Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Σπουδαστές: Μπουριώτης Π. Ιωάννης Αλευράς Ι.

Transcript

1

2 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστές: Μπουριώτης Π. Ιωάννης Αλευράς Ι. Ζαφείρης Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Φεβρουάριος 2009

3 Μπουριώτης Ιωάννης Αφιερώνεται στην οικογένειά μου και στην κοπέλα μου Αλευράς Ζαφείρης Αφιερώνεται στην οικογένειά μου

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μου Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μου στο Τμήμα Ηλεκτρολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε τον Ιούλιο του 2008 και ολοκληρώθηκε το Φεβρουάριο του 2009, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως σκοπό τη μελέτη των Υβριδικών Αυτοκινήτων. Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία αξιοποίηση των ενεργειακών νησιών. Αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά την Καθηγήτρια κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μου για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μου, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχα από μέρους τους καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μου έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μου να μην αναφερθώ στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μου, για την προθυμία με την οποία μου παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειάστηκα, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μου περιβάλλον, οι οποίοι μου συμπαραστάθηκαν και με ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μου. Καβάλα, Φεβρουάριος 2009

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΞΕΛΙΞΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 2.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΚΑΡΔΙΑ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 4.1 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Ο ΑΝΑΣΤΡΟΦΕΑΣ ΕΠΑΝΑΦΟΡΤΙΖΟΜΕΝΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΜΟΝΑΔΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 5.1 ΣΤΑΔΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΟΔΗΓΗΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΑ «ΣΤΑΣΗΣ-ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ» ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΦΡΕΝΑΡΙΣΜΑ 18

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΤΥΠΟΙ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 6.1 ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ ΚΑΙ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ PLUG IN HYBRIDS MILD ΠΑΡΑΛΛΗΛΟΥ ΤΥΠΟΥ ΠΛΗΡΩΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΣΥΝΔΥΑΖΟΜΕΝΟΥ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ ΔΙΑΧΩΡΙΖΟΜΕΝΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ ΒΟΗΘΗΤΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΥΔΡΑΥΛΙΚΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ BIO-DIESEL ΥΨΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 7.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΤΑΜΑΤΗΜΑ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΕ ΣΤΑΣΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΦΡΕΝΑΡΙΣΜΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΩΝ ΔΥΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 34 ΚΙΝΗΣΗΣ. 7.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ 8.1 Η ΑΓΟΡΑ ΣΗΜΕΡΑ ΚΑΙ ΟΙ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ 36

7 8.3 Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΑΝΕΠΑΡΚΗ ΚΙΝΗΤΡΑ ΑΓΟΡΑΣ ΕΝΟΣ ΤΕΤΟΙΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ΔΙΑΘΕΣΙΜΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΡΥΠΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 9.1 ΣΥΣΤΑΣΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ ΜΗ ΤΟΞΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΑΖΩΤΟ ΟΞΥΓΟΝΟ ΥΔΡΑΤΜΟΙ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΤΟΞΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΠΡΟΙΟΝΤΑ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΑΚΑΥΣΤΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΜΟΝΟΞΕΙΔΙΟ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΣΤΕΡΕΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

8 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Με το ρυθμό της ολοένα και αυξανόμενης κατανάλωσης ενέργειας στον πλανήτη, οι πόροι, όπως οι ορυκτές καύσιμες ύλες από τις οποίες χρησιμοποιούμε το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας, έχουν αρχίσει να εξαντλούνται, γεγονός το οποίο οδηγεί αναπόφευκτα σε αύξηση των τιμών και προβλήματα τα οποία δύσκολα επιλύονται. Ο Δυτικός κόσμος με την ολοένα αυξανόμενη απαίτηση για ενέργεια, «αποστραγγίζει» σταδιακά τον πλανήτη και το μέλλον δυστυχώς, δε φαίνεται ρόδινο. Η μόνη λύση λοιπόν είναι η στροφή του ανθρώπου προς πηγές ενέργειας, οι οποίες είναι, όπως τις χαρακτηρίζουμε, ανανεώσιμες: Ηλιακή Ενέργεια, Αιολική Ενέργεια, Θαλάσσια Ενέργεια, Γεωθερμική κ.τ.λ. Οι πράσινες αυτές πηγές ενέργειας, ακόμα και τώρα, παραμένουν σε μεγάλο ποσοστό ανεκμετάλλευτες, αν και η τεχνολογία γύρω από αυτές τα τελευταία χρόνια έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο και μάλιστα προς πηγές ενέργειας τις οποίες δεν είχαμε ιδέα πως να εκμεταλλευτούμε παλαιότερα. Η μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα στον κόσμο, περισσότερο από 80%, προέρχεται από κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο ή από ουράνιο. Αυτά τα κοιτάσματα, βρίσκονται σήμερα σε περιορισμένη ποσότητα, ενώ εξαντλούνται συνεχώς. Στην πραγματικότητα τα ορυκτά καύσιμα δεν έχουν να κάνουν μόνο με τον κίνδυνο εξάντλησης, ούτε με την ανησυχία της ανασφάλειας του ανεφοδιασμού, αλλά υπάρχουν και άλλοι λόγοι, κυρίως περιβαλλοντικοί, που ωθούν στην ανάπτυξη των Α.Π.Ε. τον 21 ο αιώνα. Σε αντίθεση με τα συμβατικά καύσιμα, η ενέργεια που προέρχεται από τον Ήλιο, τον άνεμο, τους καταρράκτες, την ανάπτυξη των φυτών, τις παλίρροιες, τη θερμότητα της Γης είναι ανανεώσιμη. Η πυρηνική ενέργεια δε συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά γνωρίζουμε καλά το φόβο που μας εμπνέει η ασφάλεια των πυρηνικών σταθμών, η Σελίδα1

9 Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή τύχη των πυρηνικών αποβλήτων και ο κίνδυνος της εξάπλωσης των πυρηνικών όπλων. Σύμφωνα με πολλούς ερευνητές, τα αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου του πλανήτη αναμένεται να έχουν εξαντληθεί πριν τα μέσα του αιώνα που διανύουμε. Συγκεκριμένα προβλέπεται η εξάντληση των γνωστών μέχρι σήμερα κοιτασμάτων πετρελαίου μέχρι το έτος 2037, με τα σημερινά αποθέματα πετρελαίου να υπολογίζονται σε ένα κόμμα δύο (1,2) τρισεκατομμύρια βαρέλια. Παρόμοιες είναι οι εκτιμήσεις και για τα αποθέματα φυσικού αερίου στη Γη, που αναμένεται να εξαντληθούν σε περίπου πενήντα (50) χρόνια. Σχετικά με τα Παγκόσμια αποθέματα σε κάρβουνο που είναι οικονομικά και τεχνολογικά διαθέσιμα, αυτά επαρκούν για περίπου εκατόν πενήντα (150) χρόνια σύμφωνα με το σημερινό ρυθμό εξόρυξης και χρήσης. Οι υψηλές τιμές του πετρελαίου, η μείωση της προσφοράς καυσίμων και οι αυξανόμενες πιέσεις για τον έλεγχο του φαινόμενου του θερμοκηπίου καθιστούν ιδιαίτερα δημοφιλή την προοπτική χρήσης της Υβριδικής Τεχνολογίας. Σελίδα2

10 Κεφάλαιο 2 ο : Εξέλιξη Υβριδικών Αυτοκινήτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΕΞΕΛΙΞΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ 2.1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ Η Υβριδική Τεχνολογία δεν είναι νέα στο χώρο των μεταφορών. Οι περισσότερες μηχανές diesel χρησιμοποιούν τις μηχανές καύσεως για να φορτίσουν τις μεγάλες μπαταρίες, οι οποίες παρέχουν έπειτα την ηλεκτρική ενέργεια στις ηλεκτρικές μηχανές που πραγματικά ωθούν το όχημα. Με έναν περιορισμένο τρόπο, θα μπορούσαμε να πούμε ότι όλα τα συμβατικά οχήματα είναι υβριδικά, επειδή χρησιμοποιούν τους εναλλάκτες και τις μπαταρίες για να παραγάγουν και να αποθηκεύσουν την ηλεκτρική ενέργεια για την έναρξη του οχήματος και να ενεργοποιήσουν τα εξαρτήματα όπως το ραδιόφωνο, τα φώτα, και τους ανεμιστήρες. Όμως, οι σύγχρονες Υβριδικές Τεχνολογίες για τα light - duty οχήματα εμβαθύνουν περισσότερο, και προχωρούν μέχρι και τη διακοπή της μηχανής καύσεως όταν δεν απαιτείται, ενώ χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια για να ωθήσουν πραγματικά το όχημα στο δρόμο. Ο κύριος στόχος αυτής της σύγχρονης Υβριδικής Τεχνολογίας μέχρι τώρα έχει επιτύχει την υψηλότερη οικονομία καυσίμων (μίλια ανά λίτρο), αλλά η αυξανόμενη αποδοτικότητα (περισσότερη ενέργεια σε άξονα ανά ενέργεια μονάδων στο σύστημα) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ωθήσει ισχύ, ή για να οδηγήσει ένα βαρύτερο ή λιγότερο αεροδυναμικό όχημα διατηρώντας την σταθερά οικονομίας καυσίμων. Η πρώτη εμφάνιση Υβριδικών Οχημάτων χρονολογείται στις αρχές του περασμένου αιώνα και πιο συγκεκριμένα το 1905, όταν ο H. Piper κατέθεσε αίτηση κατοχύρωσης ευρεσιτεχνίας για ένα Υβριδικό αυτοκίνητο, όπου ένας ηλεκτροκινητήρας θα λειτουργούσε επικουρικά στο βασικό μοτέρ (ένα βενζινοκινητήρα), ώστε να επιτυγχάνεται επιτάχυνση 0-40 km/h σε χρόνο 10 sec. Δεδομένου ότι οι όροι «κατανάλωση» και «εκπομπές ρύπων» δεν είχαν ακόμα επινοηθεί, η κατασκευή του οχήματος του Piper επικεντρώθηκε στις επιδόσεις και όχι στην οικονομία ή στη φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία. Η έλλειψη Σελίδα3

