Hibridinės elektrinės transporto priemonės, varikliai

Įvadas. Klasifikavimas. Pagrindiniai jėgainės komponentai. Vidaus degimo variklis. Elektrinis variklis. Inverteris. Akumuliatorius. Transmisijos sistema. Hibridinės technologijos lėktuvuose. Poveikis aplinkai. Degalų sąnaudos. Triukšmas. Tarša. Išvada. Literatūros sąrašas.

Hibridinė elektrinė transporto priemonė yra hibridinės ir elektrinės transporto priemonės tipas, jungiantis įprastą vidaus degimo variklio sistemą su elektrine varomąja jėgaine. Elektros varikliu siekiama sumažinti degalų sąnaudas arba pagerinti eksploatacines charakteristikas. Yra daugybė hibridinių transporto priemonių rūšių, tačiau labiausiai paplitusi forma yra hibridinis elektrinis automobilis, nors ir hibridiniai elektriniai sunkvežimiai (pikapai ir traktoriai) bei autobusai sudaro nemažą dalį rinkos. Šiame referate papasakosiu plačiau apie hibridinių transporto priemonių klasifikavimą, aprašysiu pagrindinius komponentus, variklius, pagrindinius procesus kurie veikia hibridinėje transporto priemonėje bei atsižvelgsiu į tokių transporto priemonių poveikį gamtai. Šio referato tikslas: suteikti pagrindinę informaciją apie hibridines transporto priemones skaitytojui, kuris, kaip pavyzdžiui, ruošiasi įsigyti hibridinį automobilį arba yra labai susidomėjęs naujomis technologijomis.

Hibridinės elektrinės transporto priemonės gali būti grupuojamos pagal veikimo būdą (kaip ir kokia jėga paduodama į važiuoklę).

Daugelio tokio tipo hibridų vidaus degimo variklis taip pat gali būti kaip generatorius papildomam baterijų įkrovimui. Šiuo metu lygiagrečiai hibridai naudoja pilno dydžio degimo variklį su vienu (<20kW ) elektriniu varikliu ir mažu akumuliatoriaus bloku, nes elektrinis variklis suprojektuotas papildyti pagrindinį variklį, o ne būti vieninteliu varomosios jėgos šaltiniu nuo paleidimo. Lygiagretieji hibridai yra efektyvesni negu įprastosios transporto priemonės tik su vidaus degimo varikliu, ypač miesto eismo sąlygose, kai reikia dažnai sustoti ir pajudėti bei ir aplinkiniuose greitkeliuose.[2]

Kiekvienuose aukščiau minėtuose hibriduose yra įprasta naudoti regeneracinį stabdymą (tai technologija, kai automobilio kinetinė energija paverčiama elektros energija) baterijoms įkrauti.[4]

Didžioji dalis hibridinių elektrinių transporto priemonių turi integruotą vidaus degimo variklį. Bendzininis variklis yra daugiausiai naudojamas hibridinėse transporto priemonėse kartu su elektriniu varikliu. Jei lygintume dyzelinius variklius su bendzininiais varikliais, bendzininis variklis turi didesnį galios ir svorio santykį bei didesnį veikimo spektrą pagal variklio sukimosi greitį. Bendzininis variklis yra mažiau efektyvus nei dyzelinis variklis, sunaudojantis daugiau degalų ir išskirdamas daugiau anglies dioksido (CO2). Nors dyzelinas yra efektyvesnis, jis išmeta žymiai daugiau azoto oksidų (NOX) ir kitų kietųjų dalelių, kurios kenkia žmonėms ir gyvūnams.[5]

Kuro elementas yra perspektyvi alternatyva degimo varikliams, nes generuoja elektros energiją naudodami elektrocheminį potencialą. Vietoj to, kad degimo proceso metu gautume mechaninius judesius, naudodami vandenilį ir deguonį iš oro galime generuoti elektros energiją be degimo proceso. Tai švari energija, nes vienintelis išmetamasis produktas yra vanduo. Vidaus degimo varikliai paprastai turi mažą efektyvumą dėl šilumos ir trinties nuostolių, tačiau kuro elementas pasižymi didesniu efektyvumu ir susideda tik iš stacionarių komponentų. Nepaisant to, šiandien bendzininiai varikliai yra pigesni ir patogesni naudoti lyginant su kuro elementais.[6]

