Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Hybridní pohony osobních automobilů Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Martin Hrabal
Brno 2011
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Hybridní pohony osobních automobilů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………………. podpis diplomanta ……………………….
PODĚKOVÁNÍ Zde bych rád poděkoval panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za ochotu, důležité rady a pomoc při tvorbě této práce. Dále děkuji rodičům za poskytnutí zázemí a dobrých studijních podmínek.
ABSTRAKT Moje bakalářská práce „Hybridní pohony osobních automobilů“ se zabývá hybridními technologiemi používanými pro pohon automobilů. Nejprve popisuji historii hybridních pohonů a následně pak jednotlivé typy uspořádání. Zaměřil jsem se na nejperspektivnější a běžně používaná řešení a na příkladech popisuji jednotlivé druhy a části hybridního pohonu a jeho funkčnost. Dále se v bakalářské práci věnuji emisním normám a českému trhu s automobily, kde zmiňuji běžně dostupné modely s hybridním pohonem a také shrnuji výhody a nevýhody spalovacího motoru a hybridního pohonu.
Klíčová slova: hybridní pohony, spalovací motor, elektromotor, palivový článek, akumulátory, emise, spotřeba paliva
ABSTRACT My barchelor thesis „Hybrid drives for passenger cars“ deals with the hybrid technologies used to drive cars. Firstly I describe the history of hybrid drive, and then various types of the system. I focused on the most promising and commonly used arrangement and examples illustrate the types and parts of the hybrid drive and its functionality. Furthermore I devote in the barchelor thesis the emission standards and the Czech market with cars, where I mention currently available models of cars with this hybrid drive and I also summarize the advantages and disadvantages of combustion engine and hybrid drive.
Keywords: hybrid drive, combustion engine, electric motor, fuel cell, battery, emission, fuel consumption
OBSAH
1
ÚVOD ..................................................................................................................... 7
2
CÍL PRÁCE ......................................................................................................... 8
3
HISTORIE VÝVOJE HYBRIDNÍHO POHONU ................................. 9
4
KONCEPCE HYBRIDNÍHO POHONU ................................................ 12 4.1
Paralelní hybridní uspořádání ................................................................. 12
4.1.1
Systém IMA - Honda.............................................................................. 13
4.1.2
ActiveHybrid 7 - BMW .......................................................................... 14
4.2
Sériové hybridní uspořádání.................................................................... 16
4.2.1.
4.3
Kombinované (sériově-paralelní) hybridní uspořádání .................... 18
4.3.1
Hybrid Synergy Drive – Toyota ............................................................. 18
4.3.2
Plug-in hybrid ......................................................................................... 21
4.3.3
Zásobníky elektrické energie .................................................................. 21
4.4
5
Technologie VOLTEC - GM.................................................................. 17
Hybridní uspořádání s palivovými články ........................................... 25
4.4.1
Palivový článek....................................................................................... 26
4.4.3
Výroba a využití vodíku ......................................................................... 28
VLIV HYBRIDNÍHO POHONU NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ ..... 30 5.1
Emisní normy .............................................................................................. 30
6
POROVNÁNÍ HYBRIDNÍHO A KONVENČNÍHO POHONU .... 32
7
TRH HYBRIDNÍCH VOZIDEL V ČR ................................................... 34
8
ZÁVĚR ................................................................................................................ 36
9
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...................................................... 37
10 SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................... 39
1
ÚVOD S neustále rostoucím počtem automobilové dopravy se zvyšuje počet škodlivin
vypouštěných do ovzduší. To má velký dopad na životní prostředí a v konečném důsledku i na zdraví člověka. Snahou je eliminovat především plyny způsobující skleníkový efekt tzv. skleníkové plyny, mezi něž patří i oxid uhličitý, který je produkován mimo jiné právě z dopravy. Automobily s hybridním pohonem mají za cíl, snížit znečištění ovzduší výfukovými plyny. Hybridní automobily mají dva zdroje energie a mohou jezdit jak na spalovací motor, tak čistě jen na elektřinu nebo ve vzájemné spolupráci (dle koncepce), čímž snižují spotřebu paliva a množství produkovaných emisí. Jejich provoz by tedy měl být nejen ekologicky, ale také ekonomicky přívětivější. Hybridní uspořádání se jeví jako perspektivní řešení, a to především jako mezistupeň mezi automobily na klasický spalovací motor a elektromobily. Vzhledem k celosvětovému tlaku úřadů na snižování produkce emisí a nejistým zásobám ropy, je tento typ pohonu v současnosti nejvíce podporován a neustále se, vlivem pokrokových technologií, vyvíjí.
7
2
CÍL PRÁCE Cílem této práce je popis a zhodnocení osobních automobilů s hybridními
pohony z hlediska jejich koncepčního uspořádání a porovnání s běžným spalovacím motorem. Porovnávány jsou výhody a nevýhody obou typů pohonů s ohledem na jejich technicko-ekologické parametry jako je: spotřeba paliva, práce elektricky činná, výkon, účinnost, jízdní vlastnosti a jejich vliv na životní prostředí a produkci emisí.
