Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2019. szeptember | Olvasson bele!

A gépkocsihajtás villamosítása

Az év végén másfél milliósra növekszik a világ, egyébként évente félmillióval bővülő hibrid gépkocsi állománya. E mennyiség kétharmada az amerikai, negyede az ázsiai-óceániai, a többi az európai kontinensen talál gazdára. Magyarország közútjain túllépte az ezret a hibridautók száma. A hibridhajtás jövőbe mutató hajtásmód, ugyanis miközben magában hordozza a gépkocsik többségi villamos hajtásának lehetőségét, bármilyen tüzelőanyagú gépkocsi mozgatásának megtakarító és környezetkímélő alternatívája.


a)

 


b)
A Lexus LS 600h mechanikus hajtóegységének kinetikai vázlata (a), és felépítése (b) 

Az üvegházhatású CO2-kibocsátás és a tüzelőanyag-fogyasztás csökkentésének visszavonhatatlan eszköze a villamos hajtásmód terjedése, a világ immár négy legnagyobb autós régiójában. Négyben, mert negyedikként Kínával, ma már nem lehet nem számolni.

Az ez irányú törekvések a meglévő technikák finomításán túl, rövidtávon elsősorban a hibrid, hosszabb távon a tüzelőanyag-cellás hajtásmódok új fejlesztésére irányulnak. A buzgalom óriási, a sorozatgyártásba vétel jóval visszafogottabb. Jelen írásunkat a hibridhajtások fejlesztésének szenteljük. Előre bocsátjuk, a hibridhajtások azért jelentősek, mert a fejlesztési potenciáljuk jóval nagyobb a belső égésűkénél.

Autózás, hálózati energiával

A legalább két különböző erőforrással hajtott, és két különböző energiatároló rendszerrel gyártott gépkocsikat hibrid járműveknek nevezzük. Erőforrásuk egyike belső égésű, a másik villanymotor. Az utóbbiból egy járművön több is beépítésre kerülhet, akár a jármű valamennyi kerekét külön villanymotor hajthatja. A hibrid járművek új minőség küszöbéhez érkeztek: legújabb változataik villamos energiatároló rendszere hálózatról utántölthető. A hálózati hibrideket világszerte elterjedt angol elnevezéssel, plug-in hibrid járműveknek (PHEV-eknek) nevezzük. A PHEV-ek sajátossága, hogy akkumulátor tárolókapacitásától és napi újratöltésétől függően, közlekedésük tisztán villamos utazás is lehet (naponta megvalósítva a villamos üzemű gépkocsi-hajtást).

A villamos energiatárolásra az elektrokémiai akkumulátorok, és az ultrakondenzátorok kombinációja kínál ígéretes megoldást. Az utóbbiak ugyanis impulzusszerű gyorsasággal kisüthetők, és átmenetileg ugyan, de jelentősen megnövelik a gépkocsi gyorsító képességét. A versenysportban az elkövetkező évek szabályai lehetőséget adnak e lehetőség, előzésben való kihasználására.

Mivel a mai villamos hajtások hatásfoka 3-4-szerese a belső égésű motorokénak, az áttörő megoldást nem a belső égésű, fosszilis tüzelőanyagokkal működő motorok, hanem a villamos hajtások fejlesztése irányában kell keresni. A tüzelőanyagok alternatívra váltásával, csak megújuló hajtóanyagok esetében érdemes próbálkozni. Főképp akkor, ha a helyi járműhasználathoz elegendő megújuló energiaforrás áll rendelkezésre.


a)


b)
A Mercedes-Benz párhuzamos hibrid-jármű vázlata (a), és hajtómotorja (b). EKMV: Elektromos klímakompresszor. LE: Teljesítményelektronika. ELHP: Elektromos kormányszervó. PDU: Villamos teljesítmény-elosztó  

Abban, hogy a hibridhajtás a célelérés elidegeníthetetlen eszközé válik a legközelebbi jövő új autóin, a világ mind a négy autós régiójában egyetértés van (ma már Kínával nem lehet nem számolni).