11 Κεφάλαιο 2 ο : Εξέλιξη Υβριδικών Αυτοκινήτων ηλεκτρικού δικτύου και το υπερβολικό διάστημα που χρειάστηκε για την έγκριση της πατέντας αποδείχθηκαν δυστυχώς καταδικαστικοί παράγοντες για την ιδέα του Piper. Βέβαια προτάσεις πάνω στο ίδιο ζήτημα είχαν παρουσιαστεί και νωρίτερα, όπως το 1900, όταν η εταιρεία Lohner είχε παρουσιάσει, στην Έκθεση του Παρισιού, ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο βασισμένο στη ιδέα ενός 25χρονου τότε μηχανικού, του ιδρυτή της ομώνυμης μετέπειτα θρυλικής φίρμας Ferdinand Porsche. Το αυτοκίνητο αυτό διέθετε δύο ηλεκτροκινητήρες ενσωματωμένους στις πλήμνες των μπροστινών τροχών, χωρίς να γίνεται χρήση κιβωτίου ταχυτήτων, ημιαξονίων ή διαφορικού. Το 1902 η Lohner παρουσίασε και υβριδική τετρακίνητη έκδοση του μοντέλου της με ηλεκτροκινητήρες σε όλους τους τροχούς, όπου ένας βενζινοκινητήρας κινούσε την απαραίτητη για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας γεννήτρια. Στην πορεία παρουσιάστηκαν διάφορα πρωτότυπα, όπως του Krieger το 1903, ορόσημο όμως στην εξέλιξη των υβριδικών οχημάτων αποτέλεσε το 1917, όταν η Woods Motor Vehicle Company παρουσίασε το μοντέλο Dual Power. Κερδίζοντας τις εντυπώσεις χάρη στην ευφυή κατασκευή του και τον απλό χειρισμό του, το Dual Power διέθετε βενζινοκινητήρα και ηλεκτροκινητήρα οι οποίοι μπορούσαν να λειτουργήσουν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Ένας μαγνητικός συμπλέκτης που συνέδεε και απομόνωνε τους δύο κινητήρες με το σύστημα μετάδοσης μέσω δύο διακοπτών στο τιμόνι, έδινε τη δυνατότητα στον οδηγό να επιλέξει μεταξύ του ηλεκτροκινητήρα και του βενζινοκινητήρα για την κίνηση του οχήματος ή και τους δύο όταν ήθελε μέγιστη ισχύ. Επιπλέον, όταν το αυτοκίνητο επιβράδυνε, ο οδηγός μπορούσε να φορτίσει τις μπαταρίες του οχήματος εμπλέκοντας τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος σε αυτήν την περίπτωση λειτουργούσε ως γεννήτρια. Δυστυχώς η υβριδική τεχνολογία έπεσε σε τέλμα, υποσκελιζόμενη από τη ραγδαία εξάπλωση των βενζινοκινητήρων. Οι ρυπογόνοι κινητήρες εσωτερικής καύσης κυριάρχησαν στην αγορά και μοιραία τα υβριδικά προγράμματα και οι λοιπές εναλλακτικές Τεχνολογίες τέθηκαν στο περιθώριο. Τα Υβριδικά αυτοκίνητα μπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες. Η πρωταρχική διάκριση γίνεται με κριτήριο εάν συνδέεται μόνο ένας κινητήρας με Σελίδα4

12 Κεφάλαιο 2 ο : Εξέλιξη Υβριδικών Αυτοκινήτων τους τροχούς ή αν συνδέονται και οι δύο. Συνεπώς έχουμε τα υβριδικά αυτοκίνητα σειραϊκής διάταξης και τα υβριδικά παράλληλης διάταξης. Και στις δύο κατηγορίες οχημάτων προσφέρεται η δυνατότητα φόρτισης των μπαταριών τους μέσω της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική, τη στιγμή που το αυτοκίνητο «φρενάρει» με τον κινητήρα. Σήμερα έχει επικρατήσει η χρήση του βενζινοκινητήρα εσωτερικής καύσης ως πρώτη πηγή ενέργειας και η χρήση ενός ή περισσότερων ηλεκτροκινητήρων ως δεύτερη. Οι εναλλακτικές προσεγγίσεις (όπως η χρήση πετρελαιοκινητήρα αντί για βενζινοκινητήρα) είναι ελάχιστες και εφαρμόζονται κυρίως σε άλλες κατηγορίες οχημάτων (φορτηγά, λεωφορεία). Εικόνα 2.1 Υβριδικό Τετρακίνητο της Lohner 1902 Σελίδα5

13 Κεφάλαιο 3 ο : Υβριδική Τεχνολογία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η Υβριδική Τεχνολογία περιλαμβάνει τις συσκευές που αξιοποιούν δύο ή περισσότερες πηγές ενέργειας ώστε να πραγματοποιήσουν το έργο και το σκοπό για τον οποίο εφευρέθηκαν. Εικόνα 3.1 Υβριδική Τεχνολογία Το σύστημα συσκευών, που χρησιμοποιεί το Υβριδικό Αυτοκίνητο, αξιοποιεί δύο πηγές ενέργειας για την εξαγωγή της κίνησης στους τροχούς. Τη θερμοδυναμική, που παράγεται από την καύση του καυσίμου στον κινητήρα και την ηλεκτρική, η οποία παράγεται από το σύστημα του ηλεκτροκινητήρα. Για την ομαλή λειτουργία και σωστή επικοινωνία του κινητήρα με τον ηλεκτροκινητήρα, συνδυάστηκαν, με συγκεκριμένο τρόπο και άλλες συσκευές όπως η μπαταρία, ο συσσωρευτής και πολλές άλλες. Ένα πλήρως Υβριδικό Όχημα μπορεί να κινείται μόνο με τον βενζινοκινητήρα ή μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα ή και τους δύο Σελίδα 6

14 Κεφάλαιο 3 ο : Υβριδική Τεχνολογία ταυτόχρονα. Τα «ήπια» και πλήρως υβριδικά οχήματα επιτυγχάνουν μεγάλα οφέλη στην εξοικονόμηση καυσίμου και στις εκπομπές CO 2. Παρά το γεγονός ότι τα παρόντα Υβριδικά Οχήματα δε φορτίζονται με εξωτερικά μέσα, τα επόμενα χρόνια αναμένεται να κατασκευαστούν εξωτερικά φορτιζόμενα υβριδικά οχήματα (Plug-In Hybrid). Μερικά από τα πιο σύγχρονα Υβριδικά Αυτοκίνητα πωλούνται ως υψηλού σχεδιασμού και επιδόσεων παραλλαγές των συμβατικών αυτοκινήτων. Τα Υβριδικά Οχήματα εκπέμπουν λιγότερο CO 2 από τα αντίστοιχα συμβατικά οχήματα. 3.2 Η ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΚΑΡΔΙΑ Το Toyota Prius αποτελεί το πρότυπο της λεγόμενης «Υβριδικής Καρδιάς», την οποία η Ιαπωνική Εταιρεία ονομάζει THS (Toyota Hybrid System). Σχήμα 3.2 Υβριδική Καρδιά Τα κύρια μέρη του Υβριδικού Συστήματος του αυτοκινήτου είναι o ηλεκτροκινητήρας, ο κινητήρας εσωτερικής καύσεως, η γεννήτρια, η συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρία) και ο μετασχηματιστής ρεύματος. Ο ηλεκτροκινητήρας αναλαμβάνει εξ ολοκλήρου την κίνηση του αυτοκινήτου σε σταθερή, ομαλή πορεία και μη κεκλιμένο επίπεδο. Παρέχει επιπλέον ισχύ στο βενζινοκινητήρα μόνο στις υπόλοιπες περιπτώσεις όπως κατά την επιτάχυνση, στο κεκλιμένο επίπεδο (ανηφόρα). Είναι μόνιμα συνδεδεμένος με το πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων τύπου CVT όπου ρυθμίζεται η κατανομή ισχύος Σελίδα 7