8
3
HISTORIE VÝVOJE HYBRIDNÍHO POHONU Historie hybridního pohonu sahá až k samotnému počátku vývoje automobilů
jako takových. Na přelomu 19.a 20. století měl dokonce elektrický pohon se svými parametry přednost před spalovacím motorem. Nakonec však, vlivem levné ropy a vylepšení spalovacího motoru s elektrickým startérem, došlo k masovějšímu rozšíření spalovacího motoru. Hybridní pohon se poprvé objevil v roce 1898 a jeho vynálezce byl Ferdinand Porsche (český rodák, narozen ve Vratislavicích nad Nisou). Porsche vymyslel na tehdejší dobu nevídané řešení. Zážehový motor využil k pohonu dynama, které nabíjelo několik akumulátorů. Energie z nich pak přecházela rovnou do elektromotorů v předních kolech. Šlo tedy o obdobu sériového hybridu, který je i dnes používán v moderních hybridních automobilech. Toto auto nazývané Mixte a vyráběné v továrně Lohner dokázalo ujet až 50 km maximální rychlostí 50 km/h a stalo se obrovskou senzací na světové výstavě v Paříži roku 1900. [4]
obrázek 1: Hybridní automobil Lohner-Porsche Mixte [4]
V roce 1915 vytvořila společnost Wood Motor Vehicle systém pohonu Dual Power. Šlo v podstatě o paralelní hybrid, neboť elektromotor pracoval v nízkých rychlostech a v případě potřeby zvýšení rychlosti se zapojil benzinový agregát. [4] Koncept hybridního pohonu byl pak znovu zvažován pro použití až po 40 letech. Ve Spojených státech amerických se totiž palčivým problémem stalo znečištění ovzduší, a tak se hledali způsoby, jak toto znečištění snížit. Americké automobilky v čele s General Motors začaly s hybridními automobily experimentovat a vzniklo
9
hodně prototypů a přestavěných automobilů. Důležitou roli v tomto období hrál Victor Wouk, který si byl vědom toho, že jedním z důvodů proč nedošlo k většímu rozšíření hybridů byla nedostatečná kapacita tehdejších baterií. Wouk se podílel na využití nových Ni-Cd a lithiových baterií v hybridních automobilech. Jeho projekty na vývoj a testování hybridního automobilu však nebyly nikdy dotaženy do konce. V 70. letech nakonec americká vláda a úřady přestaly vývoj hybridních automobilů podporovat a hybridní technologie se tak stala neperspektivní a automobilky se začaly zabývat vývojem elektromobilů. [4] Další důležitým mezníkem ve vývoji hybridních automobilů bylo tzv. regenerativní brždění neboli rekuperace. To se poprvé objevilo v roce 1979 ve voze Opel GT, který jeho majitel David Arthurs vlastnoručně přestavěl. Na konci 80. let ukázala automobilka Audi světu svůj hybridní koncept nazvaný Audi Duo, a stala se tak prvním evropským výrobcem automobilů využívající hybridní pohon. Základem byl vůz Audi 100 Avant, jehož zadní kola poháněl elektromotor Siemens o výkonu 13 koní. Přední kola pak poháněl klasický zážehový pětiválec o obsahu 2,3 litru. Elektromotor nebyl se spalovacím motorem nijak propojen a šlo tedy o dva samostatné prvky. Elektromotor využíval energie z baterií Ni-Cd dobíjených ze sítě a umístěných v prohlubni zavazadlového prostoru. Řidič tak mohl volit mezi dvěma režimy jízdy - v městském provozu na elektrický pohon a mimo město na spalovací motor, který však měl v důsledku vyšší hmotnosti vozu o přidané baterie paradoxně vyšší spotřebu. [11]
obrázek 2: Uspořádání Audi Duo I. generace [11]
10
Ve druhé generaci bylo použito silnějšího elektromotoru o výkonu 29 koní a benzinového motoru o obsahu 2,0 litru. Nápravy byly propojeny mezinápravovým diferenciálem Torsen a oba motory tak již mohly pracovat současně. [11] Třetí generace Audi Duo postavená na základě Audi A4 Avant využívala spojení vznětového motoru 1.9 TDi a elektromotoru o výkonu 29 koní. Olověné baterie mohly být dobíjeny jednak ze sítě (plug-in) a jednak během jízdy pomocí spalovacího motoru. Tento vůz se dostal do sériové výroby avšak vyrobeno bylo pouze 60 kusů. [11] V roce 1992 oznámila japonská vláda, že v rámci programu „Smlouva na ochranu země“ začne vyvíjet automobily s co nejnižšími emisemi. A tak se již za pět let, v roce 1997, objevila Toyota Prius, vůbec první masově vyráběný a prodávaný hybridní vůz. Její cena byla přibližně poloviční oproti Audi Duo III. Prius první generace se systémem THS (Toyota Hybrid System) byl vybaven benzinovým motorem s obsahem 1,5 litru o výkonu 43 kW a elektromotorem o výkonu 30 kW. Jednalo se o tzv. full hybrid, což znamená, že vůz je schopen čistě elektrické jízdy bez produkce emisí. Oba motory tak mohou pracovat, buď společně nebo každý zvlášť. Dodnes se Priusů prodalo přes milion kusů a vyrábí se už ve 3. generaci. [4]
obrázek 3: Toyota Prius I. generace [4]
Japonsko se tak stalo v současné době průkopníkem ve vývoji vozů poháněných spalovacím motorem a elektromotorem. Dnes jsme svědky značného rozmachu alternativních pohonů a hybridní technologie už nejsou dominantou pouze Japonska, ale jsou předmětem zájmu také evropského automobilového průmyslu.
11
4
KONCEPCE HYBRIDNÍHO POHONU Hybridní pohon je takový pohon, který využívá kombinace několika zdrojů
energie pro pohon jednoho dopravního prostředku. Může se jednat o různé kombinace např. spalovací motor – elektromotor – akumulátor, palivový článek – elektromotor – akumulátor, spalovací motor – setrvačník apod.. Ty se dále dělí podle uspořádání jednotlivých částí. [4]
4.1
Paralelní hybridní uspořádání Paralelně uspořádaný hybridní systém používá k pohonu kol vozidla oba zdroje
energie. U paralelních hybridních pohonů pracuje elektromotor ve dvou režimech – v motorickém chodu jako hnací jednotka a v generátorovém chodu jako zdroj energie pro dobíjení akumulátoru. Výhodou je to, že při provozu se spalovacím motorem nedochází k žádnému zhoršení jízdních a výkonových vlastností oproti normálnímu provozu vozidla. [6]
obrázek 4: Schéma paralelního uspořádání hybridního pohonu [13]
12
Současným zapnutím obou zdrojů energie je možno při nízkých otáčkách spalovacího motoru zvýšit hnací sílu. V kombinovaném provozu zůstává spalovací motor trvale zapnut, teprve při velkém zrychlení, či větší zátěži (např. při jízdě do kopce) se zařadí hnací elektromotor, čímž se zvýší krátkodobě špičkový výkon. Tímto převýšením točivého momentu poskytuje paralelní hybrid výkonovou rezervu odpovídající velkoobjemovému spalovacímu motoru. Rovněž při elektrickém provozu může být následným zapnutím spalovacího motoru zlepšena dynamika jízdy. [1]
4.1.1
Systém IMA - Honda Paralelní uspořádání hybridního pohonu používá např. automobilka Honda. Její