Variklio pasirinkimas hibridinėse transporto priemonėse priklauso nuo eksplotacinių reikalavimų. Kadangi, yra tokių hibridų kurių elektrinis variklis yra nepakankamai galingas, todėl vidaus degimo variklį tenka rinktis panašios specifikacijos kaip ir įprastose transporto priemonėse, kad būtų išlaikyta pakankama galia. Tačiau hibridai su galingesniais el. varikliais gali naudoti mažesnį vidaus degimo variklį.

Inverteris naudojamas tiek hibridinėse, tiek pilnai elektrinėse transporto priemonėse. Tai didelio galingumo prietaisas, kuris skirtas valdyti elektrinei mašinai. Jis turi dvipusį galios srautą: variklio veikimo metu nuolatinę srovę keičia į kintamą, o generatoriaus veikimo metu kintamą srovę keičia į nuolatinę. Inverteris sudarytas iš 6 izoliuotų bipolinių tranzistorių valdomų aukšto dažnio impulsų moduliuotais signalais kurie generuoja kintamos srovės bangas. Siekiant optimaliai naudoti elektrinę jėgainę hibridinėse transporto priemonėse, inverteriams keliamas didelio našumo reikalavimas.

Akumuliatorius yra ypatingai svarbi hibridinės sistemos dalis, nes ji yra pagrindinis galios šaltinis elektriniam varikliui. Jis kaupia el. energiją gautą iš regeneracinių stabdžių. Akumuliatoriaus talpa priklauso nuo gamintojo ir nuo to kokio tipo hibridui jis skirtas. Nekištukiniuose hibriduose( Non- plug-in hybrids) pagrindinis galios šaltinis yra vidaus degimo variklis, o elektros variklis yra kaip papildomas šalinis, dėl to kad transporto priemonė būtų kuo lengvesnė, montuojamas sąlyginai mažas akumuliatorius. "Toyota Prius III" kištukinis variantas (plug-in) turi pakankamai mažą akumuliatorių lyginant su kitais tokio pat tipo hibridais. Jo Ličio jonų baterija yra 4,4 kWh talpos ir sveria 80 kg. Palyginimui "Chevrolet Volt" turi daug didesnį akumuliatorių, kurio eksploatacinė galia yra 14kWh, o tai pasunkina automobilį 183kg[5]

Akumuliatorių sudaro daug sujungtų tarpusavyje baterijų. Be šių, akumuliatoriaus pakete yra kitų komponentų ir sistemų kurios matuoja įtampą, srovę, temperatūrą pačiame akumuliatoriaus bloke bei aušina jį. Sistemos užtikrina sklandų akumuliatoriaus veikimą tam tikrose ribose ir saugo kad baterijos nebūtų pažeistos.

Dažniausiai naudojami akumuliatoriai hibridinėse elektrinėse transporto priemonėse yra iš nikelio-metalo hidrido (NiMH) ir ličio jonų (Li-Ion). Šių tipų baterijos turi didelės galios ir svorio santykį, didelę talpą, greitą įkrovimą ir ilgą eksploatavimo laiką, todėl jos tinka automobilių pramonei. Abu tipai yra perdirbami ir neturi jokių toksinių medžiagų. NiMH privalumas yra toks, kad jis reikalauja paprastos grandinės, o Li-Ion privalo turėti apsaugines grandines, kad būtų išvengta didelių perkrovimų.