A jövő járművei ugyanis, csak a környezetre jelentősen ártalmatlanabb erőforrásokkal és üzemanyagokkal működtethetők. Ezért a közúti járművek hajtását, pusztán forráskíméletből lehet fosszilis tüzelőanyagú erőforrás(ok) használatára építeni. Alternatívaként a belső égésűkénél nagyobb hatásfokú, a környezetre ártalmatlan energiafajtát kell választani.

A dízel-hibrid európai törekvés. A dízel-hibrid megoldandó problémája a gyorsító képesség javítása. A dízelmotorú gépkocsikon ugyanis a motor kis fordulatszámról végzett felgyorsítása a turbólyuk miatt, nagy sebességen pedig a vég-fordulatszám közeli kisebb teljesítmény-dotáció növeli meg a jármű gyorsítási időigényét.


A gépkocsik villamos hajtás fejlesztésének főbb szakaszai (Ford fejlesztések)

A ma ismert lehetőségek a vázolt feltételekkel, a villamos energia hasznosításán alapuló hajtásmódokkal elégíthetők ki.

0. Fosszilis tüzelőanyagú hajtást villamos hajtással akkor érdemes kiegészíteni, ha annak légszennyező üzemállapotai - az üzemidő, mind nagyobb hányadában - kiküszöbölhetők.

1. A belső égésű motorú hajtást ma, csak másfél literesnél nagyobb motorú járműveken gazdaságos villamos hajtással kiegészíteni (hibridesíteni).

2. Hibridhajtással a személygépkocsik átlagos tüzelőanyag-fogyasztása a villanymotor teljesítményétől és a belső égésű motorral való együttműködtetésétől függően, mikro hibrideken 4, mild hibrideken 10, és full hibrideken 15%-os mértékig csökkenthetők.

3. Az utóbbi járműcsoportban az AHS-nek (Advanced Hybrid System-nek) nevezett fejlett hibridrendszer üzemű erőforrás(ok) használatára kell építeni.

Szerkezeti egyszerűsége miatt, középkategóriájú (A és B osztályú járművein) a Mercedes-Benz a párhuzamos hibrid hajtást preferálja. A legnagyobbakba viszont a GM-mel és a BMW-vel közösen fejlesztett kettős üzemű hibridhajtást építi.

A kettős üzemű hajtó rendszerben az egyik villanymotor vezérli a bolygómű napkerekét hajtó belső égésű motor áttételét és a másik motor látja el árammal az első motort, vagy hajtja a kimenő tengelyt. A hibrid hajtásnak két energiaforrása van: a belső égésű motor, és a villanymotor, amelyek egymástól független hajtónyomatékot fejthetnek ki a kimenő tengelyre és a véghajtásra.

A rendszer két üzemmódjában, négy sebességfokozattal, hat üzemállapot hozható létre.

• Az egyszeres és kétszeres teljesítmény-elágazás esetén a jármű fokozat nélkül üzemeltethető (1-ső és 2-ik üzemállapot).

• A rendszer két villanymotorjának egybekapcsolásával, egyszeres teljesítmény-elágazással, a jármű villamos üzemmódban, 1-es, 2-es, 3-as, és 4-es fokozatban működtethető (3-ik, 4-ik, 5-ik, és 6-ik üzemállapot).


A General Motor hibrid jármű gyártási tervei


A PHEV akkumulátorok-feltöltési energiaigényének háromnegyede este 22 és 06 óra, egynegyede reggel 06 és 10 óra között merül fel

A Mercedes-Benz szerint a jövő hibridstratégiáját a modularizálás és a szabványosítás határozza meg. Ezen belül, a hibridspecifikus alkatrészek kialakítását a start-stop rendszer, az integrált villamos gépek, a teljesítményelektronikák, a skálázható (a nagyobb igénybevételhez is jól alkalmazkodó) akkumulátor rendszerek, és mellékhajtások, a hibridesítés mértékétől függő kombinációja határozza meg. Mindez a hibrid erőátviteli rendszer számára a járművön belül, és kívül egyaránt széles alkalmazásra és kooperációra ad lehetőséget.