systém označovaný IMA (Integrated Motor Assist) nalezneme mimo jiné v modelu Insight. Insight má zážehový motor o zdvihovém objemu 1339 cm3 s výkonem 65 kW a točivým momentem 121 Nm. Elektromotor má výkon 10 kW a točivý moment 78 Nm. Při rozjezdu se nejprve zapne spalovací motor, elektromotor zde plní především podpůrnou funkci např. při zrychlování. Jakmile však ustane tlak na pedál plynu nebo auto brzdí začnou se dobíjet baterie. Při ustálené jízdě vyššími rychlostmi je elektrická asistence neaktivní a naopak při ustálené jízdě nízkými rychlostmi je Honda schopna jet čistě jen na elektřinu. Někdy bývá tento systém označován jako mild hybrid. [5]
obrázek 5: Hybridní pohon IMA v Hondě Insight
13
Insight dosahuje kombinované spotřeby 4,4 litrů na 100 kilometrů. K úsporám paliva dochází mj. díky odpojení zapalování a uzavření ventilů při brždění. Tento princip využívá systém VCD (Variable Cylinder Management), který uzavírá válce v případech, kdy je potřeba jen malý točivý moment – například při jízdě nízkou rychlostí. Spalovací motor pak běží naprázdno a Insight je poháněn výhradně elektromotorem. Převodovka s plynule měnitelným převodem (CVT) přispívá k tomu, aby systém IMA pracoval při optimální účinnosti. Produkce emisí CO2 činí 101 g/km. [5]
4.1.2
ActiveHybrid 7 - BMW Hybridní pohon ActiveHybrid od BMW pracuje na podobném principu jako ten
v Hondě Insight. Jde tedy o tzv. mild hybrid což znamená, že elektromotor má pouze pomocnou funkci a vykrývá neefektivní režimy spalovacího motoru. Třífázový synchronní elektromotor je v BMW ActiveHybrid 7 umístěn mezi spalovací motor a hydrodynamický měnič osmistupňové automatické převodovky. Fakticky je elektromotor ve tvaru tenkého disku přímo spojen s klikovou hřídelí spalovacího motoru. Malé rozměry a hmotnost elektromotoru jen 23 kg usnadnily snadnou integraci do hnacího ústrojí [7]
obrázek 6: Hnací ústrojí BMW ActiveHybrid 7
14
Elektromotor má nejvyšší výkon jen 15 kW, v generátorovém režimu pak 20 kW, kterými dobíjí lithiový akumulátor. Nejvyšší točivý moment činí 210 Nm. Celkový systémový výkon hybridní soustavy je 342 kW, točivý moment pak 700 Nm. Samotný osmiválec disponuje 330 kW mezi 5500 a 6000 min-1, točivý moment vrcholí 650 Nm mezi 2000 a 4500 min-1. V BMW ActiveHybrid 7 jsou instalovány dva elektrické okruhy. Standardní 12 V a vysokonapěťový 120 V. Do něj je zapojen kompaktní lithiový akumulátor (hmotnost 27 kg, rozměry 37 × 22 × 23 cm) umístěný u zadní nápravy. Na vysokonapěťový okruh je napojen kompresor klimatizace, takže komfort na palubě vozidla není závislý na běhu spalovacího motoru jako u konvenčních automobilů. [7]
obrázek 7: Uspořádání a hlavní části hybridního pohonu BMW ActiveHybrid 7
Při porovnání BMW ActiveHybrid 7 a konvenčního modelu BMW 750i (oba mají stejný osmiválcový motor) je vidět snížení papírově udávané kombinované spotřeby paliva u hybridní verze o 2 litry na 9,4 l/100 km (oproti 11,4 l/100 km u 750i). Ve zrychlení z 0 na 100 km/h je hybrid lepší o tři desetiny sekundy (4,9 s oproti 5,2 s), ačkoli je o 100 kg těžší. Rozdíl je i v množství produkovaných emisích CO2: 219 g/km (hybrid) oproti 266 g/km (750i) ), tj. u hybridního pohonu došlo ke snížení emisí CO2 o 8,2%. [7]
15
4.2
Sériové hybridní uspořádání Struktura pohonného systému u sériového uspořádání vypadá tak, že
elektromotor a spalovací motor jsou zapojeny za sebou. Někdy bývá tento typ hybridních aut označován jako E-REV (Extended Range Electric Vehicle) – elektromobil s prodlouženým dojezdem, protože sériové hybridy mají blíž spíše ke klasickým elektromobilům. Spalovací motor zde totiž slouží jako generátor energie pro elektromotor případně baterie. Je možné, aby pohonný systém odebíral energii najednou z baterie i z generátoru, pokud je třeba vysokého výkonu.
obrázek 8: Schéma sériového uspořádání hybridního pohonu [13]
Některé automobily využívají jeden elektromotor pro pohon celého automobilu, ale je možné umístit do vozu elektromotorů více (např. v nábojích kol). Výhodou je, že spalovací motor může být provozován ve velmi úzkém rozsahu otáček, nebo dokonce při jedněch otáčkách. Tím odpadají nehospodárné body pracovní charakteristiky jako je volnoběh nebo spodní rozsah částečných zatížení, motor tedy může být nastaven na optimální pracovní rozsah s nejvyšší účinností, čímž zároveň snižuje svoji spotřebu paliva. Nevýhodou tohoto uspořádání je vícenásobná přeměna energie. Mechanická účinnost mezi spalovacím motorem a hnanou nápravou nedosahuje zpravidla ani 55%. [2]
16
4.2.1. Technologie VOLTEC - GM Systém VOLTEC vyvinutý koncernem General Motors používá ke svému pohonu Opel Ampera a jeho americké dvojče Chevrolet Volt. Jsou poháněni elektromotorem o výkonu 111 kW (150 k) a točivém momentu 370 Nm. Pohonná jednotka je napájena z 220 lithiových článků uspořádaných ve tvaru písmene T s celkovou kapacitou (prací elektricky činnou) 16 kWh a hmotností 180 kg. Akumulátory lze samozřejmě nabíjet i z běžné elektrické zásuvky o napětí 230 V. [12]
obrázek 9: Sériové uspořádání pohonu v Opelu Ampera
Baterie vydrží v závislosti na provozních podmínkách od 40 do 80 km, poté se uvede v činnost zážehový motor o objemu 1,4 litru, který slouží jako generátor elektrické energie. Oproti běžným elektromobilům má Ampera pochopitelně výhodu v delším dojezdu, který činí až 500 km. Maximální rychlost sériové Ampery Opel uvádí 161 km/h a zrychlení z 0 na 100 km/h okolo 9,0 s. Při jízdě na energii z baterií má vůz nulové emise CO2. Pokud je vůz v režimu prodlouženého dojezdu tj. pokud spalovací motor vyrábí elektrickou energii a dobíjí baterie, spotřebovává 1,6 litrů benzinu na 100 km a emise CO2 se drží pod hranicí 40 g/km, což je o poznání méně než u konvenčního spalovacího motoru. [12] Výhodou jízdy na elektromotor je tichý chod, okamžitý nástup výkonu a točivého momentu.
17
4.3
Kombinované (sériově-paralelní) hybridní uspořádání Kombinované uspořádání je vybaveno tzv. děličem výkonu. Ten zajišťuje, aby
tok výkonu spalovacího motoru šel ke kolům buďto mechanickou cestou (paralelní hybrid) nebo elektrickou (sériový hybrid). O tom kolik procent výkonu půjde mechanickou či elektrickou cestou rozhoduje režim, ve kterém se vůz nachází. Jsou to například akcelerace, jízda nízkou rychlostí (město), vysokou rychlostí (dálnice), prudká akcelerace, jízda z kopce, brzdění. V současnosti je tato technologie nejvíce používaná pro pohon hybridů. Vozy s kombinovaným hybridním uspořádáním bývají často nazývány jako full hybridy.[13]
obrázek 10: Schéma kombinovaného uspořádání hybridního pohonu [13]
4.3.1
Hybrid Synergy Drive – Toyota Technologie Hybrid Synergy Drive (HSD) se poprvé představila v prvním
Priusu v roce 1997 (tehdy ještě nazývaná jako Toyota Hybrid System). Od té doby prošla dalším vývojem a zdokonalením až do současné podoby třetí generace. Obdobný systém nazývaný Lexus Hybrid Drive používá ve svých modelech i dceřiná značka Lexus.
