in (PHEV)
PHEV (Plug-in hybryd electric vehicle) lub hybryda typu plug-in to rozwinięcie tradycyjnego układu hybrydowego zbliżające go do napędu w pełni elektrycznego.
O głównej różnicy względem opisanego poprzednio rozwiązania HEV mówi już sama nazwa. Samochody z napędem typu plug-in wykorzystują technologie znane z tradycyjnych hybryd, ale moc silników elektrycznych jest znacznie większa, podobnie jak pojemność akumulatorów, przy czym te ostatnie można (i trzeba) ładować z wykorzystaniem zewnętrznych źródeł energii elektrycznej, na przykład domowego gniazdka lub stacji szybkiego ładowania.
Akumulatory hybryd typu plug-in są ładowane pracą silnika spalinowego, poprzez proces rekuperacji w czasie toczenia się i hamowania – identycznie jak dzieje się to w przypadku hybryd tradycyjnych, ale uzupełnianie energii w ten sposób okazuje się niewystarczające. Właściciel samochodu musi więc pamiętać nie tylko o uzupełnianiu paliwa w baku, ale także o podpinaniu do ładowarki co jakiś czas.
Co otrzymujemy w zamian? Możliwość przebycia znacznie większych odległości (rzędu 30-50 kilometrów zależnie od modelu samochodu) z wyższą prędkością wykorzystując przy tym wyłącznie zwiększoną moc silników elektrycznych. W założeniu konstruktorów ma to pozwolić na codzienne podróże do pracy lub szkoły bez zużycia konwencjonalnego paliwa i bez emisji szkodliwych substancji. Silnik spalinowy uruchamiany jest poza miastem, na dłuższych trasach.
Ten rodzaj napędu stanowi swoisty etap przejściowy między napędem wyłącznie spalinowym, a samochodami elektrycznymi. Większość swojego przebiegu przejedzie zapewne na prądzie, ale nie zatrzyma się rozładowany dziesiątki kilometrów od najbliższej stacji ładowania podczas dłuższej podróży – zwyczajnie przełączy się na silnik spalinowy.
Hybryda typu mild (mHEV)
Poznaliśmy już dwa rodzaje napędów hybrydowych. PHEV stawia na jazdę z wykorzystaniem silnika elektrycznego, a jego spalinowy kolega załącza się jedynie wówczas, gdy w akumulatorach zabraknie prądu lub samochód osiągnie zbyt wysoką prędkość. W przypadku pełnej hybrydy główną rolę gra wciąż silnik spalinowy, ale silnik elektryczny wspomaga go lub może zapewniać autu napęd na dystansie kilku kilometrów pokonywanych z niewielką prędkością.
Inżynierowie opracowali jednak jeszcze jeden rodzaj napędu hybrydowego – oto mHEV, mild hybryd lub miękka hybryda.
Przypomina ona konstrukcyjnie pełne hybrydy, ale w radykalnie mniejszej skali. Silnik elektryczny znajduje się między silnikiem spalinowym a skrzynią biegów lub w pobliżu innych elementów osprzętu pod maską. Jego moc jest zbyt mała by samodzielnie napędzać koła, na prądzie nie przejdziemy tu ani jednego metra. Silnik elektryczny pełni rolę alternatora oraz rozrusznika i korzysta z instalacji elektrycznej 48V (napięcie dwukrotnie wyższe od tego wykorzystywanego w tradycyjnych samochodach spalinowych). W każdej instalacji mild hybrid wykorzystywany jest także drugi, niewielki akumulator magazynujący energię na potrzeby silnika elektrycznego.
Podczas jazdy jednostka elektryczna wytwarza energię potrzebną do zasilania samochodu i ładowania akumulatorów, pełni rolę rozrusznika odciążając system Start&Stop, a także wspomaga silnik spalinowy podczas przyspieszania.
Producenci zapewniają, że wykorzystanie napędu hybrydowego typu mild obniża zużycie paliwa nawet o 10% i podobnie zmniejsza emisję spalin. Należy jednak pamiętać, że są to pomiary laboratoryjne, a ostateczne wyniki zależą od konkretnego modelu samochodu, stylu jazdy i warunków eksploatacyjnych.
Dużą zaletą hybryd typu mild jest ich uniwersalność. Omówione poprzednio rodzaje napędów hybrydowych, pełna hybryda, a w szczególności hybryda typu plug-in, najlepiej sprawdzają się w mieście. W trasie natomiast spalanie może okazać się nawet wyższe ze względu na konieczność wożenia ze sobą ciężkich akumulatorów i całego układu hybrydowego, które w żaden sposób nie mogą pokazać w takich warunkach swoich zalet. Układ mild jest natomiast nieskomplikowany i lekki, szczególnie uwzględniając zastępowanie alternatora i rozrusznika.
Czytaj więcej: Dlaczego żaden producent samochodów nie stosuje dziś silników V4?
Śmiało można zakładać, że w przewidywalnej przyszłości miękka hybryda stanie się nieodłącznym elementem każdego samochodu osobowego. W dobie wyśrubowanych norm emisji spalin każda oszczędność jest dla producentów na wagę złota. I to dosłownie, gdyż przekraczanie wspomnianych norm łączy się z dotkliwymi karami.