15 Κεφάλαιο 3 ο : Υβριδική Τεχνολογία ανάμεσα στις δύο μονάδες (ηλεκτροκινητήρας - βενζινοκινητήρας) για τη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς. Φυσικά o ηλεκτροκινητήρας επικοινωνεί με τη γεννήτρια και τις μπαταρίες όπου δέχεται ενέργεια. Η μεγάλη επανάσταση στο συγκεκριμένο μέρος του οχήματος είναι ότι κατά το φρενάρισμα μετατρέπεται σε γεννήτρια η οποία επαναφορτίζει τις μπαταρίες. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσεως (βενζινοκινητήρας) καταναλώνει αμόλυβδη βενζίνη, όπως και οι συμβατικοί κινητήρες. Το μπλοκ, όπως και η κυλινδροκεφαλή, είναι κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου, ενώ η εξαγωγή αποτελείται από ανοξείδωτο χάλυβα χαμηλής μάζας μειώνοντας το συνολικό βάρος κατασκευής. Αρχικά φαίνεται ότι η απόδοσή του είναι μικρή αλλά είναι κατάλληλη για την αντιστάθμιση του φορτίου, προκειμένου να υπάρξει ομαλή συνεργασία με τον ηλεκτροκινητήρα. Το γκάζι είναι ηλεκτρονικό για ακριβέστερη πληροφόρηση προς το σύστημα ψεκασμού, ενώ την ποιότητα των καυσαερίων επιβλέπει ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας υψηλής πυκνότητας και ταχείας προθέρμανσης για μέγιστη απόδοση. Η γεννήτρια λειτουργεί μέσω του βενζινοκινητήρα και χρησιμεύει, στο να επαναφορτίζει τη συστοιχία των μπαταριών και να ενισχύει τον ηλεκτροκινητήρα. Ως δευτερεύουσες λειτουργίες εκκινεί τον βενζινοκινητήρα (αφού δεν υπάρχει μίζα), και λειτουργεί όπως και μια απλή γεννήτρια στους συμβατικούς κινητήρες. Ο μετασχηματιστής αναλαμβάνει να μετατρέψει το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (DC) της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο. Με αμφίδρομο όμως τρόπο μπορεί να μετατρέψει το εναλλασσόμενο σε συνεχές κατά τη διαδικασία επαναφόρτισης της μπαταρίας. Επίσης, μετατρέπει την υψηλή τάση σε συμβατική, 12V, για την τροφοδότηση των επιμέρους λειτουργιών του αυτοκινήτου (ηχοσύστημα, φώτα, κλιματισμός). Σελίδα 8

16 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 4.1 ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ (HYBRID CARS) Αυτός ο τύπος αυτοκινήτου ονομάζεται έτσι επειδή συνδυάζει δύο μορφές ενέργειας για να κινηθεί. Τη θερμική για το βενζινοκινητήρα και την ηλεκτρική για τον ηλεκτροκινητήρα (μοτέρ). Το εντυπωσιακότερο χαρακτηριστικό ενός Υβριδικού Αυτοκινήτου είναι πως ενώ έχει μπαταρίες, ο χρήστης δε χρειάζεται ποτέ να τις φορτίσει. Αντιθέτως το όλο σύστημα φροντίζει να είναι πάντα φορτισμένες και ο χρήστης - οδηγός να μη μένει ποτέ από ηλεκτρική ενέργεια. Ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να λειτουργήσει είτε αυτόνομα είτε συμπληρωματικά με το βενζινοκινητήρα, ανάλογα με την περίπτωση. Έτσι επιτυγχάνεται μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας που με τη σειρά της απαγκιστρώνει τους οδηγούς από συνεχή προβλήματα που σχετίζονται με τα υγρά καύσιμα. Για να επιτευχθούν όμως όλα αυτά υπάρχουν κάποιες δυσκολίες. Το δυσκολότερο κομμάτι στη σχεδίαση ενός τέτοιου οχήματος, είναι ο τρόπος σύνδεσης του ηλεκτροκινητήρα με το βενζινοκινητήρα, καθώς επίσης και το σύστημα ελέγχου τους. Εδώ οι κατασκευαστές έχουν να παρουσιάσουν διάφορες διατάξεις ανάλογα με το κόστος και με το είδος χρήσης. Η πιο απλή λύση είναι η εκ των υστέρων τοποθέτηση σε ένα αυτοκίνητο ενός (ή καλύτερα δύο) ηλεκτροκινητήρων που να κινούν τους άλλους δύο τροχούς. Η λύση αυτή αν και δεν είναι η καλύτερη από πλευράς ενεργειακής εκμετάλλευσης είναι πολύ καλή από χωροταξική άποψη (σε σχέση με ένα συμβατικό τετρακίνητο όχημα) και φαίνεται να προτιμάται από αρκετούς κατασκευαστές στα πρωτότυπα οχήματα που παρουσιάζονται σε εκθέσεις (π.χ. Renault Koleos, Mazda MX sport tourer). Μια άλλη λύση είναι η σύνδεση ηλεκτροκινητήρα και βενζινοκινητήρα σε ένα κοινό σύστημα μετάδοσης όπως χρησιμοποιείται στο Toyota Prius με εντυπωσιακά αποτελέσματα όσον αφορά την κατανάλωση και την απόδοση. Σελίδα 9

17 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου Ίσως ακόμα πιο εντυπωσιακά όμως είναι τα μηχανικά μέρη του Honda Insight. Εδώ χρησιμοποιείται ένας ηλεκτροκινητήρας ανάμεσα στο βενζινοκινητήρα και το κιβώτιο ταχυτήτων. Αν και έτσι ο βενζινοκινητήρας είναι σε λειτουργία συνεχώς όσο το αυτοκίνητο κινείται, η οικονομία και η απόδοση του συνδυασμού αυτού είναι εντυπωσιακή. Ακόμα λόγω των μικρών διαστάσεών του είναι πολύ εύκολο να ενσωματωθεί σε ήδη υπάρχοντα μοντέλα χωρίς μεγάλες μετατροπές 4.2 ΒΑΣΙΚΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Σχήμα 4.1 Βασικά Τμήματα Υβριδικού Σελίδα 10

18 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου Τα βασικά τμήματα ενός Υβριδικού Αυτοκινήτου που συνεργάζονται για την κίνησή του είναι τα εξής: 1. Ο βενζινοκινητήρας / πετρελαιοκινητήρας 2. Ο ηλεκτροκινητήρας 3. Η γεννήτρια 4. Το σύστημα μετάδοσης 5. Ο αναστροφέας - Inverter 6. Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία 7. Οι μονάδες ηλεκτρονικού ελέγχου Τα παρακάτω αναφέρονται στα βασικά τμήματα του Υβριδικού Αυτοκινήτου Toyota Prius, τα οποία τμήματα δε διαφέρουν σε γενικές γραμμές από κανένα άλλο Υβριδικό Αυτοκίνητο παρά μόνο σε κάποια χαρακτηριστικά αυτών. Σχήμα 4.2 Τμήματα Υβριδικού ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Ο βενζινοκινητήρας ενός Υβριδικού Αυτοκινήτου είναι ίδιος με το βενζινοκινητήρα ενός συμβατικού αυτοκινήτου. Στο Toyota Prius για παράδειγμα, χρησιμοποιείται ένας κινητήρας τετράχρονος, τετρακύλινδρος σε σειρά δέκα έξι (16) βαλβίδων με δύο επικεφαλής εκκεντροφόρους. Διαθέτει ψεκασμό πολλαπλών σημείων άμεσης ανάφλεξης και μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων ivvti). Έχει κυβισμό χίλια τερακόσια εννενήντα έξι (1496) κυβικά εκατοστά και σχεδιάστηκε Σελίδα 11

19 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου ειδικά για το Prius, με στόχο την ομαλή λειτουργία, τη χαμηλή κατανάλωση και τις μειωμένες εκπομπές καυσαερίων. Ο μέγιστος ρυθμός περιστροφής επιτρέπει ελαφρύτερα μηχανικά μέρη, με αποτέλεσμα το μικρότερο βάρος και όγκο κινητήρα. Ο χρονισμός του κινητήρα βασίζεται στον κύκλο του Atkinson σύμφωνα με τον οποίο, ο χρόνος συμπίεσης μειώνεται σημαντικά ενώ ο χρόνος εκτόνωσης αυξάνεται, με αποτέλεσμα την καλύτερη ενεργειακή εκμετάλλευση της ανάφλεξης. Εικόνα 4.3 Βενζινοκινητήρας Ο ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Ο ηλεκτροκινητήρας είναι υδρόψυκτος τριφασικός, σύγχρονος μόνιμου μαγνήτη. Προσφέρει επιπλέον κίνηση στους τροχούς και προσδίδει μια εξαιρετικά δυναμική συμπεριφορά που περιλαμβάνει ομαλή εκκίνηση από στάση και γραμμική επιτάχυνση. Κατά την πέδηση ή την επιβράδυνση του αυτοκινήτου με «κινητήρα» ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια και, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια του οχήματος σε ηλεκτρική, φορτίζει τη μπαταρία. Σελίδα 12

