MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Institut celoživotního vzdělávání

Vyhodnocení osobního automobilu s hybridním pohonem z hlediska transformace energie

Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce:

Vypracoval:

prof. Ing. Jan Mareček, DrSc.

Lukáš Oslzlý

Brno 2011

Poděkování

Děkuji tímto především vedoucímu mé bakalářské práce prof. Ing. Janu Marečkovi, DrSc. za cenné připomínky a rady při vypracovávání této práce.

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Vyhodnocení osobního automobilu s hybridním pohonem z hlediska transformace energie“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury.

V Brně dne 22. 4. 2011

…………………. Podpis studenta

ABSTRAKT: Tato práce se zabývá konstrukcí hybridních automobilů a pohonů na alternativní palivo. Dále se zabývá transformací energie u hybridních vozidel a porovnáním účinnosti této transformace, kde také je i porovnání z hlediska ekologie a ekonomie provozu.

KLÍČOVÁ SLOVA: Hybridní pohon, transformace energie, elektrická vozidla, vozidla

na alternativní

palivo, účinnost transformace energie

ABSTRACT: This work deals with the construction of hybrid cars and actuators on the alternarive fuel. It also deals withthe transformation of energy in hybrid vehicles, and comparingthe effectiveness of this transformation, which i salso a comparison in term sof ecologyand economy of operation.

KEYWORDS: Hybrid propulsion, energy transformation, electric vehicles, vehicles, the efficiency of energy transformation

alternative

fuel

Obsah 1

Úvod................................................................................................................... 8

2

Cíl práce ............................................................................................................. 9

3

Konstrukce vozidel dle pohonů........................................................................ 10 3.1

3.1.1

Motor s přímočarým vratným pohybem ................................................... 10

3.1.2

Motor s krouživým pohybem pístu (Wankel)........................................... 12

3.2

Paliva................................................................................................................ 13

3.2.1

Bioplyn...................................................................................................... 13

3.2.2

Zemní plyn (CNG, LNG).......................................................................... 15

3.2.3

Ropný plyn (LPG – Propan butan) ........................................................... 18

3.2.4

Vodík ........................................................................................................ 21

3.3

Vozidla s elektrickým motorem ....................................................................... 24

3.4

Elektromotory .................................................................................................. 25

3.5

Akumulátory .................................................................................................... 28

3.6

Ukázky elektromobilů...................................................................................... 31

4

Vozidla s hybridním pohonem ......................................................................... 33 4.1

Uspořádání hybridních pohonů ........................................................................ 33

4.2

Hlavní součásti hybridních automobilů ........................................................... 35

4.3

Ukázka hybridů podle jejich systémů .............................................................. 39

5

Transformace energie a provozní režimy hybridního automobilu................... 42 5.1

6

Spalovací motory ............................................................................................. 10

Provozní režimy ............................................................................................... 43

5.1.1

Toyota Prius Hybrid.................................................................................. 43

5.1.2

Honda Civic Hybrid.................................................................................. 44

Porovnání účinnosti přeměny energie hybridního pohonu vůči vozidlům se

spalovacím motorem....................................................................................................... 46 6

6.1

BMW X6 5.0i vs. BMW X6 ActiveHybrid ..................................................... 46

6.2

Účinnost přeměny energie................................................................................ 47

6.3

Výpočet účinnosti Bmw X6 5.0i a X6 ActiveHybrid ...................................... 48

6.4

Porovnání vozů z ekonomického a ekologického hlediska.............................. 48

7

Závěr ................................................................................................................ 51

8

Seznam obrázků, grafů a tabulek ..................................................................... 52

9

Odkazy na literaturu ......................................................................................... 54

10

Odkazy na obrázky........................................................................................... 56

