Rodzaje hybryd – poznaj różne typy silników hybrydowych

Transport drogowy odpowiada za ok. 20% emisji dwutlenku węgla na terenie Unii Europejskiej. Ze względu na potrzebę osiągnięcia całkowitej neutralności klimatycznej, firmy motoryzacyjne coraz częściej stawiają na pełną lub częściową elektryfikację produkowanych pojazdów. Takie samochody mogą być wydajne, oszczędne i niskoemisyjne, czego przykładem są auta z napędem hybrydowym. Jakie rodzaje hybryd obecnie wyróżniamy? W niniejszym artykule przedstawiamy  poszczególne typy silników hybrydowych. Wskazujemy, czym są m.in. silniki szeregowe i jakie technologie stosowane są w nowoczesnych jednostkach.

HEV, FHEV, PHEV, MHEV – rodzaje silników hybrydowych

Wyróżniając rodzaje aut hybrydowych, można skupić się na klasyfikacji samochodów ze względu na rodzaj ich nadwozia, parametry techniczne czy maksymalne osiągi w trasie. Zwykle jednak odróżnia się je w nieco inny sposób. Najbardziej podstawowym sposobem na szeregowanie samochodów z napędem hybrydowym jest usystematyzowanie ich ze względu na rodzaj zastosowanego silnika. Analizując katalogi samochodowe, ogłoszenia sprzedaży czy instrukcje techniczne, można natrafić na kilkuliterowe skróty: HEV, FHEV, PHEV, MHEV. Mówią one o tym, jaka technologia hybrydowa została zastosowana w danym przypadku.

Czym jest technologia hybrydowa i dlaczego jest tak ważna?

Zanim przejdziemy do wyjaśnienia poszczególnych skrótów, warto zadać pytanie – dlaczego technologia hybrydowa jest tak istotna? Głównym powodem są kwestie dotyczące ochrony środowiska. Auta posiadające jednostki hybrydowe mają niższe emisje spalin w odniesieniu do tradycyjnych samochodów spalinowych z napędem benzynowym czy diesla. Samochody hybrydowe są także cichsze w użytkowaniu, co w szczególności poprawia komfort osób mieszkających na rozbudowanych osiedlach miejskich. Kolejną kwestią jest innowacyjność, czyli możliwość ciągłego rozwoju technologii. Rozwiązania hybrydowe są stosunkowo nowym pomysłem w perspektywie całej historii motoryzacji.

Technologia hybrydowa stanowi pole do rozwoju i innowacji w przemyśle motoryzacyjnym. Można zatem przewidywać, iż w najbliższej przyszłości samochody korzystające z napędu hybrydowego będą stawały się coraz popularniejsze, wydajniejsze i doskonalsze.

Główne zalety stosowania, technologii hybrydowej:

• niskie oddziaływanie na środowisko,
• zmniejszenie hałasu w ruchu drogowym,
• oszczędności w kontekście zużycia paliwa,
• innowacyjność i perspektywiczność,
• większą wydajność, która będzie ewoluować.

Rodzaje silników hybrydowych

Hybryda, w ogólnym znaczeniu, jest połączeniem dwóch elementów, które tworzą nową całość. W odniesieniu do motoryzacji, samochody te są pojazdami posiadającymi dwie jednostki silnikowe: tradycyjną (spalinową) oraz elektryczną. Silniki są teoretycznie osobnymi urządzeniami – choć to właśnie dzięki nim występuje efekt synergii. To z kolei wiąże się z rekuperacją energii – stąd też jednostki hybrydowe są ekonomiczne i cechują się dużo niższym poborem paliwa. Część energii jest odzyskiwana i magazynowana w akumulatorze. Niewielkie spalanie jest szczególnie widoczne w trybie jazdy miejskiej, w ramach której pojazd spalinowy musiałby zużyć znacznie większą ilość benzyny lub oleju napędowego. Samochody hybrydowe w ogólnym założeniu są do siebie podobne, to jednak ich źródła zasilania mogą się znacząco od siebie różnić. Poniżej przedstawiamy rodzaje hybryd samochodowych.

Hybrydy Mild (MHEV) – miękka hybryda,

Wiemy już, że w samochodach z podwójnym napędem występują systemy spalinowe oraz elektryczne. W przypadku hybryd typu mild MHEV moc oferowana przez jednostkę elektryczną jest symboliczna i ogranicza się przede wszystkim do roli wspierającej. Samochód jest napędzany konwencjonalnym paliwem. System elektryczny pomaga w uruchomieniu pojazdu oraz pomaga odzyskiwać utraconą energię w wyniku hamowania. Działanie jednostki elektrycznej jest w zasadzie nieodczuwalne dla kierującego. Użytkownik pojazdu, jeśli tego nie wie, może na pierwszy rzut oka nie zauważyć, że samochód jest tak naprawdę hybrydą. Pojazdy typu MHEV są samochodami oszczędnymi – główną ich zaletą jest niższe zużycie paliwa w mieście.

Hybrydy typu Plug-in (PHEV)

Pojazdy hybrydowe typu plug-in można podłączać do zewnętrznego źródła energii celem naładowania. Przykładowo, mogą być one ładowane przy użyciu gniazdek elektrycznych dostępnych na niektórych stacjach benzynowych i parkingach w centrach handlowych. Równie dobrze można taki pojazd naładować na własnej posesji, np. w garażu. Ze względu na posiadanie portu ładowania są bardziej rozbudowanym rodzajem aut z podwójnym napędem. Głównym silnikiem jest model spalinowy, zaś jednostka elektryczna wspomaga jazdę – pozwalając na przejechanie kilkudziesięciu kilometrów na pełnej baterii. Oznacza to, że plug-in nadaje się do pokonywania miejskich szos, tak aby po przejechaniu maksymalnie 60 kilometrów ponownie podłączyć auto do ładowania. Oczywiście, takim pojazdem można przejechać znacznie dłuższy dystans bez ładowania – wówczas będzie on czerpał energię z paliwa.