20 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου Εικόνα 4.4 Ηλεκτροκινητήρας Η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Η γεννήτρια είναι της ίδιας φιλοσοφίας με τον ηλεκτροκινητήρα δηλαδή υδρόψυκτη, σύγχρονη, τριφασική μόνιμου μαγνήτη. Η γεννήτρια μετατρέπει την κινητική ενέργεια που προέρχεται από το βενζινοκινητήρα σε ηλεκτρική με την οποία είτε φορτίζει τη μπαταρία είτε δίνει κίνηση στον ηλεκτροκινητήρα. Επιπλέον η γεννήτρια αναλαμβάνει το ρόλο της μίζας για την εκκίνηση του βενζινοκινητήρα ενώ ελέγχει απόλυτα τη συνεχώς μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης στους τροχούς. Το τελευταίο επιτυγχάνεται αυξομειώνοντας συνεχώς το ποσοστό ενέργειας που απορροφάται από το βενζινοκινητήρα, μεταβάλλοντας την ταχύτητα περιστροφής της ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ Η κίνηση από τρεις (3) κινητήριες μονάδες (βενζινοκινητήρας, ηλεκτροκινητήρας και γεννήτρια) καταλήγει στους τροχούς μέσω ενός πρωτοποριακού συστήματος μετάδοσης, το οποίο στηρίζεται στη λειτουργία ενός πλανητικού συστήματος γραναζιών. Η κίνηση μεταφέρεται με αλυσίδα στο διαφορικό και από εκεί στους τροχούς. Το όλο σύστημα συμπεριφέρεται και ως κιβώτιο συνεχούς μεταβαλλόμενης σχέσης μετάδοσης με τη βοήθεια του Σελίδα 13

21 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου μεταβαλλόμενου ρυθμού περιστροφής της γεννήτριας που περιγράφηκε προηγουμένως Ο ΑΝΑΣΤΡΟΦΕΑΣ (INVERTER) Ο αναστροφέας (inverter) αναλαμβάνει τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος, που προέρχεται από τη μπαταρία, σε εναλλασσόμενο για τον ηλεκτροκινητήρα και αντιστρόφως του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές για τη φόρτιση της μπαταρίας. Ο αναστροφέας ρυθμίζει συνεχώς την ένταση και συχνότητα του ρεύματος που καταλήγει στον ηλεκτροκινητήρα, μεταβάλλοντας έτσι τη ροπή και την ταχύτητα περιστροφής του. Είναι υδρόψυκτος και περιλαμβάνει ξεχωριστή μονάδα μετατροπής ρεύματος σε συνεχές 12 V, απαραίτητο για τη λειτουργία διαφόρων συστημάτων, όπως το ηχοσύστημα, οι προβολείς, ο κλιματισμός και οι μονάδες ηλεκτρονικού ελέγχου. Για το λόγο αυτό στο χώρο των αποσκευών είναι τοποθετημένη και μια συμβατή μπαταρία μολύβδου η οποία φορτίζεται από την προαναφερθείσα μονάδα. Εικόνα 4.5 Αναστροφέας ΕΠΑΝΑΦΟΡΤΙΖΟΜΕΝΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑ Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία αποτελείται από σαράντα (40) στοιχεία νικελίου, μετάλλου υβριδίου (Νi - ΜΗ ) 7,2 V και 6,5 Α έκαστο δίνοντας συνολικά Σελίδα 14

22 Κεφάλαιο 4 ο : Περιγραφή Υβριδικού Αυτοκινήτου συνεχή τάση 288 V. Η μπαταρία είναι τοποθετημένη πίσω από την πλάτη των πίσω καθισμάτων και συνοδεύεται από έναν ανεμιστήρα για την ψύξη της, ένα σύστημα ασφαλείας με τρία (3) ρελέ, τη συσκευή φόρτισης ανάγκης και την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Εικόνα 4.6 Επαναφορτιζόμενη Μπαταρία ΜΟΝΑΔΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Το Υβριδικό Σύστημα του Ρrius ελέγχεται και ρυθμίζεται συνεχώς, μέσω μιας κεντρικής μονάδας ηλεκτρονικού ελέγχου, η οποία επεξεργάζεται δεδομένα και συνεργάζεται ταυτόχρονα με άλλες τέσσερις μονάδες: Τη μονάδα ελέγχου του ηλεκτροκινητήρα Τη μονάδα ελέγχου του βενζινοκινητήρα Τη μονάδα ελέγχου της μπαταρίας Τη μονάδα ελέγχου του συστήματος φρένων. Σελίδα 15

23 Κεφάλαιο 5 ο Λειτουργία Υβριδικού Αυτοκινήτου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Η λειτουργία του Υβριδικού Αυτοκινήτου γίνεται σε διάφορα στάδια όπως περιγράφεται παρακάτω: 1. Κατά τα πρώτα στάδια της εκκίνησης λειτουργεί μόνο ο ηλεκτροκινητήρας ο οποίος μπορεί να αποδώσει πολύ μεγαλύτερα επίπεδα ροπής από το βενζινοκινητήρα. Αν σε περίπτωση που λίγο μετά χρειαστεί πολύ έντονη επιτάχυνση τότε το HSD ανιχνεύει την ανάγκη για ισχυρή επιτάχυνση από το έντονο πάτημα του γκαζιού και ενεργοποιεί αυτόματα το βενζινοκινητήρα στη μέγιστη ισχύ. Έτσι το όχημα γίνεται εξαιρετικά ευέλικτο σε όλο το εύρος των στροφών. Ο γενικός κανόνας πάντως παραμένει πως σε χαμηλό - μεσαίο επίπεδο στροφών το όχημα κινείται με ηλεκτρισμό. 2. Σε μεγάλες σχετικά ταχύτητες, όπως αυτές των αυτοκινητοδρόμων, μπαίνει σε λειτουργία ο βενζινοκινητήρας ο οποίος κινεί αποκλειστικά το όχημα. Παράλληλα, και ανάλογα με την ταχύτητα, φορτίζει και τις μπαταρίες του ηλεκτροκινητήρα. Όπως και πριν έτσι και τώρα, αν χρειαστεί έντονη επιτάχυνση (π.χ. για προσπέραση) τότε συνεργεί και ο ηλεκτροκινητήρας για μέγιστη απόδοση. 3. Σε περιπτώσεις που ο οδηγός δεν πατάει γκάζι όπως στις κατηφόρες ή όταν πατάει φρένο, τότε το HSD μεταφέρει την κίνηση από τους τροχούς του αυτοκινήτου στη γεννήτρια, η οποία με τη σειρά της φορτίζει τις μπαταρίες. Έτσι είναι σίγουρο πως δεν πηγαίνει χαμένο ούτε μισό Joule ενέργειας. Τι πιο φιλικό στο περιβάλλον από αυτό. 4. Μία άλλη πρωτοποριακή ιδέα η οποία εφαρμόζεται είναι το σταμάτημα του βενζινοκινητήρα όταν το αυτοκίνητο είναι ακινητοποιημένο. Έτσι ο κινητήρας δε χρειάζεται να λειτουργεί ούτε καν στο λεγόμενο «ρελαντί» εξοικονομώντας έτσι πολύ μεγάλα ποσά βενζίνης. Η λειτουργία αυτή εξασφαλίζει τεράστια οικονομία μέσα στην πόλη όπου ως γνωστόν η ταχύτητα δεν ξεπερνά τα km/h και οι στάσεις σε φανάρια είναι πολύ συχνές. Σελίδα16

24 Κεφάλαιο 5 ο Λειτουργία Υβριδικού Αυτοκινήτου 5.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΟΔΗΓΗΣΗ Η λειτουργία του συστήματος του Υβριδικού κατά την οδήγηση, διαφοροποιείται σε πέντε (5) περιπτώσεις. Σχήμα 5.1 Λειτουργία Κατά την Οδήγηση Στην 1η περίπτωση: το αυτοκίνητο είναι σταματημένο, έτοιμο για εκκίνηση, και με ενεργοποιημένο το σύστημα EV. Στη 2η περίπτωση: όταν το αυτοκίνητο κινείται με σταθερή πορεία τότε λειτουργεί ο κινητήρας ή το σύστημα EV ή ο κινητήρας μαζί με τον ηλεκτροκινητήρα. Στην 3η περίπτωση: όπου θέλουμε ή να προσπεράσουμε ή να ανέβουμε κεκλιμένο επίπεδο, λειτουργεί ο κινητήρας μαζί με τον ηλεκτροκινητήρα. Στην 4η περίπτωση: κατά το φρενάρισμα γίνεται απόσβεση της ενέργειας που δώσαμε για να προσπεράσουμε ή να ανέβουμε το κεκλιμένο επίπεδο, και αυτή η ανάκτηση γίνεται από τα φρένα με συγκεκριμένη Τεχνολογία. Στην 5η περίπτωση: το Υβριδικό Όχημα είναι ακινητοποιημένο, άρα κλειστός και ο κινητήρας και μηδενική η κατανάλωση. Μερικά Υβριδικά μοντέλα είναι εξοπλισμένα με το "EV Drive Mode" όπου επιτρέπουν στον οδηγό να επιλέξει την οδήγηση μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα - με απλά λόγια, να οδηγήσει με κλειστό τον κινητήρα (υγρού καυσίμου). Σελίδα17

