Silnik hybrydowy w samochodzie

Typowy napęd elektryczny, gdzie źródłem energii są baterie jest droższy niż napęd konwencjonalny. Dzięki połączeniu w jednym pojeździe obu sposobów zasilania uzyskuje się rozwiązanie, które ma dużo zalet czyli napęd hybrydowy. Ograniczona zostaje liczba akumulatorów, a co za tym idzie masa pojazdu oraz zmniejsza się ilość zużytych akumulatorów do zagospodarowania. W porównaniu z „dużym” silnikiem spalinowym, mniejszy będzie emitował mniej szkodliwych związków. Silnik elektryczny pozwala wyeliminować rozrusznik, odzyskiwać energię przy hamowaniu, może być źródłem dodatkowej mocy przy przyspieszaniu. Dzięki zastosowaniu dodatkowego silnika elektrycznego istnieje możliwość stosowania funkcji „Stop and GO”, czyli wyłączania silnika na krótkich postojach np. na światłach i natychmiastowego uruchomienia go po włączeniu I biegu. Podpatrując pociągi elektryczne możemy dostrzec zalety stosowania tego typu energii. Pojazdy te łatwo przyspieszają, nie emitują szkodliwych związków i są ciche. Napęd elektryczny ma poza tym wysoką sprawność, bliską 100%. Jest to związane z brakiem przekładni mechanicznych koniecznych do przenoszenia wytworzonego momentu napędowego oraz brakiem takich strat cieplnych, jakie występują w silnikach spalinowych. Wykorzystanie napędu elektrycznego napotyka jednak na kilka problemów takich jak mała prędkość maksymalna, mały zasięg i krótki czas pracy. Wymienione trudności są związane z możliwościami baterii elektrycznych (akumulatorów). Aby otrzymać odpowiednią pojemność elektryczną, wystarczającą do dostarczenia dużej porcji energii przez dłuższy czas (zasięg, prędkość, przyspieszenie) musi być ich dużo oraz powinny one być trwałe. Jeśli zostanie zgromadzona odpowiednia ilość akumulatorów mogących przekazywać odpowiednią ilość energii do napędzania auta, powstają jednak kolejne problemy, czyli znaczna masa i kłopot jej odpowiedniego rozkładu w pojeździe oraz utylizacja starych baterii. Przypatrując się takim pojazdom, jak Ford Ranger, który ma silnik elektryczny pracujący przy napięciu 312 Volt, uzyskujący moc 90 KM, warto podkreślić kiepskie osiągi. Wspomniany Ford uzyskuje prędkość maksymalną wynoszącą jedynie 125 km/h. Podobne prędkości uzyskuje Nissan Altra, który wyposażono w silnik elektryczny uzyskujący przy napięciu 400 V moc 80 KM. Auto osiąga prędkość maksymalną 125 km/h i przyspiesza od 0 do 80 km/h w 12 sekund. Akumulatory pozwalają mu na pokonanie 200 km bez przerwy. Wspomniane pojazdy posiadają napęd “czysto” elektryczny. Jest on na pewno ekologiczny, ale osiągi nie pozwalają na masową produkcję z powodu kłopotliwej eksploatacji i małego zasięgu. Również jeżdżąc po mieście nie należy się oddalać od prostownika i lepiej oszczędnie słuchać radia.

