W nr. 6 Auto Moto Serwisu przedstawiliśmy pojazdy o napędzie
hybrydowym, będące już w ofercie koncernów motoryzacyjnych.
Nad napędami hybrydowymi pracują jednak również czołowi, światowi dostawcy
części i systemów. Swoje rozwiązanie, jeszcze w fazie badawczej,
przedstawiła ostatnio firma Bosch podczas 57. Międzynarodowej Konferencji
dla Prasy Motoryzacyjnej. Poniższy tekst jest skrótem wystąpienia Manfreda
Waltera, dyrektora działu projektowego Systemy Hybrydowe w firmie Robert
Bosch GmbH.
Pojazdom hybrydowym przepowiada
się świetlaną przyszłość. Za techniką tą kryje się napęd stanowiący
połączenie silnika spalinowego oraz elektrycznego. Przyroda i środowisko -
a przez to również człowiek - czerpią z takiego rozwiązania same korzyści:
w cyklu spalania stwierdzono oszczędność paliwa oraz zmniejszenie emisji
dwutlenku węgla o ok. 30%. Na całym świecie ustawy dotyczące ochrony
środowiska i ruchu drogowego torują drogę pojazdom hybrydowym,
wprowadzając normy emisji, które można spełnić.
Bosch zajmuje się technologiami hybrydowymi już od
ponad 30 lat. Aby podkreślić ich wyjątkowe znaczenie, w ubiegłym roku
stworzono samodzielny pion projektowania systemów hybrydowych. Technologia
hybrydowa to coś więcej, niż tylko sprzężenie pojedynczych komponentów. W
idealnym pojeździe hybrydowym zespoły takie, jak silnik spalinowy, silnik
elektryczny, hamulce i pozostałe muszą być idealnie do siebie dopasowane.
Tylko w taki sposób możliwe jest osiągnięcie najlepszych wyników pod
względem spalania i emisji zanieczyszczeń.
Nie wszystkie systemy hybrydowe są sobie równe
Oferowane przez firmę Bosch systemy hybrydowe można podzielić na trzy
klasy, różniące się funkcjonalnością: hybrydy Micro, hybrydy Mild oraz
hybrydy Strong.
Systemy Micro stanowią najtańszą, podstawową wersję systemów hybrydowych.
Istnieją dwie koncepcje, służące wyłącznie temu, by obniżać zużycie paliwa
oraz emisję CO2. W koncepcji Bosch SES (Smart Electronic Start/Stopp
System) sterownik silnika przejmuje funkcję sterowania zmodyfikowanym
rozrusznikiem, co odbywa się w zależności od życzenia kierowcy oraz na
podstawie danych pochodzących z czujników. Również Toyota, która jest
prekursorem technologii hybrydowych dla pojazdów, korzysta z tego rodzaju
systemu.
Druga koncepcja systemu Micro firmy Bosch o nazwie SPS
(Smart Power System) jest oparta na alternatorze z dwoma trybami pracy. W
trybie 14 V alternator zasila konwencjonalną, pokładową sieć elektryczną,
mocą elektryczną dochodzącą do 3 kW. W trybie 42 V alternator wytwarza
energię o mocy dochodzącej do 8 kW i dostarcza prąd do dużych odbiorników,
np. elektrycznie ogrzewanych szyb. Niewykorzystana energia jest
doprowadzana przez przetwornik napięcia do sieci pokładowej. Ten wariant
systemu Micro można połączyć z rekuperacyjnym hamulcem zasadniczym, który
zamienia część energii hamowania na energię elektryczną i kumuluje ją w
baterii o dużej pojemności.
Granica pomiędzy systemami Mild a Strong jest płynna. Obydwa mają zalety
systemów mikrohybrydowych. Systemy Mild są wyposażone w silnik elektryczny
o mocy 10-25 kW. Ten stosunkowo nieduży silnik elektryczny oferuje
dodatkową moc podczas wyprzedzania, tzw. efekt Boost, a w połączeniu z
silnikiem spalinowym o zmniejszonych wymiarach zapewnia oszczędność paliwa
rzędu 30% i więcej. Takie zalety oferuje także system Strong. Jest on
jednak wyposażony w mocniejszy silnik elektryczny, zwykle o mocy ok. 50 kW
(fot przy tytule) i generując moment obrotowy (dochodzący do 350 Nm),
zdecydowanie wydajniej wspomaga pracę silnika spalinowego. Kierowca
odczuwa bardziej dynamiczne przyspieszenie, niż przy zastosowaniu samego
tylko napędu spalinowego. Systemy te można by wykorzystywać również
wyłącznie dla oszczędności - bez optymalizacji dynamiki jazdy, a
oszczędność paliwa dochodziłaby w takim przypadku do 30% i więcej. Systemy
Strong oferują ponadto możliwość pokonywania krótszych tras wyłącznie przy
zastosowaniu napędu elektrycznego, a tym samym jazdy przy zerowej emisji
zanieczyszczeń. W takiej wersji system wymaga dodatkowego sprzęgła, które
w razie potrzeby odłącza od siebie oba źródła napędu.