7

1

ÚVOD V dnešní době je nezbytnou potřebou pro lidstvo doprava. Nejdůležitějším

druhem dopravy je doprava silniční. Z toho rozhodně největší podíl zaobírají motorová vozidla spalující paliva benzín a naftu, které jsou vyrobeny z fosilního zdroje (ropy). Důvody proč se automobilový výrobci zabývají vývojem pohonných jednotek, jsou hlavně emise spalovacích motorů. Ty nám při spalování paliv unikají do atmosféry a ničí ozonovou vrstvu. Dále výfukové plyny přispívají k tvorbě kyselých dešťů, které vznikají kvůli uvolňování síry z těchto plynů. To má neblahodárný vliv na povrchové a podzemní vody. Dalším důvodem je snížení závislosti na ubývajících fosilních palivech. Současná odhadovaná doba zásoby ropy je dle statistiků a vědců na 80 – 150 let. Díky těmto údajům se výrobci začaly zaměřovat na vývoj alternativních pohonů. Mezi ně patří pohon na plyn, vodík, elektrický pohon a hlavním tématem a rozvojem v současnosti je hybridní pohon. S tímto rozvojem se v neposlední řadě řeší otázky výkonů motorů jednotlivých pohonů, životnosti baterií, dojezdu vozidel v jednotlivých režimech, obslužnosti a nákladů s tím spojených. Na prvním místě v rozvoji těchto pohonů je důležité sloučit do systému takové komponenty, které při transformaci energie bude vozidlo moci co nejlépe využít. [1]

8

2

CÍL PRÁCE Cílem této práce je představení konstrukce pohonů na alternativní paliva.

Hlavním zaměřením jsou automobily s hybridním pohonem, u kterých chci porovnat transformaci energie v jednotlivých jízdních režimech. Dále se chci zaměřit na účinnost transformace energie a porovnání s vozidlem pouze se spalovacím motorem. Dále budu porovnávat vozy s ekologického a ekonomického hlediska.

9

3

KONSTRUKCE VOZIDEL DLE POHONŮ Vozidla rozdělujeme podle toho, jakým druhem motoru jsou osazena

a to na, spalovací motory, elektrické motory nebo kombinací těchto motorů (hybridní pohony). Dále si představíme druhy paliv, které jednotlivé motory využívají a také konstrukci těchto systémů.

3.1 Spalovací motory Spalovací motor je mechanický tepelný stroj, který spálením paliva přeměňuje jeho chemickou energii na energii tepelnou a na mechanickou energii působením na píst. Pracovní látkou jsou samotné zplodiny hoření. Základní rozdělení spalovacích motorů je na pístové s přímočarým vratným pohybem pístu, s krouživým pohybem pístu, spalovací turbíny a reaktivní motory. Podle principu činnosti dělíme motory na čtyřdobé a dvoudobé. Dále podle způsobu zapálení směsi a to na zážehové a vznětové. Následuje způsob, jakým se motory plní, jsou buď, atmosférické nebo přeplňované. Dalším ukazatelem je konstrukce: řadové, ploché (boxer), vidlicové. [3] 3.1.1 Motor s přímočarým vratným pohybem Dvoudobý motor Probíhá v něm podobný děj jako u čtyřdobého, ale pracovní doby se slučují a proběhnou současně. Využívá se prostoru nad a pod pístem. Motor nemá ventily a jejich funkci přebírá píst, který střídavě otvírá a zavírá sací, výfukový a přepouštěcí kanál. Přepouštěcím kanálem přechází směs z prostoru pod pístem do prostoru nad pístem. Píst se nejprve se pohybuje nahoru, přičemž stlačuje směs paliva a vzduchu v prostoru nad pístem. Součastně je do prostoru pod pístem nasávána další dávka zápalné směsi. Stlačená směs se pomocí jiskry od svíčky zažehne a plyny vzniklé výbuchem tlačí na píst zpět do spodní části válce. Při svém pohybu dolů vytlačuje píst čerstvou dávku směsi paliva a vzduchu přepouštěcím kanálem do prostoru nad pístem. Tato čerstvá směs vytlačí výfukové plyny ven výfukovým kanálem a sama je stlačena 10

opětným pohybem pístu nahoru. V horní poloze píst zablokuje výfukový kanál, aby rozpínající se plyny nemohli uniknout. Jakmile píst dosáhne maximální polohy, kanál se otevře. Poloha pístu kontroluje rovněž sací kanál směsi paliva a kanál přepouštěcí. [12]