25 Κεφάλαιο 5 ο Λειτουργία Υβριδικού Αυτοκινήτου Ο τρόπος κίνησης EV ακυρώνεται αυτόματα εάν εμφανίζεται οποιοσδήποτε από τους ακόλουθους όρους: - Πτώσεις μπαταριών κάτω από το διευκρινισμένο επίπεδο - Η διακινούμενη ταχύτητα οχημάτων υπερβαίνει περίπου τα 55 km/h - Όταν τον πετάλι επιταχύνσεως (γκάζι), υπερβαίνει συγκεκριμένη γωνία Φυσικά οι όροι αυτοί διαφέρουν από μοντέλο σε μοντέλο. 5.3 ΥΒΡΙΔΙΚΑ «ΣΤΑΣΗΣ - ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ» Τα Υβριδικά «στάσης - εκκίνησης» ή μικρό - έχουν σχετικά μικρούς ηλεκτροκινητήρες οι οποίοι δεν κινούν το όχημα, αλλά έχουν την απαραίτητη ισχύ για τη σχεδόν ακαριαία επανεκκίνηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Αυτό σημαίνει ότι ένα μικρό - Υβριδικό βενζινοκίνητο όχημα μπορεί αυτόματα να σβήνει τον κινητήρα του όταν το όχημα ακινητοποιείται (π.χ. σε φωτεινούς σηματοδότες) και να επανεκκινεί μόλις ο οδηγός πατήσει το πεντάλ του γκαζιού χωρίς να απαιτείται η χρήση της μίζας και πολλές φορές χωρίς καν ο οδηγός να γνωρίζει ότι ο κινητήρας έχει σταματήσει. Τα συστήματα «στάσης - εκκίνησης» σε γενικές γραμμές δε θεωρούνται ως πραγματικά Υβριδικά συστήματα εφόσον δε χρησιμοποιούνται για την κίνηση του οχήματος. Επιφέρουν ένα σχετικά μέτριο ποσοστό εξοικονόμησης καυσίμου - συνήθως περίπου 10% - όμως έχουν το πλεονέκτημα του χαμηλού κόστους. Ένα παράδειγμα ενός υβριδικού αυτοκινήτου «στάσης-εκκίνησης» είναι το Citroen C ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΦΡΕΝΑΡΙΣΜΑ Όταν χρησιμοποιούμε τα φρένα σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο, η κινητική ενέργεια που έχει όταν μετακινείται μετατρέπεται σε θερμότητα. Σε ένα υβριδικό αυτοκίνητο, τα φρένα παίρνουν ένα ποσοστό από την ενέργεια αυτή και αντί να χαθεί στο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας την ηλεκτρική μηχανή ως γεννήτρια, την εναποθέτει πίσω στις μπαταρίες. Σελίδα18

26 Κεφάλαιο 5 ο Λειτουργία Υβριδικού Αυτοκινήτου Σχήμα 5.2 Τα φρένα Το αναπαραγωγικό φρενάρισμα χρησιμοποιεί το γεγονός ότι μια ηλεκτρική μηχανή μπορεί επίσης να ενεργήσει ως γεννήτρια. Η ηλεκτρική μηχανή κίνησης του οχήματος επανασυνδέεται ως γεννήτρια κατά τη διάρκεια του φρεναρίσματος και η παραγωγή της συνδέεται με ένα ηλεκτρικό φορτίο. Συγκεκριμένα, αυτό είναι το φορτίο στη μηχανή που παρέχει το αποτέλεσμα του φρεναρίσματος. Σχήμα 5.3 Η ηλεκτρική μηχανή Σελίδα19

27 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΤΥΠΟΙ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 6.1 ΠΑΡΑΛΛΗΛΑ ΚΑΙ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Στα «παράλληλα» και στα «συνδυασμένα» Υβριδικά οχήματα μπορούμε να διακρίνουμε δύο ξεχωριστές υποκατηγορίες, ανάλογα με τη συμμετοχή κάθε κινητήρα στο τελικό ισοζύγιο ισχύος του αυτοκινήτου. Η πρώτη κατηγορία είναι τα λεγόμενα «πλήρη» Υβριδικά οχήματα (Full Hybrids), όπως το Toyota Prius. Σε αυτά, η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα είναι τέτοια ώστε επαρκεί για την εξ ολοκλήρου κίνηση του αυτοκινήτου στις χαμηλές ταχύτητες και τα μικρά φορτία. Όταν οι απαιτήσεις ισχύος αυξηθούν τότε μπαίνει στο παιχνίδι και ο βενζινοκινητήρας ο οποίος μπορεί είτε να αναλάβει την κίνηση του αυτοκινήτου (εξ' ολοκλήρου ή από κοινού με τον ηλεκτροκινητήρα) είτε να αναλάβει την φόρτιση των μπαταριών μέσω της γεννήτριας. Αυτός ο διαμοιρασμός της ισχύος γίνεται μέσω μιας μηχανικής μονάδας (συνήθως κάποιας διάταξης με πλανητικούς μειωτήρες) με βάση τις εντολές που δίνει η ECU. Στα κυριότερα πλεονεκτήματα των Full Hybrids περιλαμβάνονται η αυξημένη αυτονομία τους καθώς και η μικρότερη κατανάλωσή τους, η οποία είναι κατά μέσο όρο 35% - 50% μικρότερη ενός βενζινοκίνητου αυτοκινήτου αντίστοιχης απόδοσης. Έχουν επίσης το πλεονέκτημα της αμιγούς ηλεκτρικής κίνησης στις δύσκολες κυκλοφοριακές συνθήκες των πόλεων, κάτι που συμβάλλει στη μείωση των εκπομπών ρύπων και την οικονομία καυσίμου. Στον αντίποδα, λόγω της μεγαλύτερης μπαταρίας και των ισχυρότερων ηλεκτροκινητήρων τους, τα Full Hybrids είναι ως επί το πλείστον βαρύτερα και ακριβότερα, ενώ οι μπαταρίες καταλαμβάνουν και κάμποσο από το χώρο αποσκευών του αυτοκινήτου. Η δεύτερη κατηγορία παράλληλων υβριδικών είναι τα λεγόμενα «υποβοηθητικά» Υβριδικά ή «Assist Hybrids», με γνωστότερο εκπρόσωπό τα μοντέλα IMA (Integrated Motor Assist) της Honda. Εδώ τόσο ο ηλεκτροκινητήρας όσο και το μέγεθος της μπαταρίας είναι σαφώς μικρότερα, και μπορούν μόνο να Σελίδα20

28 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων υποβοηθήσουν τον ηλεκτροκινητήρα σε συνθήκες αυξημένου φορτίου, να αναλάβουν το έργο της ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα, καθώς και τη λειτουργία του σταματήματος και της επανεκκίνησης του κινητήρα στα φανάρια. Στα πλεονεκτήματα των «Assist Hybrids» περιλαμβάνεται το μειωμένο βάρος του Υβριδικού αμαξώματος, και το μικρότερο κόστος του συστήματος. Οι δυνατότητές του όμως είναι σαφώς περιορισμένες σε σύγκριση με ένα «πλήρες» Υβριδικό, ενώ επιπλέον δεν έχουν τη δυνατότητα αμιγούς ηλεκτρικής κίνησης μέσα στην πόλη. Έτσι, ένα «Assist Hybrid» μπορεί να επιτύχει κατά μέσο όρο μια μείωση της κατανάλωσης της τάξης του 25-30% σε σύγκριση με ένα αντίστοιχο βενζινοκίνητο όχημα. Εκτός όμως από αυτές τις δύο κύριες κατηγορίες, υπάρχουν και δύο πολύ ενδιαφέρουσες εξαιρέσεις, τις οποίες και αξίζει να εξετάσουμε ξεχωριστά. 6.2 PLUG IN HYBRIDS Μια ειδική κατηγορία Υβριδικών Αυτοκινήτων είναι τα λεγόμενα Plug In Hybrids τα οποία είναι γνωστά και ως «Pluggable» ή «Griddable» Hybrids. Πρόκειται για Υβριδικά Οχήματα τα οποία ναι μεν συνδυάζουν κινητήρα εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρα όπως τα «συμβατικά» Υβριδικά, αλλά διαθέτουν εξαιρετικά αυξημένη αυτονομία αμιγούς ηλεκτροκίνησης και μπορούν να επαναφορτιστούν από το οικιακό δίκτυο διανομής ηλεκτρισμού. Έτσι, για τις αστικές μετακινήσεις τους δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν καθόλου τον βενζινοκινητήρα τους (το οποίο και είναι το κύριο πλεονέκτημά τους) αρκούμενα στην ηλεκτρική ενέργεια των μπαταριών. Ο βενζινοκινητήρας χρησιμοποιείται μόνο σε περίπτωση εξάντλησης της μπαταρίας, ή όταν ο οδηγός θέλει να κάνει κάποιο μεγάλο ταξίδι. Αναμφίβολα, το κυριότερο μειονέκτημα των Plug-In Hybrids είναι ο αυξημένος όγκος (και βάρος) των μπαταριών που είναι απαραίτητες προκειμένου να επιτευχθεί ικανοποιητική «ηλεκτροκίνητη» αυτονομία. Αυτό αυξάνει το κόστος του οχήματος, ενώ δημιουργεί και επιπλέον προβλήματα με τη διαχείρισή τους μετά το τέλος κύκλου ζωής των. Μια άλλη πολύ σημαντική ένσταση για τα Plug-In Hybrids αφορά τη χρήση τους σε πόλεις (και χώρες) οι οποίες δεν παράγουν την ηλεκτρική Σελίδα21