Baterijos veikimo diapazonas yra nuo 25% iki 95%, tai suteikia apie 70% naudojamos talpos. Kadangi, laikui bėgant baterijos talpa mažėja iki maždaug 80%. Todėl, norint turėti pakankamos galios bateriją jos eksplotavimo pabaigoje, reikia projektuoti dar didesnį akumuliatorių. Pavyzdžiui, norint, kad eksplotavimo pabaigoje būtų bent 5kWh energijos, pradinis pajėgumas turėtų būti apie 9kWh. /

NiMH baterijų technologija yra visapusiškai užbaigta, o tai reiškia, kad ateityje nebus plėtojama. Tačiau ganėtinai nauja „Li-Ion“ technologija dar nėra visiškai užbaigta, o jau lenkia NiMH keliais aspektais. Kadangi „Li-Ion“ baterijų plėtra tęsis, gamybos kaina sumažės, tikėtina, kad kompanijos dar labiau naudos „Li-Ion“ akumuliatorius hibridinių ir visiškai elektrinių trasporto priemonių gamyboje.

Perdavimo sistemos funkcija yra optimizuoti variklio naudojimą, konvertuojant išėjimą, tenkinti vairuotojo poreikį sukimo momento ir greičio atžvilgiu. Hibridinėse transporto priemonėse naudojami du transmisijos tipai: planetinių pavarų ir stacionariųjų pavarų perdavimo funkcijos.[6]

Planetinės pavaros kartu su elektrine transmisijos sistema keičia variklio greitį nepriklausomai nuo transporto priemonės greičio. Vietoj to, kad variklio apsisukimų dažnis tiesiogiai priklausytų nuo transporto priemonės greičio per pastovų perdavimo skaičių, ši sistema nuolat reguliuoja variklio sūkių skaičių, kad maksimaliai padidintų degalų efektyvumą.

Stacionarioji pavarų dėžė atlieka greičio ir sukimo momento pakeitimą, o elektroninė transmisijos sistema atlieka greičio reguliavimą. Kadangi, galia yra sukimo momento ir kampinio greičio produktas, sukimo momento pasikeitimas yra atvirkščiai proporcingas greičio poslinkiui, kai keičiasi pavarų perdavimo skaičius. Jei variklis privalo pateikti tam tikrą galią ir dirba blogo degalų taupymo rėžimu, dėl didelio greičio ir mažo sukimo momento, transmisijos sistema gali keisti į didesnį perdavimo skaičių, tada variklis dirbs mažesniu greičiu ir didesniu sukimo momentu, todėl pagerėja degalų naudojimo efektyvumas.[5,6]

Nuosekliose hibridinėse sistemose nereikia perdavimo sistemos, nes variklis jungiamas tik prie motoro/generatoriaus bloko. Gali prireikti naudoti vieną pavarą, kad variklio galia atitiktų optimalų generatoriaus greitį.

Boeing kompanija galios elementų demonstraciniame lėktuve „Dimona“ yra įdiegusi ličio jonų akumuliatorių hibridinę sistemą, kuri vadinasi „Proton Exchange Membrane“. Kreiserinio skrydžio metu šis lėktuvas naudos kuro jau prieš tai minėtą kuro elementą, o ten kur reikės daugiau galios (pakilimo metu ir kylant į užduotą aukštį) sistema automatiškai naudos lengvus ličio jonų baterijų elementus generuoti papildomai traukai. Šio lėktuvo sparnų mojis siekia 16,3m, o kreiserinis greitis manoma, kad bus apie 100km/h. [7,10]

„Siemens“, „Diamond Aircraft“ ir“EADS“ sukurtas orlaivis „DA36 E-Star“ naudoja serijinę hibridinės jėgos pavarą, o sraigtas yra pasukamas tik Siemens 70kW (94AG) galios elektriniu varikliu o žvaigždės tipo „Austro Wankel“ 30kW galios vidaus degimo variklis naudojamas generuoti elektros srovei ir taip pakrauti akumuliatorius. Toks variklis pasirinktas dėl didelop galingumo ir svorio santykio. Inžinierių tikslas sumažinti degalų sąnaudas 25% nuo pirmtako yra pasiektas. „DA36 E-Star“ pakilimo metu ir aukštėdamas naudoja tik elektrini variklį su jau iš anksto pakrautomis baterijomis, kad sumažintų savo triukšmo charakteristikas. Naudojant „Wankel“ variklį, lėktuvo svoris sumažėjo 100kg, lyginant su praeitu modeliu. Pirmą kartą „DA36 E-Star“ pakilo 2013m. Birželio mėn, todėl tai yra pirmasis nuoseklusis hibridinis lėktuvas. Kompanija „Diamond“ teigia kad kiek didesnis Wankel variklis gali būti naudojamas keleiviniam orlaiviui, o tai ženkliai atpigintų skrydžių kainas.[8,9]