Obr. 1 Schéma dvoudobého motoru [2] Čtyřdobý zážehový a vznětový motor Činnost motoru lze rozdělit na čtyři doby: Sání – sací ventil je otevřen, píst ve válci motoru se pohybuje dolů a pracovní prostor je plněn pracovní látkou Stlačení (komprese) – ventily motoru jsou uzavřeny a píst stlačuje směs. Výbuch – mezi kontakty zapalovací svíčky přeskočí jiskra a zapálí směs: výbuchem vzniká plyn o vysoké teplotě a tlaku, který při svém rozpínání posouvá píst a koná práci. Výfuk – otevírá se výfukový ventil a píst vytlačuje plyn do výfukového potrubí. U zážehových motorů se nasává směs paliva, která je zažehnuta jiskrou. V tom se motor liší od vznětového. Se čtyřdobými zážehovými motory, se setkáme převážně v osobních automobilech. Jejich účinnost se pohybuje od 20 % do 33 %. U vznětových motorů probíhá podobný děj jako ve čtyřdobém zážehovém motoru, ale stlačuje se jen vzduch, do kterého se na počátku třetí doby vstřikuje nafta. Nafta shoří vlivem vysoké 11

teploty vzduchu (600oC) vzniklé při stlačení. Ve čtvrté době probíhá výfuk. Jejich účinnost se pohybuje od 30 % do 45 %. Vznětové motory mají při stejném výkonu větší hmotnost než zážehové. [4]

Obr. 2 Schéma čtyřdobého motoru [3] 3.1.2 Motor s krouživým pohybem pístu (Wankel) Rotační motor funguje způsobem, který se zásadně liší od způsobu funkce tradičních pístových motorů s vnitřním spalováním. Pístem je zde ve skutečnosti plochý rotor, který rotuje ve středu komory, a který má oválný tvar lehce prohnutý ve svém středu. Rotor má soustavu vnitřního ozubení, které je vyfrézované ve středu jedné strany pístu. Toto ozubení zapadá do převodu, který je připevněn ke komoře. Tento ozubený převod určuje dráhu a směr pohybu rotoru v komoře. Rotory jsou excentricky uchyceny k výstupní hřídeli, která je rotory otáčena stejným způsobem, jako když otáčíte klikou navijáku. Během každých 360° otočení rotoru se výstupní hřídel otočí třikrát. Rotor má trochoidní tvar a vrcholy tohoto trojúhelníku se trvale dotýkají stěny komory. Tvar komory zajišťuje, že střed rotoru opisuje při každé dokončené otáčce uzavřený kruh. Tři strany rotoru ve spojení s vnitřním povrchem komory vytvářejí tři pracovní komory, jejichž objem se během jediné otáčky rotoru neustále mění. Tato konstrukce vlastně nepotřebuje tradiční klikovou hřídel ani ventily. Jedinými pohyblivými částmi jsou samotný rotační píst a excentrická hřídel. Díky této konstrukci je rotační motor lehčí, kompaktnější a má větší životnost. Zatím co běžný čtyřdobý zážehový motor potřebuje k vykonání dvou otáček klikového hřídele čtyři cykly, rotační motory projdou všemi čtyřmi cykly během jediné otáčky rotoru. Rotor sám produkuje 12

výkon rotačního motoru a přenáší jej na excentrickou hřídel, která plní úlohu srovnatelnou s klikovou hřídelí tradičního pístového motoru. [11]

Obr. 3 Wankelův motor [1]

Obr. 4 Dvourotorový motor Wankel [1]

3.2 Paliva 3.2.1

Bioplyn Bioplyn je nejjednodušší cesta nezávislosti na fosilních palivech. Biomasa,

ze které je bioplyn získáván, jsou rostlinné produkty, ve kterých je akumulována sluneční energie. Bioplyn je velmi rychle odbouratelný a má veliký energetický

potenciál. Spalováním biomasy se neprodukuje žádný přídavný CO₂, neboť během

13

spalování se uvolní jenom tolik plynu, kolik biomasa během růstu rostliny ve vzduchu spotřebovala. Biomasa je buď pěstovaná (obilí, cukrová řepa, brambory, atd.) nebo odpadní (sláma, nezkrmitelné zbytky, odpady ze sadů). Bioplyn je získáván buď to termomechanickým způsobem tj. zplynováním biomasy, nebo biochemickým způsobem tj. metanolové kvašení (nutno vyloučit kyslík). [1]

Složení bioplynu:

Graf 1 Složení bioplynu [4] Zápalná teplota je stejná jako u zemního plynu 650 až 750 ˚C, hustota 0,72 kg.m.¯³. Bioplyn je stejně hodnotný jako zemní plyn, přičemž jeho používáním by klesly emise až o 95 %. Tohle je dáno tím, že CO₂ z vozidel na bioplyn, na sebe opět navážou rostliny prostřednictvím fotosyntézy. Komise EU plánuje na rok 2020 snížení spotřeby nafty v silničním provozu o 20 %. Podíl biogenních paliv má při tom vzrůst o 8 % v roce 2020. Podíl zemského plynu o 10 % a vodík o 5 % v r. 2020. [1]

14

3.2.2 Zemní plyn (CNG, LNG)

Zemní plyn je druh fosilního paliva, které se skládá z metanu CH₄ (85 %), dále

obsahuje propan, butan, vyšší uhlovodíky (5 %), sirovodík H₂S, CO₂, a další plyny.