Plug-in hibridek

Hogyan tudják csökkenteni a PHE-autók a kőolaj-függőségét és lassítani a globális felmelegedést?

hirdetés

A hibrid gépkocsi a belső égésűt kiegészítő, nagyobb hatásfokú villamos részüzeme miatt takarékosabb az előbbinél. A PHEV-járművek náluk is kevesebb tüzelőanyagot fogyasztanak. Úgy, hogy a hajtóenergiát jelentős (a fejlesztések eredményeképp, mind nagyobb) részben hálózati energiából nyerik. Nagyobb hatásfokú villamos üzemüknek csak az energiatároló akkumulátoruk tároló képessége szab határt. Kedvezőbb hatásfokuk miatt takarékosabbak, éghajlatkímélőbbek, mérséklik a nemzeti energia-függőséget és jelentősen csökkentik a fosszilis tüzelőanyag-fogyasztást.


PHEV-et üzemeltető családi házának kapcsolódása a villamos hálózathoz (USA terv)


A Prius II tetőfelületére telepített napelemek néhány 100 wattos energiatermelése is segíti a jármű áramellátását

A plug-in hibridek előnyeinek alapja a villamos hajtás részarányának és az akkumulátorban tárolt töltés mennyiségének növelése. Kellően nagy töltésmennyiség esetén ugyanis arra is mód nyílik, hogy a jármű a belső égésű motor beindítása nélkül, a teljes napi menetidőben villamos hajtással közlekedjen. Főleg akkor, ha a napi járműhasználati úthossz, az esetek 85%-ában, kevesebb 96 kilométernél (60 mérföldnél). Más adatok szerint az USA személyautók 78%-ának napi futásteljesítménye kevesebb 64 kilométernél (40 mérföldnél). Ilyenkor az akkumulátor estig kimerült villamos energiája, reggelre, éjszakai tarifával, a napi benzinköltség töredékéért utántölthető.

Amíg a szokásos hibridhajtásokkal 4-15%-kal csökkenthető a gépkocsik tüzelőanyag-fogyasztása, plug-in hibridhajtással 70%-nál nagyobb fogyasztás-csökkenés is elérhető.

A plug-in hibrid hajtás lassú térhódítását ma is jelentős társadalmi érdeklődés kíséri. A velük beszivárgó villamos hajtásmód ugyanis élénkíti a gazdaságot. E hatás felébresztéséhez a japánok hibridszorgalmazó eltökéltsége és az amerikai villamos mérnökök öntevékenysége kellett. Ma már olyan személyiségek állnak a közlekedési energiastruktúra megújító törekvések élére, mint Arnold Schwarzenegger, a legnagyobb járműállományú USA-tagállam kormányzója, és Barack Obama, demokrata-párti elnökjelölt. Szándékait tükröző programját a következő intézkedések bejelentése jelzi.

Obama célja, növekedési konszenzus a jövő energiafajtáinak kiválasztásában, a fosszilis (kőolaj eredetű) energiafajták használatának csökkentésével és megfelelő helyettesítő (biotüzelőanyag) energiaellátó kapacitások kiépítésével.

A tisztán villamos hajtásmódok elterjesztése hibridjárművek használatával. Megfelelő hibridhajtással egyidejűleg a tüzelőenyag-költségek is megfelezhetőek és az energiafölöslegek visszatáplálhatók az energiaellátó hálózatba.

Mindezt a tiszta energiák és az átlagosnál takarékosabb hajtásmódok használatának állami ösztönzésével.

Hogy miért fontos ez a világ, Európa és benne hazánk számára? A követendő célok és a célelérés mintáinak megválasztásáért, a tévelygő kutatások és ráfordítások kiküszöböléséért.

Optimális fogyasztás

Hogyan tudják csökkenteni a PHE-autók a kőolaj-függőségét és lassítani a globális felmelegedést? Úgy, hogy teljesítményfelvételük nem haladja meg egy hajszárítóét!

PHE-járművek megtakarításai akkumulátor-feltöltési energiaigényének háromnegyede este 22 és 06 óra, egynegyede reggel 06 és 10 óra között merül fel.