Chcąc wyeliminować wary pojazdów posiadających tylko elektryczny napęd, stworzono auta hybrydowe. Samochody o takim systemie napędu posiadają dwa silniki: spalinowy oraz elektryczny. Spalinowy ma za zadanie, dzięki swojej pracy, ładować akumulatory w czasie jazdy. Pozwala to na uzyskanie zasięgu ograniczonego tylko pojemnością zbiornika z benzyną. Zmniejszono również liczbę baterii i uproszczono układ napędowy (napęd jest najczęściej przenoszony przez silniki elektryczne na kołach). Oczywiście emisja spalin także jest ograniczona gdyż silniki spalinowe nie pracują cały czas, i są mniejsze niż w tradycyjnych pojazdach. Przedstawicielem tej grupy aut jest np. Honda Insight Hybrid Electric, która posiada silnik elektryczny o mocy 10 kW (ok. 13 KM) przy napięciu 144 V oraz spalinowy litrowy o mocy 67 KM. Dopiero odpowiednie zaangażowanie elektroniki do rozdzielania momentu napędowego i wprowadzenie na szerszą skalę bezstopniowych przekładni, pozwoliło wprowadzić pojazdy hybrydowe na wyższy poziom. Najnowsze konstrukcje tego typu wykorzystują zasadę synergii. Oba silniki, elektryczny i spalinowy, mogą dostarczać energię jednocześnie, najczęściej w momencie dużego obciążenia silnika np. przy przyspieszaniu. Przykładem efektu synergicznego zachodzącego w pojazdach hybrydowych jest rezultat, jaki osiągnięto w pojeździe opracowanym przez MG o nazwie MIRA. Powstał samochód sportowy osiągający moc 200 KM. Pomagają mu w tym bardzo dobre współczynniki aerodynamiczne. Pojazd przyspiesza od 0 do 100 km/h w 6 sekund, ma dużo niższe zużycie paliwa oraz emisję szkodliwych związków chemicznych do atmosfery w porównaniu do analogicznych pojazdów o podobnej mocy silnika. MIRA posiada napęd na wszystkie koła (sterowany elektronicznie) poprzez system transmisji CVT. Silnik spalinowy osiąga moc 160 KM z pojemności 1,8 litra, natomiast elektryczny 20% całej mocy, czyli 40 KM. Nie było potrzeby stosowania dużej liczby akumulatorów dlatego udało się rozłożyć masę wprost idealnie po 50% na oś. Nowa wersja hybrydowej Hondy Insight, jako podstawową jednostkę nadal wykorzystuje silnik spalinowy, natomiast napęd elektryczny jest dołączany przy przyspieszaniu i podjeżdżaniu pod górę. Przy hamowaniu pracuje jako prądnica a podczas postoju uruchamia funkcję Stop and Go, która polega na automatycznym wyłączeniu silnika podczas postoju.

Oprócz zastępowania paliwami alternatywnymi, próbuje się wykorzystać rezerwy drzemiące w dotychczasowych konstrukcjach silników.

W chwili obecnej jesteśmy świadkami walki producentów o seryjną produkcję auta tak zwanego „trzy litrowego” czyli takiego, którego zużycie paliwa będzie kształtowało się na poziomie 3dm³/100km. Dodatkowym utrudnieniem jest założenie, że taki samochód nie powinien gwarantować użytkownikom niższego poziomu komfortu, osiągów czy bezpieczeństwa.

Analizując bilans cieplny zewnętrzny, który opiera się na pomiarach energii mechanicznej oraz energii cieplnej oddawanej przez silnik na zewnątrz, można wywnioskować, który z układów silnika ma jeszcze rezerwę konstrukcyjną a jej wykorzystanie wpłynie na mniejsze zużycie paliwa. Ogólne równanie bilansu zewnętrznego ma postać

Q = Q_e +  Q_ch + Q_w + Q_n + Qr

gdzie:

Q – ciepło dostarczone do silnika [kJ/h],

Q_e – ciepło użyteczne (zamienione na pracę użyteczną) w [kJ/h],,

Q_ch – straty chłodzenia w [kJ/h],

Q_w – straty wydechu w [kJ/h],

Q_n – straty niezupełnego lub niecałkowitego spalania w [kJ/h],

Q_r– reszta bilansu w[kJ/h].

Udział procentowy poszczególnych składników bilansu można przedstawia się następująco:

Jeśli chodzi o układy chłodzenia oraz układy wydechowe to istnieje raczej mała rezerwa konstrukcyjna dzięki, której można by zmniejszyć udział start chłodzenia i wydechu na korzyć ciepła zamienionego na pracę użyteczną. Raczej dąży się do zniwelowania strat wynikających z niezupełnego lub niecałkowitego spalania oraz tak zwanej reszty bilansu, gdzie zawarte straty obejmują:

• – straty powstające w wyniku tarcia,
• – straty powstałe na skutek wypromieniowania energii przez nagrzane elementy silnika,
• – ciepło równoważne energii kinetycznej spalin.

Chcąc zmniejszyć starty wynikające z niezupełnego spalania paliwa zastosowano zasilanie wtryskowe. Układy wtryskowe silników o zapłonie iskrowym dzielą się na układy z wtryskiem mechanicznym i elektronicznym. Inna klasyfikacja wtrysku benzyny  wyróżnia: wtrysk jednopunktowy i wielopunktowy. W układach jednopuntowych jeden  wtryskiwacz pokrywa całe zapotrzebowanie na paliwo w silniku i jest umieszczony w centralnej części kolektora dolotowego przed przepustnicą. W układzie wtrysku wielopunktowego każdy cylinder zasila oddzielny wtryskiwacz, a paliwo podawane jest do kanału dolotowego. Wtryskiwanie benzyny do poszczególnych cylindrów może odbywać się jednocześnie bądź sekwencyjnie. W przypadku sekwencyjnego zasilania paliwem moment podania paliwa dla każdego wtrysku sterowany jest indywidualnie, wymaga to układów elektronicznych. Poszczególne wtryskiwacze dostarczają paliwo do odpowiednich odcinków kolektora dolotowego tuż przed otwarciem zaworu dolotowego inaczej jak przy jednoczesnym zasilaniu cylindrów gdzie tylko jeden wtryskiwacz podaje paliwo w momencie otwarcia zaworu dolotowego, pozostałe dostarczają paliwo przed zamkniętym zaworem dolotowym tworząc chwilowy zapas paliwa.  W dotychczasowych rozwiązaniach wtryskowych układów zasilania paliwo wtryskiwane było do kolektora i kanału dolotowego, obecnie coraz więcej pojawia się silników GDI (Gasoline Direct Injection). Porównanie podstawowych danych technicznych Mitsubischi Carismy wyposażonej w silnik GDI na tle pojazdów innych marek nie wykazuje znacznej przewagi samochodu  japońskiego. Zwraca uwagę niższe zużycie paliwa, którym pojazd ten odwdzięcza się użytkownikowi przy delikatnym traktowaniu „pedału gazu”. Dzięki czemu uzyskano kilku procentowy wzrost mocy i momentu obrotowego w porównaniu do silnika bez wtrysku bezpośredniego ? Odpowiedź na to pytanie wymaga przeanalizowania czynników, które mają wpływ na przebieg spalania w silniku o zapłonie iskrowym.

W silnikach o zapłonie iskrowym ładunek  dostarczony do cylindra musi być przygotowany do zapalenia zanim nastąpi wyładowanie elektryczne między elektrodami świecy zapłonowej. Optymalna do zapalenia  mieszanka musi być w odpowiednim stopniu jednorodna tzn. w dowolnie obranych objętościach ładunku powinny się znajdować w odpowiednich proporcjach: ilość powietrza, ilość spalin i paliwa. Podczas pracy rzeczywistego silnika bardzo ciężko zapewnić idealną jednorodność ładunku. Zazwyczaj paliwo ciekłe nie jest całkowicie odparowane, część jego w postaci bardzo drobnych kropelek odparowuje dopiero podczas sprężania powodując powstawanie osadu węglowego. Część wypłukuje olej przyczyniając się do zwiększonego zużycia silnika. Jeśli chodzi o skład mieszanki to najszybciej spala się mieszanka o współczynniku nadmiaru powietrza l równym 0,8 – 0,9 ( lambda to stosunek masy zassanego powietrza do masy powietrza teoretycznie potrzebnego do całkowitego spalania). Dla wartości l>1 mieszanka jest uboga , co oznacza nadmiar doprowadzonego powietrza . Zużycie paliwa w tym zakresie maleje , lecz także maleje moc silnika. Gdy l>1,3 skład mieszanki jest bliski granicy  możliwości jej zapłonu. Istnieją dwie możliwości technicznego rozwiązania wtrysku bezpośredniego. Pierwsza polega na wtrysku paliwa do komory spalania pod wysokim ciśnieniem (10 – 12 MPa). Wymaga to stosowania mechanicznej pompy wtryskowej. Druga możliwość polega na wtrysku mieszanki do komory spalania pod niskim ciśnieniem (0,5 – 0,7 MPa).  Warunkiem jest uzyskanie odpowiedniego uwarstwienia ładunku, uzyskanie wzbogacenia mieszanki w pobliżu świecy zapłonowej. Jest to możliwe gdy zapewni się  odpowiednie rozpylenie mieszanki, wielkość kropel powinna być rzędu 10 mm. Konstruktorzy silnika GDI zapewnili spełnienie tego warunku. Złożyło się na to skonstruowanie odpowiedniej głowicy i komory spalania, zastosowano nietypowy – pionowy – kanał dolotowy, denko tłoka ma półkoliste wgłębienie. Ma to powodować intensywne zawirowanie powietrza w części komory spalania, gdzie znajduje się końcówka wtryskiwacza, paliwo porwane strumieniem powietrza trafia w pobliże świecy zapłonowej. W miejscach komory spalania oddalonych od świecy zapłonowej, znajduje się mała ilość benzyny co wpłynęło na obniżenie zużycia paliwa. Według Mitsubishi zastosowane rozwiązania pozwalają zubożyć mieszankę paliwowo – powietrzną  do poziomu 40:1 (najczęściej spotykaną wartością jest 17:1). Wymaga to bardzo precyzyjnego dawkowania benzyny i zasilanie tak ubogą mieszanką może odbywać się tylko wtedy gdy występują niewielkie obciążenia silnika. Porównując jednostki napędowe Mitsubishi widoczny jest wzrost mocy w przypadku silnika GDI, przyczynił się do tego wzrost stopnia sprężania, który zwiększono z 10,5:1 do 12:1.  Możliwe to było dzięki własnościom chłodzącym mgiełki benzynowej wtryskiwanej pod dużym ciśnieniem. Mgiełka benzynowa intensywnie chłodzi wnętrze komory spalania co obniża prawdopodobieństwo wystąpienia spalania stukowego.

Podobnie do obniżenia strat wynikających z niecałkowitego spalania paliwa  dąży się  w silnikach z zapłonem samoczynnym. Zadowalającą jednorodność ładunku uzyskuje się przede wszystkim dbając o to aby ciśnienie wtrysku było możliwie wysokie. Ponieważ mechaniczna pompa wtryskowa wyczerpała już swoje możliwości wzrost ciśnienia wtrysku oraz lepszą regulację kąta wyprzedzenia wtrysku uzyskuje się dzięki zastosowaniu układu common rail lub pompowtryskiwaczy. Ciśnienie wtrysku w przypadku układu common rail dochodzi do 1650 barów, a w przypadku pompowtryskiwaczy do 2200 barów. Możliwe jest precyzyjne ustawienie dawki paliwa a także wtryśnięcie go w dowolnym momencie. Duża objętość spalin silników o zapłonie samoczynnym oraz ich niższa temperatura powodują, że powstaje możliwość zwiększenia napełnienia powietrzem komory spalania poprzez zastosowanie turbosprężarki.  W przypadku silników ZS połączenie wtrysku bezpośredniego, turbosprężarki oraz techniki wielozaworowej owocuje sprawnością silnika na poziomie 47%. Straty wynikające ze zwiększonego tarcia eliminuje się poprzez łożyskowanie wałka rozrządu, widełek kół zębatych w skrzyni biegów. Rewolucyjnym rozwiązaniem pozwalającym poważnie zredukować tarcie jest układ rozrządu   Camless. Pominięto w nim wałek rozrządu wraz z napędem. Praca zaworów sterowana jest urządzeniem elektromagnetycznym. Opory tarcia można zmniejszyć stosując odpowiednie oleje silnikowe oznaczone symbolem ENERGY CONSERVING co może zmniejszyć zużycie paliwa nawet o 4%.

Aby myśleć poważnie o zmniejszeniu zużycia paliwa należy pamiętać, że oprócz możliwości doskonalenia silników oszczędności należy szukać w całej konstrukcji samochodu. Duży wpływ na zużycie paliwa ma kształt samochodu, od niego bowiem zależy współczynnik oporu powietrza (Cx) oraz powierzchnia przekroju poprzecznego (A), obie wielkości mają wpływ na siłę oporu powietrza, która wzrasta wraz z kwadratem prędkości:

F_p = 0,0048ACxV².

Połączenie opływowego kształtu nadwozia wraz z jego niską masą gwarantuje z pewnością zmniejszenie zużycia paliwa. Jeśli dodatkowo obniży się masę silnika poprzez zastosowanie niektórych jego elementów z tworzyw sztucznych takich jak PA 6, PA 6.6, wytrzymujących temperatury rzędu 140 °C wynikiem musi być mniejsze zużycie paliwa.