Hybrydy szeregowe

Klasyczne rodzaje silników hybrydowych to modele szeregowe i równoległe. Najpierw opiszemy charakterystykę tych pierwszych. Jednostki szeregowe cechuje stopniowy układ – silnik elektryczny znajduje się w przedniej części pojazdu, tuż obok jest akumulator, a w dalszej części znajdziemy generator oraz silnik spalinowy. Układ przypomina linię – poszczególne komponenty ułożone są w szeregu i w taki sposób działają. Silnik spalinowy jest w tym układzie wytwórcą prądu. Zasila on generator, który ładuje baterię. Ta zaś jest rezerwuarem mocy dla silnika elektrycznego. Po naładowaniu się baterii silnik spalinowy przestaje działać, a auto porusza się po drodze bezdźwięcznie. Taki samochód posiada również gniazdo do ładowania, co sprawia, że silnik spalinowy nie musi być nieustannie wykorzystywany do zasilania pojazdu.

Hybrydy równoległe

Nieco inaczej jest w hybrydach, których układ napędu i zasilania jest zbudowany w sposób równoległy. Silnik elektryczny działa wspomagająco – pozwalając zwiększyć osiągi pojazdu, szczególnie w jeździe autostradowej. Hybryda równoległa jest bardzo efektywna i wydajna, ponieważ jednocześnie korzysta z mocy dwóch silników. Zarządzanie momentem obrotowym następuje w wyniku równoległej pracy obu układów. Ma to duże znaczenie w sytuacjach, gdy wymagane jest uzyskanie dużej mocy obrotowej.

Hybrydy mieszane

Jedna i druga jednostka działa niezależnie od siebie – kierujący może zdecydować, czy w danym momencie korzysta z systemu elektrycznego, czy też wybiera opcję napędzaną standardowym paliwem. Dyspozycję wyboru można oddać zautomatyzowanym systemom samochodu. Wówczas decyzja o tym, który napęd zostanie wykorzystany, zostanie dopasowana do konkretnych warunków. W systemach tych występują bardzo często dwie jednostki elektryczne.

Technologie stosowane w silnikach hybrydowych

Nowoczesne pojazdy mechaniczne są wypełnione innowacyjnymi systemami. Duża część technologii stosowanych w tego typu silnikach ma duży potencjał rozwoju. Oznacza to, że już za kilka/kilkanaście lat zostaną wdrożone nowe typy akumulatorów, systemów odzyskiwania energii czy komponentów wykorzystywanych do budowy silników.

Akumulatory

• Baterie Li-Ion – akumulatory litowo-jonowe, najpowszechniej stosowane w hybrydach.
• Baterie AGM – posiadają elektrolit połączony z włóknem szklanym.
• Baterie EFB – z dodatkową powłoką poliestrową wpływającej na stabilność pracy.
• Baterie LiFePO4 – ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe o wysokim poziomie bezpieczeństwa.
• Baterie NiMH – użytkowane przede wszystkim w starszych typach aut hybrydowych.

Silniki elektryczne synchroniczne i asynchroniczne w układzie hybrydowym

To dwa główne typy silników elektrycznych wykorzystywanych w układach hybrydowych. Jednostki synchroniczne cechuje stała prędkość obrotowa, co oznacza, że nie zmienia się ona w wyniku zaistniałych obciążeń i zmian napięć. Silniki asynchroniczne nie mają stałej prędkości obrotowej i mogą pracować w zakresie różnych prędkości. Są stosunkowo proste w budowie i mniej kosztowne w produkcji niż silniki synchroniczne – dlatego znacznie częściej stawia się na ten drugi rodzaj silnika.

Systemy odzyskiwania energii

Energia, która powstaje w wyniku wyhamowywania pojazdu, w samochodach spalinowych jest bezpowrotnie tracona. Systemy odzyskiwania energii w hybrydach mają na celu niwelować rozproszenie energii, kumulując ją i wykorzystując ją ponownie. Elementy systemu spełniają funkcję prądnicy, która zbiera energię i przekazuje ją do akumulatora. Przykładowo, system hamulców regeneracyjnych wykorzystuje energię kinetyczną pojazdu, która w wyniku hamowania podniosłaby temperaturę końcowych elementów układu hamulcowego. System hamowania w hybrydach wykorzystuje czujniki, które mierzą ciśnienie na pedale – wybierając optymalny sposób wytracania prędkości.

Przykłady popularnych modeli samochodów wykorzystujących różne rodzaje silników hybrydowych

Podsumowanie – wartość różnorodności silników hybrydowych dla ekologii, oszczędności i przyszłości motoryzacji

Liczne rodzaje samochodów hybrydowych zwiększają konkurencyjność w branży motoryzacyjnej. Producenci mogą swobodnie decydować, który typ napędu będzie przez nich wspierany i unowocześniany – z korzyścią dla rozwoju całej branży. Koncerny chcąc maksymalizować zyski muszą skupiać się na proponowaniu najbardziej oszczędnych i przyjaznych środowiskowo rozwiązań. Dzięki temu konsumenci mają większy wybór, a branża motoryzacyjna staje się bardziej konkurencyjna i innowacyjna. Elektryfikacja samochodów jest  procesem, który będzie systematycznie wspierany zarówno przez decydentów politycznych, jak i przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją aut. Samochody hybrydowe jak najbardziej wpisują się w ten trend.