18
Prius třetí generace je vybaven zážehovým motorem o objemu 1,8 litru a výkonu 73 kW při otáčkách 5200 min-1, který pracuje v Atkinsonově cyklu a synchronním elektromotorem s permanentním magnetem o výkonu 60 kW a točivém momentu 207 Nm. Kombinovaný výkon automobilu činí 100 kW (136 k). Jako zásobník energie slouží sada akumulátorů Ni-MH (nikl-metal-hydrid) s jmenovitým napětím 201,6 V které jsou uložené vzadu pod podlahou (hmotnost 39 kg). Důležitou součástí hybridního systému je měnič DC/AC stejnosměrného proudu na střídavý (akumulátory/motor). [1]
obrázek 11: Sériově-paralelní hybrid Toyota Prius III [10]
Centrálním místem mechaniky hybridního systému Toyoty Prius II je elektronicky řízená planetová převodovka E-CVT (Electronically Continuously Variable
Transmition).
Změnou
otáček
střídavého
synchronního
generátoru
(alternátoru), spalovacího motoru a elektromotoru se napodobuje funkce klasické variátorové bezstupňové převodovky CVT, takže zrychlování a zpomalování vozidla probíhá bez rázů. [1] Při běžném provozu řídí elektronika koordinaci výkonu zážehového i elektrického motoru tak, aby Prius spotřeboval co nejméně paliva. Při malé rychlosti (zejména v městském provozu) se zážehový motor vypíná a vozidlo je poháněno pouze elektromotorem, který odebírá energii z akumulátorů. Poklesne- li napětí akumulátorů, je prostřednictvím generátoru spuštěn zážehový motor a energie v akumulátorech se
19
opět doplní. K regeneraci energie dochází také při zpomalování nebo brždění (rekuperace). [1] V případě požadavku maximálního výkonu pomáhá elektromotor zážehovému motoru. Přechod z jednoho pohonu na druhý je naprosto plynulý. Celý systém může pracovat v několika režimech: a) rozjezd, pomalá jízda – spalovací motor je vypnutý, protože by běžel v nehospodárném režimu, vozidlo pohání jen elektromotor (A) b) normální jízda – výkon spalovacího motoru pohání, pomocí rozdělovacího soukolí, kola vozu (B) a generátor (C), který dodává proud elektromotoru. c) plná akcelerace – při plném sešlápnutí akceleračního pedálu pohání vozidlo oba motory (B,C), elektromotoru dodávají proud i baterie (A) d) decelerace a brždění – kinetická energie vozidla se využívá k pohonu elektromotoru, jenže se mění v generátor, který dobíjí baterie (A) e) dobíjení baterií – poklesne-li napětí baterií, začnou se dobíjet proudem z generátoru (D) [3]
obrázek 12: Schéma uspořádání hybridní soustavy Toyoty Prius a její funkce [3]
20
V elektrickém režimu (EV) Prius neprodukuje žádné emise a nespotřebovává palivo. Jízda je tak ekologická a velmi tichá. Ovšem i při běžné jízdě se zapnutým spalovacím motorem dosahuje Prius výborných hodnot spotřeby paliva (3,9 l/100 km v kombinovaném provozu) a produkce emisí CO2 (pouhých 89 g/km). Jen na elektrickou energii dokáže jet rychlostí 45 km/h na vzdálenost až 2 km. Poté se opět zapojí spalovací motor a začnou se dobíjet akumulátory [10]
4.3.2 Plug-in hybrid Prius se vyrábí také jako plug-in hybrid, což znamená, že baterie lze dobíjet i z běžné elektrické zásuvky 230 V. Uspořádání je stejné jako u klasického Priusu jen NiMH akumulátory vystřídaly Litino-iontové, které mají větší kapacitu (5,4 kWh oproti 1,3 kWh ve běžném Priusu), čímž zvyšují elektromobilní potenciál Priusu. Jsou však také rozměrnější a navyšují pohotovostní hmotnost automobilu na 1500 kg. Na elektřinu však můžeme ujet vzdálenost 15 - 20 km při rychlosti až 100 km/h. Záleží samozřejmě na rychlosti, stoupání, povrchu, počasí a obsazenosti automobilu.[9] Právě plug-in hybridy, které lze zdarma
dobíjet
také
na
veřejných
dobíjecích stanicích např. v garážích obchodních
center
se
jeví
jako
perspektivní řešení v oblasti hybridních automobilů a dá se očekávat, že plug-in hybridy
budou
nejširší
kategorií
automobilů s hybridním pohonem.
4.3.3
obrázek 13: Dobíjení plug-in hybridu [10]
Zásobníky elektrické energie
Akumulátory Akumulátor je technické zařízení na opakované uchovávání elektrické energie. Je to tzv. sekundární článek, který je potřeba nejdříve nabít a teprve potom je možné jej použít jako zdroj energie. Primární články dodávají energii ihned po svém sestavení a zpravidla je není možné dobíjet, například zinkouhlíkové baterie. [17]
21
Nejběžnější typy akumulátorů jsou založeny na elektrochemickém principu. Elektrochemické akumulátory využívají přeměnu elektrické energie na energii chemickou, kterou je možno v případě potřeby transformovat zpět na elektrickou energii. Procházející proud v elektrochemickém akumulátoru vyvolá vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. Z elektrod se pak dá čerpat na úkor těchto změn elektrická energie. [17] U akumulátorů jsou důležité především následující parametry: •
Měrná energie [W⋅h⋅kg-1] – podle dojezdu lze spočítat potřebné množství energie a z té následně požadovaná hmotnost akumulátorů. Nejvhodnější je samozřejmě použít akumulátory s nejvyšší hodnotou měrné energie. O prostorové náročnosti akumulátorů informuje měrná energie vyjádřená ve vztahu k objemu [W⋅h⋅dm-3].
•
Měrný výkon [W⋅kg-1] – ovlivňuje maximální rychlost a zrychlení vozu.
•
Nabíjecí doba [h] – pohybuje se v rozmezí několika hodin, dle druhu akumulátoru. Nabíjení metodou Minit Charger lze dobu nabíjení výrazně zkrátit. Princip činnosti spočívá v tom, že akumulátor je nabíjen vysokým proudem v krátkých pulsech. Když je akumulátor nabit na cca 80%, klesá nabíjecí proud, neboť nabíjení zbylých 20% kapacity akumulátoru trvá déle. Výhodou je delší životnost akumulátorů
•
Životnost – závisí na způsobu nabíjení a vybíjení, údržbě, apod.
•
Cena – jedna z důležitých vlastností akumulátorů., je však úzce spjata s ostatními parametry.
•
Údržba – správně a pravidelně prováděná údržba značně prodlužuje životnost akumulátorů.
•
Recyklace – důležitý proces na konci životnosti akumulátorů, které obsahují látky škodící okolnímu prostředí. [3]
V hybridních automobilech jsou nejčastěji používány dva druhy akumulátorů: Ni-MH akumulátory Nikl-metal hydridový akumulátor je v
současnosti jeden z nejčastěji
používaných druhů akumulátorů. Ve srovnání s jemu podobným nikl-kadmiovým akumulátorem má přibližně dvojnásobnou kapacitu a představuje menší zátěž pro životní prostředí (neobsahuje škodlivé kadmium). Hlavními důvody jeho velkého
22
rozšíření je jeho velká kapacita a schopnost dodávat poměrně velký proud spolu s přijatelnou cenou. Určité omezení představuje jeho jmenovité napětí 1,2 V (napětí plně nabitého článku je 1,4 V). [17] Záporná elektroda je tvořena speciální kovovou slitinou, která s vodíkem vytváří směs hydridů neurčitého složení. Tato slitina je většinou složena z niklu, kobaltu, manganu, případně hliníku a některých vzácných kovů. Kladná elektroda je z oxidhydroxidu niklitého – NiO(OH) a elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. [17]
obrázek 14: Ni-MH akumulátor v Toyotě Prius [10]
Li-Ion akumulátory Litino-iontové akumulátory patří k dalším nejčastěji používaným akumulátorům. K jejich výhodám patří zejména vyšší napětí článku v rozmezí 3 – 4 V a velmi vysoká hustota energie – 200 W⋅h⋅kg-1, což je třikrát vyšší hodnota než u Ni-MH. Tím pádem můžeme mít baterii s relativně vysokou kapacitou a malým objemem a hmotností. Kladná elektroda (anoda) je vyrobena z uhlíku, záporná elektroda (katoda) je z oxidu kovu (LiCoO2, LiMn2O4 či LiNiO) a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle. [17]
Superkondenzátory Superkondenzátor je perspektivním akumulátorem energie, schopným rychle akumulovat a následně odevzdat velké množství elektrické energie. Bez problémů snáší opakované nabíjení a vybíjení vysokými proudy, má dlouhou životnost, nevadí mu nízké provozní teploty a nedochází u něj k paměťovému efektu. [15]
23
Zatímco
akumulátory
ukládají
elektřinu
v
podobě
chemické
vazby,
kondenzátory ji umějí uložit v podobě elektrického náboje. Pro akumulaci elektrické energie je tedy kondenzátor nejvýhodnější, jelikož není nutné energii před akumulací transformovat do jiné formy. Každá přeměna formy energie je totiž spojena se ztrátami, případně i škodlivými vedlejšími jevy. Hlavní výhodou kondenzátorů oproti běžným akumulátorům, které pravidelně používáme, je vysoká účinnost, schopnost podat okamžitě plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost několik desítek let, mnohonásobně větší počet nabíjecích cyklů a především krátká doba nabíjení. Běžný elektrolytický kondenzátor není pro akumulaci el. energie vhodný, vzhledem
ke
své
nízké
měrné
energii
(0,01
W⋅h⋅kg-1).
Měrná
energie
superkondenzátoru, je však až 100 × vyšší. Superkondenzátor je tak předurčen k nasazení v automobilové technice, kde je schopen pojmout brzdnou energii, která je následně využitelná ke startu spalovacího motoru, nebo urychlení vozidla. [15]
obrázek 15: Řez superkondezátorovým článkem [15]
Princip uchování energie v superkondenzátoru vychází z efektu, který popsal již v roce 1856 K. Hemholtz. Jedná se o vytvoření elektrochemické dvouvrstvy po přiložení napětí na elektrody ponořené ve vodivé tekutině. Proto je superkondenzátor někdy také nazýván elektrochemickým dvouvrstvým kondenzátorem. Stejně jako u běžného kondenzátoru je zde energie uchovávána v elektrostatickém poli. [16] V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině, elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří
24
dvouvrstva se zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je omezeno hodnotou disociačního napětí, při které jsou náboje z elektrod schopny přejít k iontům v elektrolytu. Při vyšším než disociačním napětí dochází k chemickým reakcím, které vedou k vývinu vzduchu a následnému zničení kondenzátoru. U elektrolytů na bázi vody je tato napěťová hranice 1,2 V, zatímco u elektrolytů na bázi organických rozpouštědel se tato napěťová hranice pohybuje v rozmezí 2 až 3 V. [16] Elektrody superkondenzátoru jsou vytvořeny paralelním propojením porézních uhlíkových „plátů“, ponořených ve vysoce vodivém organickém elektrolytu. Elektrické připojení je realizováno spojením uhlíkového plátu s hliníkovou fólií. Jednotlivé elektrody jsou navzájem odděleny tenkými separátory z papíru, polymerů nebo skleněných vláken. [16]
4.4
Hybridní uspořádání s palivovými články Mezi další druhy hybridního pohonu patří kombinace palivový článek –
elektromotor – akumulátor. Vodík, zde nahrazuje spalovací motor jako primární zdroj energie. Jednotlivé komponenty jsou upořádány za sebou (sériově) a pracují tedy na podobném principu jako E-REV automobily. Automobily s hybridním vodíkovým pohonem bývají označovány jako FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)
obrázek 16: Pohonné ústrojí Hondy FCX Clarity
25
Vývojem vodíkového automobilu asi nejdéle zabývá Honda, která v roce 1999 představila svůj první prototyp FCX-V1 a FCX-V2. Od roku 2002 pak bylo prvních padesát prototypů FCX-V4 testováno v reálném provozu. Tento vůz se stal prvním automobilem s palivovými články, který získal schválení k provozu v USA a zájemci z Japonska a USA si ho mohli od Hondy pronajmout pro své potřeby. Od té doby se vývoj opět značně posunul vpřed, takže nová generace FCX Clarity s moderními palivovými články, kterou Honda nabízí k pronájmu nyní, v mnoha důležitých parametrech nijak nezaostává za konvenčními automobily. [14]
4.4.1
Palivový článek Palivové články jsou zařízení, v nichž na základě elektrochemických procesů