Hibridinės elektrinės transporto priemonės, lyginant su tradicinėmis transporto priemonėmis vien tik su vidaus degimo varikliais, suvartoja mažiau degalų dėl 3 pagrindinių priežasčių:

Užgesinus vidaus degimo variklį didelės galios nereikalaujančiuose ruožuose ir taip sumažinat iššvaistomą energiją.

Vidaus degimo variklio dydžio ir galios sumažinimu, tačiau panaudojant elektrinį variklį kompensuoti prarastai galiai.[11]

Bet koks šių 3 priežasčių derinys gali būti naudojamas skirtingose transporto priemonėse, siekiant realizuoti skirtingą degalų naudojimą, galios, išmetamųjų teršalų kiekį, svorį ir sąnaudų apibūdinimus. Vidaus degimo variklis hibridinėse transporto priemonėse gali būti mažesnis, lengvesnis ir efektyvesnis nei įprastoje transporto priemonėje, nes pats variklis gali būti šiek tiek didesnis nei vidutinis energijos poveikis. Elektriniai varikliai labiau pritaikyti kintamiems greičiams ir gali suteikti didesnį sukimo momentą esant mažam greičiui, palyginti su vidaus degimo varikliais. Kuo didesnė degalų ekonomija hibridinėse transporto priemonėse, tuo mažiau išmetamųjų teršalų patenka į aplinką, tuo švaresniame pasaulyje gyvename.[11,12]

Dėl mažo elektros variklio veikimo garso mažėja kelio triukšmas, tačiau tik kai hibridinė transporto priemonė važiuoja tuščiąja eiga, mažais greičiais arba stovint kamščiuose. Kitu atveju atsiranda triukšmas dėl padangų ir vėjo. Sumažintas triukšmas kartais gali būti nenaudingas pėstiesiems, akliems žmonėms ar dviratininkams, nes iškyla rizika nepastebėti artėjančios transporto priemonės. Tyrimai parodė, kad transporto priemonės, važiuojančios elektros varikliu mažesniu nei 32 km/h greičiu gali būti sunkiai išgirstos.[13,15]

Baterijų toksiškumas kelia didelį susirūpinimą, nors šių dienų hibridai naudoja NiMH baterijas, o ne aplinkai kenksmingą įkraunamą nikelio kadmį. Nikelio metalo hidrido akumuliatoriai yra palankūs, jie gali būti visiškai perdirbti jie perdirbs. Didieji gamintojai „Toyota“ ir „Honda“ teigia, kad jie perdirbs negyvas baterijas, o toks šalinimas nesukels jokio toksiško pavojaus. „Toyota“ už kiekvieną seną akumuliatorių moka 200$, kad būtų užtikrinti, jog akumuliatoriai bus tinkamai perdirbti.[14,15]

Šiuolaikinės hibridinės elektrinės transporto priemonės naudoja efektyvumo didinimo technologijas, tokias kaip regeneraciniai stabdžiai, kuriais automobilio kinetinė energija paverčiama elektros energija įkrauti bateriją. Kai kurios hibridinių elektrinių transporto priemonių rūšys naudoja vidaus degimo variklį sukti elektros srovės generatorių ir taip įkrauti baterijas arba tiesiogiai įjungti elektros variklius. Daugelis šių transporto priemonių sumažina degalų suvartojimą, užgesindami variklius kamščiuose arba važiuojant tuščiąja eiga. Hibridinė jėgainė gamina mažiau išmetamųjų teršalų iš savo vidaus degimo variklio nei iš tiek pat galios suteikiančios bendzininės jėgainės, dėl to jis yra labiau draugiškesnis gamtai, nes paprastai hibridinėse transporto priemonėse montuojamas mažesnio darbinio tūrio variklis.