A tavaszi pekingi autó-kiállításon bemutatott kínai BYD, F3DM típusú PHEV járműve, még az idén gyártásra kerül. Képünk a jármű nyitott motorterét szemlélteti

Az Egyesült Államokban 100 ezer PHEV akkumulátorainak egyidejű feltöltéséhez 220 megawattnyi teljesítményű erőmű áramtermelése szükséges. Ez kevesebb, mint a fele a hagyományos erőmű-kapacitásigénynek.

Az USA-ban a személygépkocsi állományán felét kitevő PHEV autók éjszakai árammal való ellátása 2050-ig, a villamos áramtermelés 8, az erőmű kapacitás 4%-os bővítését igényli.

A PHEV-járművek legfőbb sajátossága a 20-60 mérföldnyi út, tisztán villamos hajtású megtételéhez elegendő töltést tároló, néhány óra alatt feltölthető akkumulátor.

A PHEV-járművek várható térhódítása a napi járműhasználati szokások pontos felmérésén, elegendő töltést tároló, néhány óra alatt feltölthető akkumulátorok elterjesztésén, az éjszakai áram völgyidőszaki árkedvezményeinek kihasználásán, és megfelelő erőmű-kapacitások kiépítésén alapul.

A példa jó, kövessük!

Öntevékeny amerikai villamos mérnökök szerint az akkumulátorfajta megválasztásával, a cellaszám megfelelő növelésével, napi 20-60 mérföldnyi út, tisztán villamos megtételéhez elegendő töltést tárolására alkalmas, néhány óra alatt feltölthető akkumulátorok építhetők.

Menetpróbáik azt mutatták, hogy ilyen akkumulátorokkal kiegészített Prius II-kel 100 mérföld/gallont meghaladó fogyasztási értékeket is el lehetett érni.

Korszerű akkumulátorok és szuperkondenzátorok tároló képességének megfelelő arányú megválasztásával az AFS cég Trinity elnevezésű PHEV járművének fogyasztását 1,57 liter/100 km-re sikerült lefaragni!

A fejlesztési megoldásokat internetre tették, és mozgalmakat indítottak eredményeik bemutatására, az akkumulátor- és az autógyártók PHEV-gyártás beindításra való ösztönzésére.


Az AFS cég Trinity elnevezésű PHEV járművének fogyasztását 1,57 liter/100 km-re sikerült lefaragni!

Időközben a környezetvédelmi hatóság (EPA) és az SAE is módszereket és szabványokat dolgozott ki az építendő járművek minőségi és teljesítménykövetelményeikre.

Az autógyártók maguk is kipróbálták, az autóipar nagy kiállításain világszerte bemutatott járműveiket, és láss csodát! Ma már Japánon, Európán, Kínán és Dél-Koreán keresztül, minden jelentős autógyártó beállította termékfejlesztési programjába a jövőformáló PHE-járműveket.

A hibridjárművek hatékonyan csökkentik a közlekedés kőolajszükségletét, mivel gyorsabbá, tisztábbá, biztonságosabbá és gazdaságosabbá teszi a tüzelőanyag-felhasználást. A plug-in hibridek mindezt csak fokozzák. Ezért a villamos energia, a kőolajénál hatékonyabb felhasználhatósága miatt, a közlekedés elsődleges energiaforrásává, várhatóan a villamos energiát teszik, miközben az autóipar olyan sikertermékévé válnak, amellyel a legtöbbet a felhasználók nyernek, és a legtöbbet az olajcégek veszítenek.

A plug-in hibridekben rejlő lehetőségek megfelelő kihasználása előkészületeket igényel. Mindenekelőtt a primer infrastruktúra megelőző fejlesztésével. Olyan erőmű többletkapacitás rendszerbe állításával, amely nem akkor kezdi kielégíteni, az igényeket, amikor erőmű-kapacitás hiányában az plug-in hibrid járművek a belső égésű motorjaik használatával, környezetszennyező és tüzelőanyag-pazarló módon közlekednek.

Zéró toleranciánk már van. Megkaptuk. Most a zéró-benzinnel, zéró-gázolajjal, zéró-emisszióval közlekedő autókért kellene tenni, hisz az beláthatóan jó dolog. A költővel szólva: „Nem elég a jóra vágyni, a jót akarni kell! És nem elég akarni, De tenni, tenni kell”(Váci Mihály: Még nem elég).

Petrók János


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés