Hybridní automobilový motor: Jak to funguje
Pro vozidlo však tato volba zdaleka nebyla ideální! Již tehdy se jasně chápalo, že to nebyla náhoda, že experimenty s elektrickými vozidly začaly již v 19. století. Navíc první elektromobil byl postaven ještě dříve, než byl vynalezen spalovací motor!
Zásluhu na vynálezu má obecně skotský vynálezce Robert Anderson, který ve 1830. letech 1839. století postavil svůj vlastní primitivní elektrický kočár. I když zhruba ve stejné době, v roce XNUMX, profesor Strating z Holandska také vytvořil něco podobného elektrickému autu. Ale byly napájeny jednorázovými, nedobíjecími bateriemi – jiné v té době nebyly.
Další impuls dal vynález olověných baterií francouzským fyzikem Gastonem Plantém v roce 1859. Tyto dobíjecí baterie nám již umožnily normální jízdu! A zhruba ve stejné době, kdy Karl Benz experimentoval s instalací benzinového motoru na jednoduchý kolový podvozek, upravil Francouz Gustave Trouvé na svou tříkolku elektromotor s olověným akumulátorem. A už v dubnu 1881 to zkusil v ulicích Paříže!
Zhruba před sto lety však měly elektromobily za sebou již krátké období rozkvětu. V 10. a 20. letech 20. století byla na trhu přítomna elektrická vozidla, která byla poměrně úspěšná z technického i obchodního hlediska. Byla to docela dynamická a pohodlná auta – mnohem pohodlnější než tehdejší hlučná a špinavá auta na benzínový pohon.
Příkladem toho jsou elektromobily od Detroit Electric, které byly žádané mezi bohatými Američany, zejména lékaři, protože nevyžadovaly dlouhé startování ani zahřívání. Taková auta s charakteristickou slepou kapotou stále najdete na výstavách veteránů.
Ale taková auta byla drahá (3-4x dražší než běžné auto) a vyžadovala dlouhou dobu nabíjení. Nástup levných a sériově vyráběných automobilů proto proměnil elektromobily v čistě okrajový produkt – například v Anglii před druhou světovou válkou se rozšířily elektrické nákladní vozy pro rozvoz mléka.
Spalovací motor je špinavý, hlučný a vyžaduje neustálou údržbu. Vyžaduje složitou převodovku – s nějakým druhem volnoběžného mechanismu a několika stupni. A co je nejdůležitější, nejlépe funguje v ustálených podmínkách – při konstantních otáčkách, s plynulou a zřídka se měnící zátěží. Tento režim je typický pro motory pohánějící generátory v elektrárnách. To se ale v autě téměř nikdy nestává! Tady je volnoběh, zrychlení a brzdění motorem: nejnepříznivější režimy pro spalovací motor. A to je jen polovina problému: vždyť auto také plýtvá energií při každém brzdění!
V průběhu více než sta let vývoje spalovacích motorů se tyto problémy z velké části podařilo vyřešit: zdokonalil se tvar spalovacího prostoru, vytvořily se přesné a flexibilní systémy zapalování a napájení se zpětnou vazbou, zvládlo přeplňování turbodmychadlem, otestovaly se alternativní pracovní cykly (Atkinsonův a Millerův) a vznikl a zdokonalil se alternativní typ motoru – dieselový, se vznětovým zapalováním. Dosaženo nejvyšší tepelné účinnosti! Moderní vícestupňové převodovky umožňují téměř vždy držet motor v nejhospodárnějším pásmu otáček
Ale přesto elektromotor vypadá na tomto pozadí mnohem lépe! Bohužel jeho provoz vyžaduje baterie: těžké, drahé, s omezenou kapacitou a pomalé nabíjení. Moderní lithium-iontové baterie samozřejmě vypadají lépe oproti předchozímu pozadí – ale jejich nevýhody jsou úplně stejné, jen méně výrazné. Například i na výkonných DC nabíjecích stanicích, kterých není mnoho, trvá plné nabití baterie moderního výkonného elektromobilu desítky minut! A to za ideálních podmínek.
Pak by se v přechodových režimech, které spalovací motor nemá rád, mohla hlavní zátěž přesunout na elektromotor. Když se ale auto bude pohybovat konstantní rychlostí, bude ho pohánět spalovací motor – přesně tak, jak to má rád.
Nebo bychom možná měli jít jinou cestou: vzít elektromobil a přidat k němu spalovací motor, aby vůbec netočil koly, ale prostě fungoval jako elektrárna, v tom nejvýhodnějším režimu pro sebe? Pak nebude potřeba velká a drahá baterie a nebude potřeba ji dlouho nabíjet ze sítě: vystačíte si s malou vyrovnávací kapacitou.
Je těžké tomu uvěřit, ale tyto myšlenky byly rozvíjeny již na konci 19. století – a to nejen na teoretické úrovni, ale také implementovány do kovu. Pravda, ne v autě, ale na. železnici. Což je logické – tehdejší elektrotechnika byla velmi těžká a na kolejovou dopravu bylo jednodušší ji realizovat.