29 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων τους ισχύ από ανανεώσιμες πηγές. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρική ισχύς που απορροφούν τα αυτοκίνητα από το δίκτυο διανομής ισοδυναμεί με εκπομπή ρύπων (από το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρισμού), συνεπώς η φιλικότητα προς το περιβάλλον δεν είναι δεδομένη. Προσθέστε σε αυτό και την οριακή επάρκεια της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος σε αρκετές χώρες (μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα) και θα καταλάβετε γιατί ακόμα πολλοί είναι επιφυλακτικοί ως προς την υιοθέτηση αυτής της μορφής υβριδικής αυτοκίνησης. Εικόνα 6.1 PLUG IN HYBRIDS 6.3 MILD Άλλη μια ιδιάζουσα κατηγορία «Υβριδικών» αυτοκινήτων (το γιατί χρησιμοποιούμε τα εισαγωγικά θα το καταλάβετε στη συνέχεια), είναι τα λεγόμενα «Mild Hybrid». Ουσιαστικά, πρόκειται για συμβατικά βενζινοκίνητα ή πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα τα οποία όμως έχουν αναβαθμισμένο ηλεκτρικό κύκλωμα (σε αρκετές περιπτώσεις, η τάση του κυκλώματος είναι 48V αντί για τα 12V των άλλων αυτοκινήτων), μπαταρίες μεγαλύτερης χωρητικότητας και ισχυρότερες μίζες. Χάρη σε αυτά η ECU του κινητήρα μπορεί να τον σβήνει σε κάθε φανάρι χωρίς να υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανσης της μίζας ή εξάντλησης της μπαταρίας από της αλλεπάλληλες επανεκκινήσεις. Επιπλέον, οι μεγαλύτερες μπαταρίες επιτρέπουν την λειτουργία των δευτερευόντων συστημάτων του αυτοκινήτου (όπως του κλιματισμού) ακόμα και με τον κινητήρα σβηστό. Εκτός από τη λειτουργία Start Stop του κινητήρα, τα συστήματα των Mild Hybrids μπορούν να εκτελέσουν μια περιορισμένη ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισμα ή το ρολάρισμα του αυτοκινήτου. Αυτό γίνεται μέσω του Σελίδα22

30 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων ηλεκτροκινητήρα της μίζας που προαναφέραμε, ο οποίος στην προκείμενη περίπτωση λειτουργεί ως γεννήτρια, φορτίζοντας τις μπαταρίες. Το σημαντικότερο ίσως πλεονέκτημα των Mild Hybrids είναι η ευελιξία τους. Είναι μακράν η πιο εύκολη τεχνολογία στην υλοποίησή της, αφού δεν απαιτεί παρά ελάχιστες μετατροπές στο αμάξωμα του αυτοκινήτου, ενώ επίσης δεν προσθέτει τόσο βάρος όσο τα άλλα συστήματα Υβριδικής κίνησης. Είναι επιπλέον σχετικά φτηνή στην εφαρμογή της, αφού ως επί το πλείστον βασίζεται σε «Off The Shelf» τεχνογνωσία η οποία προέρχεται είτε από την αυτοκινητοβιομηχανία είτε από τη βιομηχανία επαγγελματικών οχημάτων. Στον αντίποδα, το μεγαλύτερο μειονέκτημα των Mild Hybrids είναι η μειωμένη εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνουν, η οποία στις καλύτερες των περιπτώσεων μεταφράζεται σε οικονομία καυσίμου της τάξης του 10%. Συνεπώς, η σύγκριση με τα «Full Hybrids» ή τα «Assist Hybrids» είναι απλά ανεδαφική. Παρά το μειωμένο δυναμικό που έχουν όσον αφορά την εξοικονόμηση καυσίμου, πολλοί κατασκευαστές στρέφονται προς την τεχνολογία των Mild Hybrids προκειμένου να αυξήσουν το βαθμό απόδοσης των κινητήρων τους. Οι Αμερικανοί κατασκευαστές ήταν από τους πρώτους που τα υιοθέτησαν, στην προσπάθειά τους να αυξήσουν κατά τι την απόδοση των βενζινοφόρων τους. Όσο περνάει ο καιρός όμως, βλέπουμε και Ευρωπαίους κατασκευαστές να υιοθετούν παρόμοια συστήματα. Από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι αυτό της Citroen με το σύστημα Start Stop που παρουσίασε στα C2 και C3. Στο μοντέλο C5 Airscape η Εταιρεία παρουσίασε και μια βελτιωμένη έκδοση του συστήματος η οποία προσφέρει επιπλέον τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα. Μια από τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στην κατηγορία των Mild Hybrids προέρχεται από τη BMW, η οποία πρόσφατα παρουσίασε μια σειρά τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας με τον «τίτλο» Efficient Dynamics. Το σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας της BMW τοποθετήθηκε στη 1 η και 5 η Σειρά, ενώ αναμένεται να χρησιμοποιηθεί και σε άλλα μοντέλα της Γερμανικής Εταιρείας. Εκτός από της λειτουργία Start Stop στα φανάρια, η τεχνολογία Efficient Dynamics επιτρέπει την ανάκτηση ενέργειας μέσω του δυναμό εφαρμόζοντας μια απλή αλλά έξυπνη ιδέα. Όταν το αυτοκίνητο επιταχύνει, η μονάδα ελέγχου του κινητήρα ανοιγοκλείνει το δυναμό προκειμένου να μην καταναλώνει ισχύ από τον Σελίδα23

31 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων κινητήρα για να φορτίσει την μπαταρία και να μην επιβαρύνει έτσι την κατανάλωση. Αντίθετα, όταν ο οδηγός αφήσει το γκάζι και το αυτοκίνητο κινείται χωρίς φορτίο, η μονάδα ελέγχου κλείνει τις ηλεκτρικές επαφές του δυναμό και με αυτό τον τρόπο το τελευταίο φορτίζει τη μπαταρία του αυτοκινήτου, εκμεταλλευόμενο την κινητική ενέργεια που ήδη έχει αποκτήσει το όχημα. Απ όλα τα παραπάνω είναι λοιπόν προφανές ότι στην περίπτωση των Mild Hybrids (χρησιμοποιούμε τον αγγλικό όρο, καθώς δεν υπάρχει κάτι πιο δόκιμο στα ελληνικά), δεν μιλάμε για ένα πραγματικό Υβριδικό Αυτοκίνητο, αφού ο ηλεκτροκινητήρας δε συμμετέχει στην κίνηση του οχήματος και δεν επηρεάζει το ισοζύγιο ισχύος. Η δυνατότητά τους να επιτελούν κάποιες από τις λειτουργίες των πραγματικών υβριδικών οχημάτων (αυτή της ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα και το Start Stop στα φανάρια) έχει κερδίσει χαριστικά τον τίτλο του «υβριδικού». Εικόνα 6.2 Mild Hybrid Car 6.4 ΠΑΡΑΛΛΗΛΟΥ ΤΥΠΟΥ Τα παράλληλα συστήματα, τα οποία είναι συνήθως τα περισσότερο παραγόμενα προς το παρόν, συνδέουν και τα ηλεκτρικά συστήματα και τα συστήματα εσωτερικής καύσης με την μηχανική μετάδοση. Μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με το πόσο εξισορροπημένα είναι τα διάφορα τμήματα για να παρέχουν κινητήρια ισχύ. Σε μερικές περιπτώσεις η μηχανή εσωτερικής καύσεως είναι το κυρίαρχο τμήμα και χρησιμοποιείται για να την πρωταρχική ισχύ, ενώ ο κινητήρας μπαίνει σε λειτουργία μόνο όταν χρειάζεται ενίσχυση. Αλλά μπορούν να κινούνται μόνο με το ηλεκτρικό σύστημα. Τα πλείστα σχέδια Σελίδα24