 |
Podstawowy system
napędu quasihybrydowego, tzw. Micro. Daje on oszczędność paliwa w
granicach 3-8%. W wersji o nazwie SES
(Smart Electronic Start/Stopp System) sterownik silnika przejmuje
funkcję sterowania rozrusznikiem. Oznaczenia: 1 - konwerter DC/DC, 2 -
zespół pedałów, 3 - rozrusznik, 4 - alternator |
 |
Druga koncepcja systemu
Micro firmy Bosch o nazwie SPS (Smart Power System) bazuje na
alternatorze z dwoma trybami pracy: 14 V oraz 42 V. Oznaczenia: 1 -
konwerter DC/DC, 2 - zespół pedałów, 3 - rozrusznik,
4 - alternator dwufunkcyjny, 5 - kondensator akumulujący energię
hamowania (supercaps) |
 |
Koncepcja systemu
napędu hybrydowego Mild i Strong. Systemy Mild przynoszą oszczędność
paliwa w granicach 15%, natomiast Strong - 30%. Silnik elektryczny
Boscha będzie dostosowywany do silnika benzynowego producenta
samochodu. Napęd hybrydowy można stosować w samochodach z dieslem,
jednak jest to związane ze zbyt wysokimi kosztami realizacji.
Oznaczenia: 1 - konwerter DC/DC, 2 - akumulator 12 V, 3 - akumulator
dodatkowy 42 V, 4 - silnik elektryczny, 5 - hamulec rekuperacyjny |
Cechą wspólną wszystkich klas systemów hybrydowych jest
inteligentna komunikacja pomiędzy elektronicznymi systemami sterowania
oraz ich czujnikami. Polecenia kierowcy odnośnie przyspieszania lub
hamowania, stan naładowania akumulatora oraz inne istotne dane są
wykorzystywane w celu optymalnego zharmonizowania komponentów. Dzięki temu
możliwe jest zrealizowanie założonych celów, takich jak redukcja emisji i
obniżenie zużycia paliwa, bezemisyjna jazda, bardziej dynamiczna jazda lub
ich kombinacje.
Zasada działania napędu hybrydowego
Zasadę funkcjonowania systemu hybrydowego w typowych sytuacjach można
wyjaśnić na podstawie systemu Strong.
1. Pojazd stoi. Idealnym źródłem energii dla ruszenia z miejsca jest
silnik elektryczny, ponieważ osiąga on maksymalny moment obrotowy jeszcze
podczas postoju pojazdu. Rozruch silnika spalinowego następuje
automatycznie, jeśli istnieje zapotrzebowanie na moc przekraczającą
możliwości silnika elektrycznego.
2. Pojazd dynamicznie przyspiesza dzięki połączeniu obu źródeł napędu,
które równocześnie dostarczają maksymalny moment obrotowy.
3. Przy jeździe ciągłej źródłem napędu jest silnik spalinowy. Silnik
elektryczny może w tym czasie pracować jako generator i wytwarzanym prądem
zasilać odbiorniki elektryczne w pojeździe oraz akumulator.
4. Kiedy kierowca hamuje, energia kinetyczna zamieniana jest w energię
elektryczną, wykorzystywaną do ładowania baterii. W pojazdach
konwencjonalnych energia ta jest tracona jako ciepło odpadowe powstające
przy pracy hamulców.
5. Przy zatrzymaniu pojazdu silnik spalinowy automatycznie wyłącza się.
Pomaga to oszczędzać paliwo, zmniejsza emisję spalin i przyczynia się do
cichszej pracy pojazdu, co znacznie podwyższa komfort jazdy.
Napędy hybrydowe a rynek światowy
Analiza kosztów i korzyści wynikających z zastosowania poszczególnych
koncepcji na przykładzie samochodu typu SUV (Sport Utility Vehicle) z
napędem hybrydowym, przy jeździe w cyklu NEFZ (nowy europejski cykl
jazdy), wykazuje pewne interesujące cechy w porównaniu z pojazdami z
tradycyjnym napędem spalinowym. Hybrydowy silnik benzynowy ma szansę
zrównać się pod względem osiągów i kosztów eksploatacji z silnikiem
Diesla, ponieważ silniki Diesla ze względu na wyższe w przyszłości koszty
dodatkowego oczyszczania spalin staną się mniej opłacalne niż obecnie. Na
rynku amerykańskim należy wziąć pod uwagę także względy emocjonalne, jakie
będą towarzyszyły sprzedaży benzynowych pojazdów hybrydowych. Obiecujący
potencjał będą tam miały przede wszystkim hybrydowe samochody typu SUV.
Samochody takie, jak Lexus RX 400h czy Ford Escape już dziś są tego
przykładem. Również inni, wiodący producenci aut intensywnie rozważają
wprowadzenie hybrydowych pojazdów SUV na rynek amerykański.
Niemal wszyscy producenci pojazdów poświęcają dużo
uwagi technice hybrydowej, a wielu z nich planuje wprowadzenie pojazdów z
tym napędem w ciągu najbliższych pięciu lat. Pierwszy system hybrydowy
produkcji Bosch o nazwie SES zostanie wprowadzony do produkcji seryjnej
prawdopodobnie w 2006 r. Bosch wychodzi z założenia, że w 2010 r. na rynku
dostępnych będzie ok. 50 różnych modeli samochodów hybrydowych. Ostrożnie
licząc, udział samochodów z napędem hybrydowym na rynku światowym zwiększy
się z 1% w 2010 r. do 5% w 2025 r. Liczbowo odpowiada to wzrostowi do 4
mln sztuk pojazdów.