dochází k přímé přeměně vnitřní energie paliva na energii elektrickou.. První palivový článek sestrojil již v roce 1839 Angličan Sir William Grove, profesor na Londýnském Institutu. [3] Palivové články jsou díky přímé přeměně vnitřní energie paliva na energii elektrickou podobné akumulátorům. Na rozdíl od baterií (primární a sekundární články) nejsou aktivní chemické látky součástí anody a katody, ale jsou k nim průběžně přiváděny z vnějšku. Obě elektrody působí výlučně jako katalyzátor chemických přeměn, během činnosti článku se téměř neopotřebovávají a jejich chemické složení se nemění. Palivový článek se tedy nevybíjí. Pokud jsou do něho aktivní látky přiváděny trvale, může pracovat prakticky bez časového omezení. Mizí zde tudíž pojem kapacita článku. Kromě napětí se proto mezi charakteristické parametry řadí i velikost proudu či výkonu odebíraného z 1 dm2 (1cm2) elektrod. Často se také udává měrný výkon (W⋅kg-1), objemový výkon (W⋅dm-3) nebo výkon na jednotku plochy elektrod (W⋅cm-2). Další rozdíl spočívá v tom, že pracovní teplota většiny palivových článků je vyšší než u baterií, což se odráží jak v technologii výroby, tak i v určité době náběhu, než dosáhnou jmenovitých provozních parametrů. [3] Princip činnosti palivového článku je poměrně jednoduchý. Na zápornou elektrodu, které se říká palivová (jedná se o anodu), se přivádí aktivní látka (palivo). Ta zde oxiduje (její atomy se zbavují – často za přispění katalyzátoru – jednoho nebo několika elektronů z valenční sféry) a uvolněné elektrony představující elektrický proud se vnějším obvodem pohybují ke kladné elektrodě (katodě). Na kladné elektrodě, kam
26
se přivádí okysličovadlo naopak probíhá redukce (atomy okysličovadla volné elektrony přijímají) za současné reakce s kladnými ionty, které k ní pronikají elektrolytem. Pokud se vnější obvod se zátěží přeruší, probíhající chemické reakce se z důvodu deficitu elektronu okamžitě zastaví. Výsledkem spalování je v závislosti na pracovní teplotě článku voda či vodní pára. Průběh reakcí v palivovém článku pro případ, že palivem je vodík a okysličovadlem kyslík je znázorněn na obr. 18 [3]
obrázek 17: Schéma činnosti palivového článku [3]
Vývojem palivových článků pro pohon automobilů se už 19 let zabývá Honda, jejíž nejnovější generace vertikálních článků nese název V Flow. Palivové články slouží jako hlavní zdroj energie auta. Uvnitř dochází ke slučování vodíku uloženého v tlakové nádrži a atmosférického kyslíku. Touto reakcí vzniká energie, která je přeměněna na elektrický proud, a vodní páru. Honda FCX Clarity tak, stejně jako všechna auta s palivovými články, z výfuků nevypouští žádné škodlivé látky. [14] Ve V Flow je sériově zapojeno několik set článků. Nová konstrukce je významně kompaktnější a přináší výraznou úsporu hmotnosti i prostoru. V Flow váží 67 kg a má objem 57 litrů, výkon je 100 kW. Je umístěn ve středovém tunelu mezi přední a zadní řadou sedadel. Toto řešení je vhodné s ohledem na rozložení hmotnosti i umístění dalších komponent pohonného ústrojí. [14]
27
obrázek 18: Palivové články Honda V Flow [14]
Struktura nového článku také přináší lepší odvod odpadní vody. V praxi toto vylepšení dodává článku okamžitě po spuštění vyšší výkon. Dalším přínosem je možnost nastartovat při mrazech do -30° C. Tlaková nádrž na vodík umístěná nad zadní nápravou má kapacitu 171 litrů, vodík je v ní stlačen na 35 MPa. Toto množství stačí na ujetí 450 km. Elektřina vyprodukovaná v palivových článcích se ukládá do kompaktní 288V lithiové baterie. Je umístěna pod zadními sedadly. [14]
4.4.3 Výroba a využití vodíku Technologicky převratné auto je skvělá záležitost, ale pokud není možné pravidelně natankovat palivo, ztrácí svůj význam. Zatím je možné natankovat vodík na označených čerpacích stanicích, které se nacházejí na území USA. Naplnění nádrže je otázkou několika minut, vodíkový pohon tak na rozdíl od plug-in elektromobilu výrazně neztrácí na konvenční automobily. Honda ovšem už více než pět let pracuje na vývoji domácích čerpacích stanic vodíku. Od roku 2007 testuje čtvrtou generaci domácích stanic, které vyrábí ze zemního plynu vodík, teplo a elektřinu. Toto řešení by mělo zvýšit energetickou nezávislost domácností a přispět ke snížení emisí CO2. Takto získané teplo, elektřina a palivo pro automobil totiž sníží množství tohoto plynu vyprodukovaného průměrnou domácností s benzinovým automobilem zhruba o 30 %. [14]
28
obrázek 19: Vodíková plnící stanice [14]
S používáním vodíku je samozřejmě také spojeno riziko výbuchu. Auto je vybaveno senzory, které hlídají únik paliva z nádrže. Pokud k němu dojde, jsou uzavřeny ventily na potrubí k nádrži a spuštěno odvětrávání. V případě nehody jsou vypnuty všechny systémy s vysokým napětím, aby případný zkrat nezpůsobil explozi. Bezpečnost je zajištěna také při tankování. Tankovací zařízení je vybaveno ventilem, který brání zpětnému proudění vodíku z nádrže. Senzory také hlídají, aby nedošlo k přimíchání dalších plynů do vodíku. [14] Často diskutovaným tématem v souvislosti s vodíkovým pohonem je také dopad výroby vodíku na životní prostředí. Ten se liší podle způsobu jeho získávání. Dnes běžný proces výroby ze zemního plynu vytváří zhruba poloviční emise CO2 než výroba a spalování benzinu. Emise tohoto skleníkového plynu mohou být dále sníženy při produkci vodíku pomocí elektrolýzy vody. Pokud by energie pro tento proces byla čerpána z obnovitelných zdrojů, mohou se emise teoreticky přiblížit nule. [14]
29
5
VLIV HYBRIDNÍHO POHONU NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ Hybridní vozy jsou díky nízké hodnotě emisí přínosem pro životní prostředí.
Byť nejsou zcela bez emisní po celou dobu jízdy, nemají problém plnit nejpřísnější emisní normy a dokonce vyhovují i normám, které jsou zatím v návrhu. Je ovšem nutné zahrnout i náklady na výrobu. Stávající technologie výroby vozu se dostala díky téměř více jak stoletému vývoji na hranici, kdy lze výrobní náklady snížit a vyrobit vůz velice levně. To ale neplatí v případě hybridu. Ty jsou komplikovanější, protože mají o jeden systém pohonu navíc a náročnější na použité technologie a materiály, které doposud nebyly v automobilovém průmyslu používány vůbec, nebo jen v omezeném měřítku. Tímto příkladem jsou akumulátory. Dosažení větší kapacity, životnosti, a celkově lepších vlastností je otázkou použitého materiálu. Výroba takových akumulátorů je tedy bezesporu náročnější a může více zatěžovat životní prostředí. Tímto mnohdy argumentují odpůrci elektromobilů a hybridů. Důležité je tedy také snížit možná rizika při výrobě a navrhnout veškeré postupy tak, aby nevznikaly žádné škodlivé látky navíc. Toto je pravděpodobně cesta, kterou se bude ubírat průmysl po přechodné období, než bude vyvinuta čistší technologie. Prozatím je trend snížení znečištění ve velké oblasti na úkor zvýšení místních exhalací. Ty jsou pak snáze zachytávány regulovány a následně se s nimi lze lépe vypořádat.
5.1
Emisní normy Doprava patří k největším producentům škodlivých emisí. Jelikož nároky na
dopravu se stále zvyšují a počet dopravních prostředků roste, dochází k zvyšování koncentrace a nárůstu produkce těchto nežádoucích emisí. Zavádění emisních norem je nutný krok k snížení vypouštěných emisí do ovzduší. Od roku 1993 jsou v Evropě platné tzv. emisní normy EURO a zpravidla každé 4 roky jsou vydávány nové zpřísňující emisní normy. Tyto normy se však týkají pouze nově vyrobených vozidel. To znamená, že v praxi nařízení trápí pouze producenty a běžného uživatele se přímo nedotkne. Hlavní produkt spalovacích motorů, oxid uhličitý (CO2), však není v EURO normách uváděn. Ty jsou zaměřeny hlavně na nebezpečné a škodlivé výfukové emise mezi které patří především oxid uhelnatý (CO), uhlovodíky (HC), oxidy dusíku NOx a pevné látky (PM). [8]
30
Tabulka 1: Tabulka emisních norem [8] Název
Platnost od
EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6
1993 1996 2000 2005 září 2009 září 2014
EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5
1993 1996 2000 2005 září 2009
CO
HC
Vznětový motor 2,72 1,00 0,62 0,50 0,50 0,50 Zážehový motor 2,72 2,20 1,30 0,20 1,00 0,10 1,00 0,075
NOx -1 g.km
HC+NOx
PM
0,50 0,25 0,18 0,08
0,97 0,90 0,56 0,30 0,23 0,17
0,14 0,10 0,05 0,025 0,005 0,005
0,15 0,08 0,06
0,97 0,50 -
0,005
Dá se předpokládat, že stávající emisní normy se budou dále rozšiřovat a zpřísňovat, a budou klást důraz na výrobce automobilů, aby se nadále snižoval podíl vypouštěných emisí u nových modelů. Dalším krokem je snaha o snížení počtu starých modelů. Tyto snahy jsou však závislé na přístupu jednotlivých zemí a v plošném měřítku nemají zatím dostatečný efekt. Pouhým zpřísňováním emisních limitů nelze dosáhnout výrazného snížení či dokonce úplné eliminace vypouštěných emisí. Proto je nutné hledat možné nové řešení motorizace automobilu. Takové řešení musí splňovat několik důležitých požadavků na provoz. Stávající motory poskytují široký výkonový potenciál, zajištěnou síť čerpacích stanic a širokou základnu servisních středisek. Toto jsou zřejmě největší překážky, s kterými se nové technologie budou muset vyrovnat.
31
6
POROVNÁNÍ HYBRIDNÍHO A KONVENČNÍHO POHONU V této kapitole uvádím shrnutí hlavních předností i nedostatků hybridních
pohonů v porovnání s konvenčním pohonem pomocí spalovacího motoru. Mezi hlavní výhody hybridního pohonu patří: •
snížení spotřeby paliva a to především v městském provozu,
•
snížení produkce emisí CO2, v elektrickém režimu dokonce nulové emise
•
téměř bezhlučný chod,
•
využití obou pohonů v ideálním rozsahu otáček s nejvyšší účinností
•
rekuperace energie,
•
použití nejmodernějších technologií.
Hlavními nevýhodami pak jsou: •
v současnosti malý akční rádius tj. malý dojezd automobilu čistě na elektřinu a s tím související malá kapacita baterií a jejich poměrně energeticky náročná výroba,
•
v případě vodíku riziko výbuchu a také jeho výroba
•
málo veřejných elektrických dobíjecích míst,
•
navýšení hmotnosti vozu vlivem instalovaných akumulátorů
•
vysoká cena automobilu.
Mezi hlavní výhody konvenčního pohonu pomocí spalovacího motoru patří: •
ověřená technologie a relativně jednoduchá konstrukce,
•
velký akční rádius,
•
široká síť čerpacích stanic,
•
relativně levné palivo.
Hlavními nevýhodami pak jsou: •
malá účinnost spalovacího motoru (30-40%),
•
nevýhodný průběh výkonových charakteristik,
•
emise škodlivých látek, nešetrné k životnímu prostředí.
•
nejisté zásoby ropy jako hlavní suroviny pro výrobu benzínu
Výhody hybridního pohonu asi nejvíce vyniknou při pomalé jízdě ve městě, kdy se pomocí rekuperace energie z brždění dobíjejí akumulátory a je tak možné jezdit
32
pouze na elektrickou energii z akumulátorů a tudíž bez emisí a s nulovou spotřebou paliva. Naopak při rychlé jízdě po dálnici a zapojením spalovacího motoru v plném rozsahu výhody hybridu ztrácejí na účinnosti. Hybridní pohon, tak najde největší uplatnění pro ty, kteří automobil využívají především na kratší vzdálenosti v centrech měst a jen občas vyjedou mimo město nebo na dálnici. V budoucnu však lze očekávat, že nevýhody hybridního pohonu jako je slabá baterie, či nedostatek dobíjecích míst budou vlivem celosvětového rozvoje a podpory tohoto typu pohonu eliminovány. Právě v oblasti akumulátorů a zvyšování jejich kapacity při zachování stejných nebo dokonce menších rozměrů jsou ještě jisté rezervy a vývoj se proto ubírá hlavně tímto směrem.
33
7
TRH HYBRIDNÍCH VOZIDEL V ČR Na českém trhu s osobními automobily mají hybridní vozidla zatím jen malé
zastoupení. Poptávka po hybridních vozidlech však roste a tak se dá očekávat, že podíl hybridních automobilů na českém trhu bude růst. V tuzemsku můžeme pořídit hybridní automobily s kombinací spalovací motor a elektromotor. Automobily s palivovými články se v ČR nejsou dostupné. První hybridní automobil se začal v Česku prodávat v roce 2004 a byla to Toyota Prius II generace. Pak následovaly modely LS 600h a RX 400h dceřiné značky Lexus. Další hybrid Honda Insight se na český trh dostal až v roce 2009. V následující tabulce jsou uvedeny hybridní vozidla jednotlivých značek, která jsou v České republice nyní nabízena. Tabulka 2: Tabulka hybridních automobilů prodávaných v ČR Výrobce
Model
Prius Auris HSD GS 450h LS 600h Lexus RX 450h CT 200h Panamera S Hybrid Porsche Cayenne S Hybrid Mercedes-Benz S 400 Hybrid ActiveHybrid 7 BMW ActiveHybrid X6 Insight Honda Jazz Hybrid CR-Z Volkswagen Touareg Hybrid Toyota
Typ pohonu full hybrid full hybrid full hybrid full hybrid full hybrid full hybrid full hybrid full hybrid mild hybrid mild hybrid full hybrid mild hybrid mild hybrid mild hybrid full hybrid
Max. výkon Komb. spotřeba Emise CO2 [kW] [l/100km] [g/km] 100 3,9 89 100 3,8 89 254 7,7 179 327 9,3 218 220 6,3 140 100 3,8 87 279 7,1 167 279 8,2 193 220 7,9 187 342 9,4 219 357 9,9 231 65 4,4 101 65 4,5 104 91 5,0 117 275 8,2 193
Z tabulky vyplývá, že hybridní technologie jsou zatím doménou především luxusních modelů prémiových značek, které chtějí svým zákazníkům nabídnout možnost odlišit se a za velké peníze nabídnout i něco navíc. Ty také většinou hybridní technologii spojují s vysokovýkonnými motory a jejich konečný dopad na životní prostředí je tak diskutabilní. Výjimkou je Toyota a Honda, jejichž hybridní modely jsou cenově dostupnější a s běžnými výkonovými parametry, avšak jejich poměrně extravagantní design nevyhovuje každému. Tento problém však už japonské automobilky také vyřešily. Toyotě se její hybridní technologii z Priusu podařilo integrovat do karoserie kompaktního hatchbacku Auris, při zachování stejných
34
parametrů systému. Podobně také Honda integrovala svůj systém IMA do malého městského modelu Jazz, který je tak nejlevnějším hybridem na trhu, i když jde pouze o mild hybrid. Lexus se snaží zvýšit podíl hybridů na trhu novým luxusním kompaktním modelem CT 200h. Ten je vybaven hybridní technologií Lexus Hybrid Drive (v tomto případě technicky vycházející z Priusu) a jeho cena je přitom jen o něco málo vyšší než u Priusu. I tak je ale cena hybridů vyšší než u srovnatelných vozů s konvenčním uspořádáním. Díky šetrnosti k životnímu prostředí nabízejí některé státy EU finanční příspěvek na pořízení hybridních vozů a tím podporují jejich prodej. V České republice tento příspěvek zatím bohužel chybí. Hybridní automobil je však alespoň osvobozen od silniční daně.