32 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων συνδυάζουν μια μεγάλη ηλεκτρική γεννήτρια και έναν κινητήρα σε μια μονάδα, η οποία συνήθως βρίσκεται ανάμεσα στη μηχανή εσωτερικής καύσεως και στη μετάδοση, αντικαθιστώντας και το συμβατικό κινητήρα εκκίνησης και τη γεννήτρια ή τον εναλλάκτη. Μια μεγάλη συσκευασία μπαταρίας απαιτείται παρέχοντας μια υψηλότερη τάση από την κανονική αυτοκινητική των 12V. Αξεσουάρ όπως η ισχύς του βολάν και του κλιματιστικού τροφοδοτούνται από ηλεκτρικούς κινητήρες, έτσι ώστε αυτά να συνεχίσουν να λειτουργούν όταν η μηχανή εσωτερικής καύσεως σταματήσει να λειτουργεί. Αυτό δίνει τη δυνατότητα κέρδους περισσότερης αποδοτικότητας, με ρύθμιση της ηλεκτρικής ισχύς που διανέμεται σε αυτά τα συστήματα, μάλλον παρά έχοντας το να λειτουργούν απευθείας από τη μηχανή με μία ταχύτητα που εξαρτάται από την ταχύτητα της μηχανής. 6.5 ΠΛΗΡΩΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟ Ένα πλήρως Υβριδικό όχημα, που μερικές φορές ονομάζεται δυνατό Υβριδικό, είναι ένα όχημα που μπορεί να κινείται μόνο με την μηχανή, μόνο με τις μπαταρίες ή με έναν συνδυασμό και των δυο. Τα Υβριδικά οχήματα Prius και Escape είναι τέτοια παραδείγματα, καθώς και τα δυο τα αυτοκίνητα μπορούν να προωθούνται μόνο με την ισχύ της μπαταρίας. Μια μεγάλη συσκευασία μεγάλης χωρητικότητας μπαταρίας απαιτείται για την λειτουργία μόνο με την μπαταρία. Αυτά τα οχήματα έχουν μια διαχωριζόμενη πορεία ισχύος που επιτρέπει μεγαλύτερη ευελιξία στο αμάξωμα αλληλομεταπηδόντας από μηχανική σε ηλεκτρική ισχύ, με κάποιο κόστος σε πολυπλοκότητα για την εξισορρόπηση των δυνάμεων κάθε τμήματος, τα οχήματα χρησιμοποιούν μια διαφορετικού είδους διασύνδεση ανάμεσα στην μηχανή και τον κινητήρα που συνδέεται στο άκρο της κεφαλής της μετάδοσης. Το όνομα της μάρκας της Toyota για αυτήν την Τεχνολογία είναι Hybrid Synergy Drive, η οποία χρησιμοποιείται στο Prius, στο Highlander σπορ έκδοση (SUV) και στο Camry. Ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής επιβλέπει την λειτουργία ολόκληρου του συστήματος καθορίζοντας πιο μισό θα πρέπει να λειτουργεί ή εάν και τα δυο θα πρέπει να είναι σε χρήση, σταματώντας την μηχανή εσωτερικής καύσεως όταν ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι αρκετός για να παρέχει την ισχύ. Ο συνήθης τρόπος λειτουργίας είναι μόνο με ηλεκτρική ισχύ, με την μηχανή καυσίμου να λειτουργεί Σελίδα25

33 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων μόνο σε περιπτώσεις όπου απαιτείται επιπλέον ισχύς ή όταν οι μπαταρίες είναι εκφορτισμένες. Το Υβριδικό αμάξωμα του Prius σε συνδυασμό με αεροδυναμικές και βελτιστοποιήσεις στην ίδια την μηχανή για την μείωση της αντίστασης έχει σαν αποτέλεσμα το κέρδος % σε οικονομία καυσίμου σε σύγκριση με τα 4- πορτα συμβατικά αυτοκίνητα παρόμοιου βάρους και μεγέθους. Εικόνα 6.3 Πλήρως Υβριδικό 6.6 ΣΥΝΔΥΑΖΟΜΕΝΟΥ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Η General Motors, η B.M.W και η Daimler Chrysler συνεργάζονται για ένα ονομαζόμενο διπλού τύπου υβριδικό σύστημα το οποίο είναι ένα πλήρως υβριδικό συν την προσθήκη βελτιώσεων αποδοτικότητας. Η τεχνολογία θα εκδώσει το 2008 το Chevrolet Tahoe Hybrid. Η κύρια διαφορά με το Υβριδικό σύστημα Διαχωρισμένης Εισόδου είναι η προσθήκη ενός δεύτερου πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων και η προσθήκη δεύτερου συμπλέκτη (που στην πραγματικότητα μπορούν να λειτουργούν σαν ένας). Αυτό καθιστά υπεύθυνο το ξεκίνημα λειτουργίας (δυο τύποι) του ποσοστού μηχανικά ενάντια στην ηλεκτρικά μεταδιδόμενη ισχύ και για να ανταπεξέρχονται και με χαμηλή και με υψηλή ταχύτητα. Εντούτοις δε μπορούν να υπάρχουν διαγράμματα που να εξηγούν τις αναλογίες των 4αρων στοιχείων του κιβωτίου ταχυτήτων ( και γιατί αυτό θα έθετε όρια στην ταυτόχρονη χρήση των δυο αυτών κινητήρων). Πιο πιθανά μια προσθήκη ενός 3 ου σαν το Ravigneux πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων με επιπρόσθετους συμπλέκτες χρησιμοποιείται για την ανύψωση μεταξύ των ευδιάκριτων τελικών αναλογιών του κιβωτίου. Σελίδα26

34 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων Εικόνα 6.4 Chevrolet Tahoe Hybrid 6.7 ΔΙΑΧΩΡΙΖΟΜΕΝΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Το υβριδικό σύστημα της Toyota THS/ ο Hybrid Synergy Drive τύπος λειτουργίας με μόνο μια απλή διάταξη διαχωρισμού ισχύος (ενσωματωμένη σαν ένα απλό τριαξονικό πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων) καλείται γενικότερα Υβριδικού τύπου διαχωρισμένης εισόδου, εξαιτίας του γεγονότος ότι ένα καθορισμένο ποσό ροπής μεταφέρεται διαμέσου της ηλεκτρικής οδού από την μηχανή στους τροχούς. Αυτό στην συνέχεια κάνει αυτήν τη διάταξη πολύ απλή σε μηχανικούς όρους όμως έχει κάποια μειονεκτήματα. Για παράδειγμα η μέγιστη ταχύτητα είναι περιορισμένη κυρίως στην ταχύτητα του μικρότερου Υβριδικού κινητήρα. Επίσης η αποδοτικότητα της μετάδοσης εξαρτάται από το ποσό της ισχύος που μεταφέρεται από την ηλεκτρική οδό, καθώς πολλαπλές μετατροπές, όλες αυτόνομες, με μικτή αποδοτικότητα οδηγούν σε μια χαμηλή αποδοτικότητα αυτής της οδού(ν0,7) σε σύγκριση με την αμιγώς μηχανική οδό (Ν0,98). Ιδιαίτερα σε καθεστώτα υψηλότερης ταχύτητας (>120 km/h ή 70 mph) η αποδοτικότητα (μόνο της μετάδοσης ) πέφτει κάτω από εκείνη της αυτόματης μετάδοσης με υδροδυναμικό σύνδεσμο. Η κύρια αρχή της λειτουργίας αυτού του συστήματος είναι η λίγο ή έως πολύ ή πλήρης αποσύνδεση της ισχύος που παρέχεται από την μηχανή (ή από άλλη πρωταρχική πηγή) από την ισχύ που απαιτείται από τον οδηγό. Έτσι μια μικρότερη, λιγότερο ευέλικτη μηχανή μπορεί να χρησιμοποιηθεί, η οποία είναι σχεδιασμένη για μέγιστη αποδοτικότητα (χρησιμοποιώντας συνήθως ποικιλίες του συμβατικού κύκλου ΟΤΤΟ, όπως οι κύκλοι Miller ή Atkinson). Αυτό συνεισφέρει σημαντικά πάνω απ όλα στην υψηλότερη αποδοτικότητα του οχήματος, με το αναγεννητικό φρενάρισμα να παίζει ένα μικρότερο ρόλο. Σελίδα27

35 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων Η διαφοροποιημένη ροπή ενάντια στα χαρακτηριστικά των στροφών ανά λεπτό του κινητήρα εσωτερικής καύσης και του ηλεκτρικού κινητήρα που λειτουργούν συμβατικά, μια ροπή της μηχανής εσωτερικής καύσης είναι ελάχιστα σε χαμηλότερη στροφές/λεπτό ενώ η μηχανή πρέπει να είναι από μόνη της αεραντλία. Εντούτοις η ανάγκη για εύλογη γρήγορη επιτάχυνση ενός ξεκινήματος από στάση έχει σαν αποτέλεσμα μια μηχανή η οποία είναι μεγαλύτερη απ ότι απαιτείται για πορεία σταθερής ταχύτητας. Από την άλλη ένας ηλεκτρικός κινητήρας αποδίδει μέγιστη ροπή στο σταμάτημα. Για αυτό αυτή η μηχανή ταιριάζει καλά για να συμπληρώσει την έλλειψη ροπής της μηχανής εσωτερικής καύσης σε χαμηλές στροφές/λεπτό, επιτρέποντας την χρήση μιας μικρότερης και ως εκτούτου αποδοτικής από πλευράς καυσίμου μηχανής. Ενδιαφέρουσες ποικιλίες αυτού του απλού θέματος, όπως είναι καλά γνωστό (εφαρμοσμένο στο Toyota Prius) είναι η προσθήκη ενός σταθερού συστήματος, δεύτερου πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων όπως χρησιμοποιείται στο Lexus Rx400 και Toyota Highlander. Αυτό επιτρέπει την ύπαρξη ενός κινητήρα με μικρότερη ροπή αλλά μεγαλύτερη ισχύ, παραδείγματος χάρη η προσθήκη υψηλότερης πυκνότητας ισχύος ενός τύπου Ravigneux πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων(πλανητικό κιβώτιο με 4 άξονες αντί για 3) και 2 συμπλέκτες όπως χρησιμοποιείται από το Lexus Gs450h. Θέτοντας σε λειτουργία τους συμπλέκτες η αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων από το MG2 προς τον άξονα των τροχών τίθεται σε λειτουργία, είτε για μεγαλύτερη ροπή είτε για υψηλότερη ταχύτητα( πάνω από 250 km/h, 155mhp) ενώ υποστηρίζει καλύτερη αποδοτικότητα μετάδοσης. 6.8 ΒΟΗΘΗΤΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ Τα βοηθητικά Υβριδικά οχήματα χρησιμοποιούν την μηχανή για πρωταρχική ισχύ με έναν ηλεκτρικό κινητήρα που ενισχύει την ροπή. Επίσης συνδεδεμένο σε ένα ευρέως συμβατικό αμάξωμα ισχύος. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι ουσιαστικά ένας πολύ μεγάλος κινητήρας εκκίνησης που δεν λειτουργεί μόνο όταν η μηχανή χρειάζεται να τεθεί σε λειτουργία αλλά επίσης και όταν ο οδηγός «βαδίζει στο αέριο» και απαιτεί έξτρα ισχύ. Σελίδα28

