Jak właściwie pracują pojazdy hybrydowe?

Jedną z cech rozwoju cywilizacji jest możliwość przemieszczania ludzi i towarów. Sektory transportu drogowego oraz komunikacji miejskiej pełnią w tym zakresie bardzo ważne funkcje społeczne i gospodarcze. Zwiększająca się liczba pojazdów samochodowych w obszarach transportu drogowego oraz komunikacji miejskiej przyczynia się do coraz większego negatywnego wpływu motoryzacji na środowisko naturalne. Z tego względu analizę transportu publicznego i drogowego towarów pod kątem ekologicznym należy przeprowadzić w sposób kompleksowy.

Silnik spalinowy vs. normy emisji spalin

W ostatnich latach nastąpił znaczny rozwój technologiczny autobusów komunikacji miejskiej i pojazdów ciężarowych, szczególnie w zakresie rozwiązań silnikowych oraz pozasilnikowych układów oczyszczania spalin.

Postęp w dziedzinie spalinowych silników autobusów miejskich wymuszają coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin. Najważniejszymi układami autobusu miejskiego, mającymi wpływ na jego oddziaływanie na środowisko i na zużycie paliwa, są układ napędowy składający się z silnika spalinowego, układ przeniesienia napędu (skrzynia biegów, przekładnie itd.), a także układ jezdny. Najistotniejszymi kryteriami ekologicznymi układów napędowych są: emisja zanieczyszczeń, zużycie paliwa (emisja dwutlenku węgla), emisja hałasu i generowanie drgań.

Coraz większy udział w transporcie mają pojazdy hybrydowe. Prognozuje się, że w ciągu najbliższych 20 lat przekroczy on 15% w odniesieniu do całej populacji pojazdów, natomiast w grupie autobusów miejskich będzie jeszcze wyższy. Konieczne staje się więc prowadzenie prac badawczych w zakresie oceny ekologiczności tej grupy pojazdów. Specyfika działania silnika spalinowego w autobusie hybrydowym jest inna niż w pojazdach tradycyjnych, w związku z tym pojawia się potrzeba tworzenia nowych testów i procedur pomiarowych dla tych pojazdów. Autobusy miejskie poruszające się w aglomeracjach przyczyniają się do generowania toksycznych związków, bezpośrednio oddziałujących na mieszkańców.

Czym jest hybryda?

Konstrukcja autobusów sprzyja zabudowie elementów hybrydowego układu napędowego, ponieważ część z nich, takich jak akumulatory, kondensatory czy też systemy chłodzenia można zamontować na dachu pojazdu, nie zmniejszając tym samym przedziału pasażerskiego. Dodatkowa masa tych układów stanowi niewielką część masy całkowitej tego typu pojazdów. Najważniejszymi elementami napędu hybrydowego są: silnik spalinowy, silnik/i elektryczne, przekładnia, magazyny energii (kondensatory, akumulatory) oraz w części rozwiązań prądnice. Istotnym jest również układ mikroprocesorowy, odpowiedzialny za sterowanie i współpracę wszystkich elementów. W hybrydowych autobusach miejskich najczęściej stosuje się szeregowe i równoległe konfiguracje układów napędowych. W rozwiązaniu szeregowym silnik spalinowy połączony jest z generatorem, który przekazuje energię do akumulatorów. Dalej w układzie zabudowane są silnik/i elektryczne oraz przekładnia. W równoległym rozwiązaniu hybrydowym praca mechaniczna wytwarzana przez silnik spalinowy sumowana jest z pracą mechaniczną silnika elektrycznego dzięki specjalnej przekładni. Silnik elektryczny jest maszyną, która może pracować również jako generator w sytuacji wystąpienia nadwyżki mocy wytwarzanej przez silnik spalinowy.

Pierwsze z omówionych rozwiązań charakteryzuje się sprawnością odpowiadającą, w korzystnych warunkach, najwyżej silnikowi spalinowemu. Najważniejszą zaletą szeregowego układu jest zmniejszenie do minimum niekorzystnych obszarów pracy jednostki spalinowej, w tym przede wszystkim unikanie biegu jałowego (sprawność ogólna dąży do zera). Silnik spalinowy jest sterowany w taki sposób, aby, po pierwsze, zapewnić jak najwłaściwszą współpracę z prądnicą, a po drugie, dobrać najlepsze parametry pracy związane ze sprawnością i ekologicznością. Równoległy układ napędowy charakteryzuje się możliwością uzyskania większych mocy całkowitych (moce poszczególnych silników są sumowane), a także wymaga użycia tylko jednej maszyny elektrycznej. Jednak w tym układzie konieczne jest zastosowanie skomplikowanej przekładni oraz systemu zarządzania przepływem energii. W obu omówionych przypadkach możliwe jest użycie systemu odzyskującego energię hamowania (np. zabudowa retarderów w piastach kół). Wśród napędów hybrydowych wyróżnia się także układy mieszane, które łączą zalety wymienionych konfiguracji, jednak rozwiązania te charakteryzują się bardzo dużym skomplikowaniem konstrukcji, szczególnie pod względem zarządzania przepływem energii.