Zemní plyn má vynikající odolnost vůči samovznícení (oktanové číslo 130), má měkké spalování, tím nižší hlučnost. Kromě toho, nám hlavně přispívá k ekologické jízdě. Při „čistém“ spalování zemního plynu dochází k výraznému snižování smogu a plynů vyvolávající skleníkový efekt a nejsou produkovány pevné částice ani síra. Termická účinnost dosahuje až 44 %. [1] Zemní plyn je komprimován (stlačen – CNG) na 20 MPa do speciálních tlakových nádrží. Může být také zkapalněn (LNG), je skladován v Dewarově kryogenní, vakuově izolované nádobě s dvojitou stěnou při teplotě pod -160 ˚C. Zemní plyne je nejchudší fosilní palivo na emise a je levnější zhruba o 50 % než nafta a benzín. Cena plynu nelze srovnávat s cenou nafty, neboť 1 kg plynu má o 38 % vyšší energetický obsah jak nafta a o 47 % než benzín. [1]

Tab. 1 Spotřeba a cena zemního plynu, benzínu [22]

15

V rámci celosvětové ekologické politiky pro redukci škodlivých emisí (NOₓ,

benzol, částice jakož i CO₂), je zemní plyn jmenován jako třetí zdroj energie, se kterým

je možno vývoj škodlivých látek podstatně redukovat. Zemní plyn při spalování

produkuje až o 25 % méně CO₂, (dosahuje 135 g/km), ostatní složky škodlivin CO, HC

a NOₓ jsou redukovány v porovnání s benzínem a naftou až o 80 %. Např. NOₓ je u moderních osobních automobilů na zemní plyn 0,015 g/km. [1]

Tab. 2 Emisní hodnoty Euro [22] Vozidla, která používají ke svému pohonu pouze zemní plyn, jsou označována jako monovalentní. Ta vozidla, která jezdí na benzín i na plyn se nazývají bivalentní. Systém pro zemní plyn je do vozidla namontován dodatečně, nebo je opatřeno již od výrobce automobilu. [1]

16

Obr. 5 Systém pohonu zemním plynem (monovalentní provedení) [22]

Obr. 6 Systém pohonu zemním plynem (bivalentní provedení) [22]

Systém přívodu plynu do válců je dvojího typu a to, centrální nebo sekvenční. U centrálního systému je plyn přiveden do společného sacího potrubí pro všechny válce a je elektronicky řízený ventilem za škrtící klapkou. Tohle řešení nabývá vyšší 17

spotřebou a emisemi. U sekvenčního systému je plyn přiváděn před sací ventily. Elektronika řídí dodávku plynu do každého válce podle potřeby. Systém nabývá na nižší spotřebě a emisích. [1]

Obr. 7 Konstrukce automobilu na zemní plyn [22]

3.2.3 Ropný plyn (LPG – Propan butan) LPG je zkapalněný ropný plyn, který je především směsí propanu a butanu. Dále obsahuje jen velmi málo síry, žádné olovo a žádné benzenové uhlovodíky. Vozy na plynový pohon jsou vybaveny třícestným katalyzátorem a zcela vyhovují normám na snížení emisí. Automobily na LPG mají navíc stejné jízdní vlastnosti a díky moderní technologii, téměř i výkon. Další výhodou je také cena paliva. Jeden litr propan-butanu stojí zhruba polovinu ceny benzínu. Spotřeba plynu je v motorovém vozidle přibližně o 20 % vyšší ale i tak daleko více vyplatí. Ropný plyn je při teplotách a tlakových podmínkách běžného klimatu plynný ale lze poměrně malým tlakem zkapalnit i za běžné teploty. Při zkapalnění značně změní svůj objem. Z asi 250 litrů propanbutanu v plynném stavu se získá 1 litr kapaliny (z 1 m³ plynu vzniknou 4 litry kapaliny). Tato vlastnost nám umožňuje skladovat plyn v poměrně malém prostoru. [1] Součásti zařízení LPG:

18

• Tlaková nádrž je válcového tvaru (v ČR je homologace na nádrže válcového tvaru). Nádrž je po namontování zkoušena na přetlak 3 MPa. Její upevnění také podléhá homologaci a zaručuje bezpečné uložení při zrychlení do 20 g (g = tíhové zrychlení) a 8 g v podélném směru a příčném při havárii. Nádrž je opatřena multiventilem a tím je daná její poloha (ventil je odkloněn 30˚ od vodorovné plochy). • Multiventil je více účelový ventil, jehož součástí je stavoznak (tlakoměr) a plynotěsná schránka. Zajišťuje funkci provozní a bezpečnostní. Z provozního hlediska nám dovoluje plnění nádrže pouze do 80 % (zbylých 20 % je tzv. bezpečnostní zóna). Bezpečnostní funkci plní zastavením toku paliva při poruše potrubí, tedy úniku plynu nad 6 litrů za minutu a vypouští plyn při přetlaku vyšší než 2,5 MPa do prostoru pod vozem. • Plynotěsná schránka zajišťuje hermetické oddělení multiventilu a jeho připojovacích prvků od kabiny karoserie. Odtok plynu při zmíněném vysokém tlaku probíhá přes tuto schránku. • Přípojka dálkového plnění je vyvedena na vnější stranu karoserie a je zakončena plnícím hrdlem a šroubovací plastovou zátkou zabraňující znečištění. • Provozní elektromagnetický ventil uzavírá plynový systém při provozu na benzín a při vypnutém zapalování. Ventil je opatřen ve spodní části filtrem zabraňující vnikání nečistot do výparníku (reduktoru). Provozní ventil je umístěn v motorovém prostoru a je zařazen do potrubí mezi nádrží a výparníkem. • Výparník je zařízení, v němž dochází ke změně kapalné fáze LPG na fázi plynou a k regulaci tlaku. Při této změně se nám snižuje také teplota. Aby se úbytek tepla vyrovnával, je do výparníku přiváděna chladící kapalina od motoru. Výstupní část z výparníku je přes regulační šroub propojena se směšovačem. • Regulační šroub reguluje nejvyšší množství plynu dodávaného do směšovače (při maximálním výkonu motoru). • Směšovač slouží k optimálnímu promíchání směsi plyn-vzduch. Je zastavěný do sacího traktu. • Přepínaví modul slouží k přepínání zvoleného druhu paliva, je opatřen LED diodou, která když svítí červeně, tak signalizuje jízdu na benzín a když zeleně tak na plyn. Je umístěn v kabině v blízkosti řidiče. [1] 19

Obr. 8 Systém se směšovačem řízený lamba sondou [29] Moderní automobily nevyužívají systému se směšovačem, ale používají se systémy s kontinuální a sekvenčním vstřikováním paliva. Tento systém nám umožňuje vstřikovat plyn do každého válce zvlášť a dle jeho potřeby. U sekvenčního vstřikování se o to stará jak řídící jednotka LPG tak i motorová jednotka na benzín oproti kontinuálnímu vstřikování, kde činnost řídí pouze jednotka LPG. [1]

20

1 – Přívodní trubka Cu 4x6, 2 – Elektromagnetický ventil LPG, 3 – Regulátor tlakuvýparník, 4 – Připojení do chladícího systému, 5 – Filtr LPG plynné fáze, 6 – Akumulátor, 7 – Hadice MAP, 8 – Tryska snímače tlaku LPG, 9 – Hadice snímače tlaku LPG, 10 – Tryska vstřikovaného LPG, 11 – Hadice LPG, 12 – Vstřikovač, 13 – Řídící jednotka plynu, 14 – Snímač MAP, 15 – Přepínač benzín-plyn, 16 – Držák válcové nádrže s pásy, 17 – Nádrž LPG /válcová/, 18 – Plynotěsná schránka s multiventilem, 19 – Plnící trubka Cu 6x8, 20 – Plnící koncovka Obr. 9 Konstrukce automobilu na LPG se sekvenčním vstřikováním [28]

3.2.4 Vodík Vodík je jedním z alternativních paliv současnosti a velmi důležitým plynem budoucnosti. Vodík se dá získat více způsoby. V současnosti, v celosvětové produkci vodíku dominuje parní reforming zemního plynu následovaný zplyňováním uhlí. Tyto dva způsoby výroby vodíku jsou však založeny na fosilních palivech, což je vzhledem k jejich vyčerpatelnosti neudržitelné. Dále produkují skleníkové plyny a bez efektivního zachycování oxidů uhlíku negují výhody vodíku. Další možností, je výroba vodíku z obnovitelných zdrojů. Z nich se vodík získává pomocí elektrolýzy, vysokoteplotního 21

rozkladu vody anebo zplyňováním či pyrolýzou biomasy. Vodík je možné používat ve vozidle jako palivo buď přímo ve spalovacím motoru, nebo jako zdroj elektrické energie v palivovém článku v elektromobilu. Vozidla, která jezdí na jeden z těchto způsobů, jsou velice ekologická a neprodukují žádné emise. Při spalování vodíku v klasických motorech vzniká jenom neškodná voda a malé množství kysličníku dusíku. Tento systém má ovšem dvě podstatné nevýhody. Za prvé, výroba vodíku je příliš drahá, za druhé, vodík ve směsi se vzduchem je silně výbušný. [2] Konstrukce automobilu spalující vodík H₂

1 - vodíková nádrž, 2 - krytka vodíkové propojovací mechaniky, 3 - spojka pro tankování vodíku, 4 - potrubí bezpečnostní soustavy pro odpouštění vodíku, 5 schránka vedlejšího systému s výměníkem tepla a řídící jednotkou funkce nádrže, 6 bivalentní spalovací motor (benzín/vodík), 7 - sání s potrubím pro vodík, 8 - systém řízeného odpouštění plynného vodíku BMS, 9 - benzínová nádrž, 10 - tlakový ventil Obr. 10 BMW Hydrogen 7 - prvky vodíkového pohonu [27]

Palivový článek je elektrochemické zařízení vytvářející elektrickou energii. Palivový článek je galvanický článek, k jehož elektrodám jsou přiváděny jednak palivo (k anodě) a okysličovadlo (ke katodě). Princip výroby elektřiny v palivovém článku spočívá v dodávání paliva (vodík) k anodě a okysličovadla (vzduch) ke katodě. Mezi těmito dvěma neprodyšně oddělenými elektrodovými prostory se nachází elektrolyt. Tímto procesem se nám z vodíku uvolňuje elektron, který jde přes anodu 22

ke spotřebování do elektrické sítě. Palivové články mohou operovat nepřetržitě, pokud se nepřeruší přívod paliva a okysličovadla k elektrodám. [5]

Obr. 11 Klasický palivový článek [6]

Obr. 12 Koncept pohonu s palivovými články - Chrysler Eco Voyager [5]

23

3.3

Vozidla s elektrickým motorem Elektrický pohon vozidel je další možností alternativního pohonu, neboť

prakticky neprodukuje žádné škodlivé emise, má nízkou hladinu hluku, příznivou výkonovou charakteristiku, ale také menší jízdní výkon, omezený dojezd, vyšší cenu, případně větší nebezpečí při havárii. Na našem území postavil první elektromobil v 1885 slavný elektrotechnik Ing. František Křižík. Jednalo se o dvoumístný vozík se stejnosměrným elektromotorem a výkonu 3 kW. Poháněl tuhou zadní nápravu s diferenciálem pomocí redukčního ozubeného převodu. Na zadní části rámu tohoto vozu bylo upevněno 42 olověných akumulátorů. V době vzniku elektromobilů se soustředila pozornost na vývoj spalovacích motorů. Až v posledních desetiletích se začaly automobilky opět více věnovat vývoji elektromobilů a to z důvodu snížení znečisťování ovzduší. Všude tam kde jsou emise a hluk nežádoucí, se začaly elektromobily zavádět. Jedná se např. o městskou hromadnou dopravu, pěší zóny, nádraží a letiště. Jeli, v infrastruktuře dostatečné množství dobíjecích stanic, je tento pohon oproti spalovacím motorům vhodným kandidátem. [1] [2]

Obr. 13 Mapa dobíjecích stanic v České Republice [26]

24

3.4

Elektromotory Hnací ústrojí elektromobilu je tvořeno, podobně jako u vozidla se spalovacím

motorem, z motoru, převodovky, hnacích hřídelů a diferenciálu s rozvodovkou. Nejčastěji se používá přední nebo zadní pohon s centrálním elektromotorem. Alternativami jsou tandemové hnací systémy se dvěma elektromotory a pohony kol elektromotory umístěnými přímo v kolech. [2]

Obr. 14 Uspořádání hnacího ústrojí pro elektromobily [23] Při stavbě elektromotoru je možné použít celou řadu trakčních principů činnosti, využitelných pro trakční pohony. Trakční elektromotory určuje zejména hodnota momentu, menší význam má hodnota výkonu. Konstrukce musí být spolehlivá a ve velkém rozsahu otáček musí být k dispozici dostatečný výkon. Důležitá je kompaktní stavba, vysoká účinnost při malé hmotnosti, krátkodobá přetížitelnost, nízká hladina hluku, udržovací náklady a výhodná cena. [2]

Tab. 3 Porovnání koncepcí elektromotorů [23]

25

Obr. 15 Konstrukční provedení elektromobilu – Citroen Saxo Electrique [7]

Stejnosměrný motor se sériovým buzením Budící vinutí je zapojeno sériově s kotvou, takže proud je současně budícím proudem. Tento motor má nejjednodušší regulaci. Jeho napětí je úměrné požadované hodnotě proudu tak, že regulátor výkonu (tyristor nebo tranzistor) řídí napětí akumulátoru v proměnném spínání nebo proměnné frekvenci. Charakteristika je velmi měkká, ale při odlehčení vzrostou otáčky natolik, že hrozí poškození elektromotoru. Proto nikdy nesmí pracovat bez zatěžovacího momentu na hřídeli. Vzhledem k tomu, že je schopný rozbíhat velké setrvačné hmoty a otáčky se samočinně přizpůsobují zatížení je vhodný pro elektromobily. [2] Stejnosměrný motor s cizím buzením Budící vinutí je napájeno z cizího zdroje. Reguluje se napětí rotoru a budícího proudu. Tento motor má tvrdou momentovou charakteristiku. Snadno lze měnit směr otáčení a jednodušší je rekuperační brzdění. Výhodou je snadná a plynulá regulace 26

v širokém rozsahu a tahové charakteristiky. Má však nižší záběrový moment. Tyto motory mají menší hmotnost i objem. Jsou silně přetížitelné. Hraniční otáčky jsou omezeny na 7000 ot/min.¹, je zapotřebí vícestupňová převodovka. [2] Stejnosměrný motor s derivačním buzením Obvod kotvy i budícího vinutí je připojen ke zdroji paralelně přes samotné regulační prvky. Lze je snadno a plynule regulovat, ale v menším rozsahu než motor s cizím buzením. Mají tvrdou momentovou charakteristiku a jednoduše se brzdí. [2] Stejnosměrný motor se smíšeným buzením Jedno budící vinutí je zapojeno v sérii a druhé paralelně ke kotvě. Sériové vinutí je zapojeno magneticky souhlasně s derivačním vinutím a při zatížení motoru způsobuje snížení otáček a zvětšení momentu. Derivační vinutí naopak omezuje podle toho, které buzení převládá. Stejnosměrné elektromotory se vyznačují jednodušší regulací a příznivější momentovou charakteristikou oproti střídavým elektromotorům. Mají však nižší výkon a energetickou účinnost, náročnější údržbu a jsou dražší. [2] Střídavé elektromotory: Asynchronní motor Podstatná výhoda třífázového asynchronního motoru je v tom, že odpadá vinutí kotvy a kolektor, čímž lze dosáhnout až 20 000 ot/min.¹. Oproti stejnosměrnému motoru je asynchronní motor při stejném výkonu podstatně menší a lehčí. Kromě toho je asynchronní motor jednodušší konstrukce, robustní, bezúdržbový a silně přetížitelný. Jistá nevýhoda spočívá v nákladech na elektronickou regulaci. Stejnosměrný proud akumulátoru je nutno přeměnit na střídavý. [2] Synchronní motor s permanentním buzením Tato varianta pohonu umožňuje velmi malý zastavěný objem motoru. Magnetické pole vybuzené permanentními magnety je bezdrátové. To vede k vysoké účinnosti. U tohoto motoru není pohon zeslabením pole možný. Proto musí být použito více násobného regulátoru výkonu akumulátoru nebo vícestupňové převodovky. [2]