Díky tomu motor téměř vždy fungoval v ustáleném režimu – nejekonomičtějším (mimochodem a šetrným k životnímu prostředí, ale tehdy se o to tolik nestarali). Tento design je nyní známý jako sériový hybrid.
Další koncept, tzv. „paralelní hybrid“, byl použit v roce 1916 na experimentálním motorovém voze novozélandských drah. Systém anglické firmy Thomas Transmission znamenal přímý mechanický pohon z benzinového motoru na jeden podvozek a elektrický pohon na druhý podvozek. Takový vůz startoval na dva motory, ale po dosažení určité stabilní rychlosti se elektromotor přepnul do generátorového režimu pro nabíjení.
baterie a spojkový systém spojoval benzinový motor s druhým podvozkem.
Čili již na počátku 20. století se již rozlišovaly dva způsoby vytváření hybridních elektráren: tzv. sériové a paralelní
Stejné myšlenky vyvinuli automobiloví designéři. Například Ferdinand Porsche vybavil svůj elektromobil Lohner z roku 1900 benzinovým generátorem pro dobíjení baterií – vznikl tak pravděpodobně první sériový hybridní vůz na světě.
I když nás více dojímá příklad amerického vozu Woods Dual Power, který se začal prodávat v roce 1911. Inženýr Clinton Woods s využitím patentu amerického vynálezce Rolanda Fenda vydal skutečný paralelní hybrid: až 24 kilometrů v hodině jelo jeho auto na elektrickou trakci a pak speciální spojka spojila benzinový čtyřválcový motor. Během brzdění byl dokonce implementován režim nabíjení regenerativní baterie!
Ropná krize sedmdesátých let dala nový impuls experimentům: v těch letech se do elektromobilů a hybridních technologií nepouštěli jen líní! Jedním z nejzajímavějších experimentů té doby byl vývoj amerického elektrotechnika Victora Wouka, uskutečněný na žádost EPA: spojil 20kilowattový elektromotor a kompaktní motor s rotačními písty v jeden celek. Experimentální sedan Buick s takovou elektrárnou prokázal dvakrát lepší spotřebu paliva než sériový vůz!
Do sériové výroby se ale hybridy dostaly až v 90. letech díky rozvoji mikroelektroniky, kompaktní výkonové elektroniky a trakčních baterií.
Oba hybridní koncepty mají své nevýhody: například účinnost sériového obvodu klesá s rostoucí rychlostí. A systém DHT od Chery kombinuje výhody obou přístupů: v závislosti na podmínkách vozovky může Chery Tiggo 8 Pro e+ fungovat jako sériový i paralelní hybrid!
„Společné“ motory vyrábí ACTECO Powertrain. Její název je akronymem jejích partnerských značek: A (AVL), C (Chery), TE (Technology), CO (Company).
Hybridní systém DHT obsahuje kompaktní 1,5litrový přeplňovaný motor a dva elektromotory. Jedna z nich je umístěna mezi motorem a převodovkou a z obou stran je „obklopena“ dvěma spojkami: lze ji tak buď odpojit od spalovacího motoru, nebo odpojit od kol. Druhý motor je instalován ve skříni převodovky a pohání její primární hřídel. Toto uspořádání umožňuje přepnout ze sériového na paralelní režim.
Obecně je logika fungování jednoduchá: auto by se mělo vždy rozjíždět na elektrickou trakci – při klidné akceleraci funguje pouze jeden motor a při intenzivnější akceleraci mu pomáhá druhý. Pokud je nabití v trakční baterii dostatečné, benzínový motor se vůbec nezapne; pokud ne, dobije baterii. Jinými slovy, v dopravní zácpě se Chery Tiggo 8 Pro e+ bude tlačit jako skutečný elektromobil. Tím se motor zbaví nutnosti provozovat v těch nejnehospodárnějších a ekologicky nešetrných režimech.
Když rychlost dosáhne 20 kilometrů za hodinu, elektrárna se přepne do paralelního režimu: benzinový motor pohání kola přes převodovku a elektromotor (jeden nebo dva) mu „pomáhá“. A pouze při delším pohybu vysokou rychlostí dopadá celá zátěž na spalovací motor – právě v tomto režimu je jeho účinnost maximální.
Ve skutečnosti je logika hybridní elektrárny mnohem spletitější: je k dispozici celkem 11 scénářů, včetně dvou režimů rekuperace, kdy vůz brzdí pomocí elektromotorů a tím dobíjí baterii. To vše mimochodem umožnilo zjednodušit konstrukci převodovky: hybridní Tiggo 8 potřebuje pouze tři převodové stupně (ačkoli vozy bez hybridního „doplňku“ dnes mají běžně 6–9 převodů).
Konzervativce by takové detaily mohly vyděsit: jak je to se spolehlivostí tak složitého elektromechanického systému? Příklad Mongolska nám ale dokazuje, že se toho není třeba bát – v této nepříliš vyspělé zemi se ojeté hybridy prokázaly díky své ekonomice jako velmi oblíbené. A i přes působivý kilometrový výkon a nepříliš pečlivou údržbu se osvědčily jako nejlepší.