obrázek 21: Lexus CT 200h [10]
obrázek 20: Toyota Auris HSD [10]
35
8
ZÁVĚR Ve své práci „Hybridní pohony osobních automobilů“ jsem se zabýval popisem
konstrukčního uspořádání vybraných druhů hybridního pohonu, jejich principem činnosti a výhodami a nedostatky v porovnání s běžným spalovacím motorem. Zaměřil jsem se také na jejich vliv na životní prostředí a produkci emisí. Protože je toto téma velice obsáhlé, věnoval jsem se především těm druhům hybridního pohonu, které považuji za nejperspektivnější řešení, pro nahrazení dosavadního konvenčního typu pohonu. Tím je především sériové uspořádání, kde malý spalovací motor pohání elektromotor a seriově-paralelní uspořádání, kde obě hnací jednotky mohou pracovat nezávisle na sobě. Perspektivní řešení je jistě i vodíkový pohon a palivové články, kde je ovšem vývoj teprve na začátku a jejich větší uplatnění pro pohon automobilů je spíše vzdálenější budoucností. Hybridní
technologie
jsou
velice
rychle
se
rozvíjejícím
odvětvím
automobilového průmyslu a v brzké budoucnosti bude jistě hybridních automobilů přibývat. K tomu je však potřeba vybudovat dostatečnou síť čerpacích stanic a hybridní technologii více zdokonalit a přiblížit běžnému řidiči. Nejvíce se hybridní pohon vyplatí při časté jízdě po městě, kde nejvíce vyniknou jeho výhody a zároveň nedochází k tak velkému znečištění ovzduší v centrech měst jako u spalovacího motoru. Nevýhodou je však vysoká pořizovací cena automobilu, která patří mezi rozhodující měřítka při nákupu vozu.
36
9
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1] JAN Z.,ŽDÁNSKÝ B., 2008: Automobily 3, Motory. Avid, Brno, 179s., ISBN 97880-87143-06-3
[2] KAMEŠ JOSEF, 2004: Alternativní pohony automobilů. BEN, Praha, 232s., ISBN 80-7300-127-6
[3] VLK FRANTIŠEK, 2004: Alternativní pohony motorových vozidel. František Vlk, Brno, 234s., ISBN 80-239-1602-5
[4] Historie hybridních aut 1., 2. a 3. díl. [online]. 2009 [cit 2011-02-26]. Dostupné z WWW:
[5] Honda Insight – Hybridní útok do nižších sfér [online]. 2009 [cit 2011-02-28]. Dostupné z WWW:
[6] autolexicon.net [online]. 2011 [cit 2011-03-03]. Dostupné z WWW:
[7] BMW Activehybrid 7: Silný ale jen mild [online]. 2009 [cit 2011-03-03]. Dostupné z WWW:
[8] EURO 5: Zdraží emisní limity automobily? [online]. 2008 [cit 2011-03-19]. Dostupné z WWW:
[9] Test Toyota Prius Plug-in hybrid [online]. 2011 [cit 2011-03-12]. Dostupné z WWW:
[10] Toyota Motor Czech s.r.o. [online]. 2011 [cit 2011-03-20]. Dostupné z WWW: ,
37
[11] Hybridní automobily – historie [online]. 2008 [cit 2011-02-27]. Dostupné z WWW:
[12] Opel Ampera - Technická data sériového vozu [online]. 2011 [cit 2011-03-04]. Dostupné z WWW:
[13] Hybridní automobily 2 [online]. 2008 [cit 2011-03-06]. Dostupné z WWW:
[14] Honda FCX Clarity - Budoucnost patří vodíku [online]. 2008 [cit 2011-03-11]. Dostupné z WWW:
[15] Superkondenzátor – princip, vlastnosti, použití [online]. 2006 [cit 2011-04-02]. Dostupné z WWW:
[16] Čeřovský Z., Pavelka V. [online]. 2003 [cit 2011-04-02]. Dostupné z WWW:
[17]
Akumulátory
[online].
2011
[cit
2011-04-01].
38
Dostupné
z
WWW:
10
SEZNAM OBRÁZKŮ
obrázek 1: Hybridní automobil Lohner-Porsche Mixte.................................................... 9 obrázek 2: Uspořádání Audi Duo I. generace................................................................. 10 obrázek 3: Toyota Prius I. generace................................................................................ 11 obrázek 4: Schéma paralelního uspořádání hybridního pohonu..................................... 12 obrázek 5: Hybridní pohon IMA v Hondě Insight.......................................................... 13 obrázek 6: Hnací ústrojí BMW ActiveHybrid 7 ............................................................. 14 obrázek 7: Uspořádání a hlavní části hybridního pohonu BMW ActiveHybrid 7.......... 15 obrázek 8: Schéma sériového uspořádání hybridního pohonu ....................................... 16 obrázek 9: Sériové uspořádání pohonu v Opelu Ampera ............................................... 17 obrázek 10: Schéma kombinovaného uspořádání hybridního pohonu ........................... 18 obrázek 11: Sériově-paralelní hybrid Toyota Prius III ................................................... 19 obrázek 12: Schéma uspořádání hybridní soustavy Toyoty Prius a její funkce ............. 20 obrázek 13: Dobíjení plug-in hybridu ............................................................................ 21 obrázek 14: Ni-MH akumulátor v Toyotě Prius ............................................................. 23 obrázek 15: Řez superkondezátorovým článkem ........................................................... 24 obrázek 16: Pohonné ústrojí Hondy FCX Clarity........................................................... 25 obrázek 17: Schéma činnosti palivového článku ............................................................ 27 obrázek 18: Palivové články Honda V Flow .................................................................. 28 obrázek 19: Vodíková plnící stanice............................................................................... 29 obrázek 20: Lexus CT 200h............................................................................................ 35 obrázek 21: Toyota Auris HSD ...................................................................................... 35
39