36 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων Τα Υβριδικά της Honda και συμπεριλαμβανομένου και του Insight χρησιμοποιούν αυτό το σχέδιο επηρεάζοντας την φήμη τους για σχεδιασμό μικρών, αποδοτικών μηχανών υγρού καυσίμου. Το σύστημά τους επονομάζεται Integrated Motor Assist(IMA). Τα Βοηθητικά Υβριδικά διαφέρουν λειτουργικά από τα Πλήρη Υβριδικά στο ότι δεν μπορούν να κινηθούν μόνο με ηλεκτρική ισχύ. Εντούτοις, εφόσον το ποσό της απαιτούμενης ηλεκτρικής ισχύος είναι πολύ μικρότερο το μέγεθος του συστήματος της μπαταρίας μειώνεται. Μια ποικιλία σε αυτόν τον τύπο είναι το σύστημα e-4wd της Mazda που υπάρχει στο Mazda Demio που πουλήθηκε στην Ιαπωνία. Αυτό το μπροστινής κίνησης όχημα έχει έναν ηλεκτρικό κινητήρα που μπορεί τους πίσω τροχούς όταν απαιτείται έξτρα κράτημα. Το σύστημα είναι τελείως αποσυνδεδεμένο σε όλες τις άλλες συνθήκες οδήγησης και έτσι δεν ενισχύει την απόδοση ή την οικονομία. Η Ford ονόμασε τα Υβριδικά της Honda «mild» στην διαφήμισή τους για το Υβριδικό Escape υποστηρίζοντας ότι το Πλήρως Υβριδικό σχέδιο του Escape είναι πιο αποδοτικό. Ωστόσο τα Βοηθητικά Υβριδικά δεν θα πρέπει να συγχέονται με τα πραγματικά ήπια Υβριδικά όπως το υβριδικό Chevrolet Silverado. 6.9 ΥΔΡΑΥΛΙΚΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ Ένα Υδραυλικό Υβριδικό όχημα χρησιμοποιεί υδραυλικά και μηχανικά εξαρτήματα αντί για ηλεκτρικά, μια αντλία ποικίλου εκτοπίσματος αντικαθιστά τον κινητήρα / γεννήτρια και ένας υδραυλικός συσσωρευτής αντικαθιστά τις μπαταρίες. Ο υδραυλικός συσσωρευτής που είναι ουσιαστικά μια δεξαμενή πίεσης είναι πιθανόν φθηνότερος και μεγαλύτερης διάρκειας από τις μπαταρίες. Η Τεχνολογία των υδραυλικών υβριδικών αναπτύχθηκε αρχικά από την Volvo Flygmotor και χρησιμοποιήθηκε πειραματικά σε λεωφορεία από την αρχή του 1980 και είναι μια ακόμη αρχή. Ο αρχικός σχεδιασμός περιλάμβανε ένα γιγαντιαίο βολάν για αποθήκευση συνδεδεμένο με μια υδροστατική μετάδοση αλλά αργότερα άλλαξε προς ένα απλούστερο σύστημα που χρησιμοποιεί έναν υδραυλικό συσσωρευτή συνδεδεμένο με μια υδραυλική αντλία / κινητήρας. Αναπτύχθηκε επίσης ενέργεια από την ΕΑΤΟΝ και διάφορες άλλες εταιρείες, αρχικά σε βαριά Σελίδα29

37 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων οχήματα όπως λεωφορεία, φορτηγά και στρατιωτικά οχήματα. Ένα παράδειγμα είναι το Ford F-350 Might Tonka φορτηγό που εμφανίστηκε το 2002, χαρακτηρίζει ένα σύστημα ΕΑΤΟΝ το οποίο μπορεί να επιταχύνει σε ταχύτητες οδών ταχείας κυκλοφορίας ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΥΒΡΙΔΙΚΑ Ο συμπιεσμένος αέρας μπορεί επίσης να τροφοδοτήσει ένα Υβριδικό Αυτοκίνητο με συμπιεστή υγρού καυσίμου για την παροχή ισχύος. Η MDI στην Γαλλία παράγει τέτοια αυτοκίνητα αέρος. Μια Αυστριακή Εταιρεία κατασκεύασε μια μηχανή αέρα υψηλής απόδοσης η οποία μπορεί να κάνει τα πνευματικά Υβριδικά Οχήματα περισσότερο ανταγωνιστικά. Μια ομάδα οδηγούμενη από τον Tsu-Chin Tsao, έναν καθηγητή μηχανικής και αεροδιαστήματος του UCLA, συνεργάζεται με μηχανικούς από την Ford για την ανάπτυξη και την λειτουργία της τεχνολογίας των Πνευματικών Υβριδικών. Το σύστημα είναι παρόμοιο με εκείνο ενός Υβριδικοηλεκτρικού οχήματος στο ότι η ενέργεια φρεναρίσματος εξοικονομείται και αποθηκεύεται για να βοηθήσει όσο χρειάζεται την μηχανή για την επιτάχυνση ΥΒΡΙΔΙΚΑ BIO-DIESEL ΥΨΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Τα πιο νέα Υβριδικά που ετοιμάζονται να κυκλοφορήσουν είναι τα Υβριδικά Bio-diesel υψηλής ισχύος(high Power Bio-Diesel Hybrid, HPBH). Αυτά τα αυτοκίνητα κινούνται με Υβριδική μηχανή με μια ανάμειξη καυσίμων και έχουν εξαιρετική απόδοση καυσίμου και ισχύς. Το 2006 φοιτητές από την Φιλαδέλφεια δημιούργησαν ένα HPBH αυτοκίνητο που χρησιμοποιούσε καύσιμο σόγιας, που μπορούσε να κινηθεί από 0 60 mph σε 4 sec και ακόμη να πετύχει 50 mpg. Σελίδα30

38 Κεφάλαιο 6 ο : Τύποι Υβριδικών Οχημάτων 6.12 ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΕΑΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ Είναι μια προσθήκη σε οποιοδήποτε υπάρχον απλού καυσίμου επιβατικό όχημα που το μετατρέπει σε Υβριδικό Όχημα. Πολλές μορφές αυτών έχουν επιδειχτεί και ακόμη περισσότερες βρίσκονται σε ανάπτυξη αλλά ακόμη δεν έχουν φτάσει στο εμπόριο. Σελίδα31

39 Κεφάλαιο 7 ο Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Ενός Υβριδικού Αυτοκινήτου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 7.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Η χρήση ενός Υβριδικού Αυτοκινήτου έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της κατανάλωσης βενζίνης και συνεπώς τη μείωση των καυσαερίων που εκπέμπονται κατά την καύση της. Το πρώτο Υβριδικό Αυτοκίνητο που έχει μπει στην παραγωγή έχει πετύχει τη μέση κατανάλωση βενζίνης σε 3,7 lt και 1 kwh/km. Στις ταχύτητες μέχρι 60 km/h λειτουργεί σαν υβριδικό ενώ από εκεί και μετά μπαίνει σταδιακά σε λειτουργία ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Ο ηλεκτροκινητήρας του παρέχει, όταν απαιτηθεί, πρόσθετη ισχύ για καλύτερες επιταχύνσεις. Το βάρος του φτάνει τα 1500 kg και η τελική του ταχύτητα φτάνει τα 160 km/h. Μόνο σαν ηλεκτροκίνητο έχει αυτονομία 35 km και η τελική του ταχύτητα φτάνει τα 25 km/h. Η κατασκευή των Υβριδικών Αυτοκινήτων θα περιορίσει το μειονέκτημα της περιορισμένης εμβέλειας κίνησης του ηλεκτρικού αυτοκινήτου, καθώς και του μεγάλου χρόνου φόρτισης της μπαταρίας. Σχετικά με το υψηλό κόστος ενός τέτοιου Υβριδικού Αυτοκινήτου, που θα διαθέτει μπαταρία ηλεκτροκινητήρα - βενζινοκινητήρα και τους επιπλέον μηχανισμούς, για τη φόρτιση της μπαταρίας εν κινήσει, αυτό μπορεί να μειωθεί δραστικά αν το πλήθος αυτών των Υβριδικών Αυτοκινήτων είναι μεγάλο. Και αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν δοθούν κατάλληλα κίνητρα οικονομικής μορφής στους καταναλωτές παράδειγμα μείωση φορολογίας, μείωση κόστους βενζίνης και ηλεκτρικής ενέργειας κ.τ.λ. ώστε να γίνει προσιτή και ανταγωνίσιμη η τιμή του σε σχέση με τα βενζινοκίνητα ή ηλεκτροκίνητα οχήματα. Σελίδα 32