27

Magnetický elektromotor Příkladem je pokrokové řešení elektromotoru permanentní magnet, motor má vynikající elektrické parametry při malé hmotnosti a rozměrech. Motor náleží ke skupině elektronické komutace synchronních motorů s permanentním buzením. [2] Další nedílnou součástí elektromobilů jsou usměrňovače. Mají za úkol napájet hnací elektromotor z trakční baterie, řídit tento motor podle jízdního přání a umožňovat zpětné napájení brzdné energie do baterie. Kromě toho musí usměrňovač zohledňovat provozní meze, které jsou dány omezeným napětím baterie, a maximálním proudem baterie, stavem trakce brzdového regulačního systému, a teplotami elektromotoru a usměrňovače. Podle typu motoru se používají různé usměrňovače, např.: • meziobvodový usměrňovač stejnosměrného napětí • usměrňovač stejnosměrného proudu [2]

1 – jízdní přání/snímače, 2 – kontrolní jednotka, 3 – požadovaný moment, 4 – transformace, 5 – požadované hodnoty, 6 – ovládání, 7 – regulace proudu, 8 – skutečné hodnoty, 9 – evidování měřených hodnot, 10 – otáčky/poloha rotoru, 11 – čidlo Obr. 16 Pohon střídavým elektromotorem s meziobvodovým usměrňovačem stejnosměrného napětí [23]

3.5

Akumulátory Trakční baterie jsou, co se týká proniknutí na trh elektrických bateriových

vozidel centrálním komponentem elektropohonu. Jejich výkonová hustota, tj. odnímatelný elektrický výkon na jednotku hmotnosti, určuje konečnou rychlost 28

a zrychlení vozidla. Jejich energetická hustota, tedy obsah energie na jednotku hmotnosti, určuje jejich dojezd. Na trakční baterie pro vozidla jsou kladeny následující požadavky: • možnost rychlého nabíjení (akumulátoru), musí být bezúdržbové a jejich životnost by měla byt 5 až 10 let, • měli by umožnit jízdní výkon více než 50 000 km, • dosahovat energetické hustoty alespoň 200 Wh/kg, hustotu výkonu asi 100 W/kg, • cena baterie by neměla přesahovat 150 Euro/kWh. [1]

Tab. 4 Přehled údajů jednotlivých typů baterií (* prognóza) [22] Olověný akumulátor V případě tohoto akumulátoru katoda (záporná elektroda) se skládá z čistého olova a anoda (kladná elektroda) z kysličníku olova. Mezi těmito elektrodami je napětí asi 2 V. Elektrody jsou ponořeny v elektrolytu, což je zředěná kyselina sírová. Výhody této baterie jsou, cena a jednoduchá výroba. Nevýhodou je, že je velmi těžká a může akumulovat velmi málo energie, asi 25 Wh/kg. V případě neúplného dobití, klesá kapacita baterie asi o 20 %. Dnešní akumulátory tohoto typu místo elektrolytu obsahují gel, a tím jsou bezúdržbové. [1] Baterie nikl-kadmium Tato baterie je pro elektrovozidla velice výhodná. Baterie je malých rozměrů, je plynotěsná a bezúdržbová. Elektrody jsou složeny z vláken z elektricky vodivého niklu. Elektrolytem je roztok hydroxidu draselného. Baterie je rychle dobíjitelná, má o 50 % 29

větší dojezd než olověný akumulátor. Baterie nikl-kadmiové, přesto že mají vyšší pořizovací cenu než olověné, dosahují životnosti 1500 cyklů při dojezdu 120 000 km. Nové typy těchto akumulátorů (např. HOPPECKE FNC) používají technologii, kde jsou kladné i záporné elektrody vytvořeny deskami umělohmotného vlákna a ve speciálních lázních poniklovány. To zajišťuje ještě nižší váhu jako doposud. Baterie nikl-kadmiové mají životnost 20 – 25 let. Dokážou pracovat v teplotách od -50 do +50 ˚C. [1] Baterie nikl-metalhydridová Je podobná nikl-kadmiové, její anoda je na bázi sloučenin niklu. Záporná elektroda je ze slitiny pohlcující vodík. Elektrolytem je zředěný roztok hydroxidu. Mezitím je separátor naplněný basickým elektrolytem, většinou ředěný roztokem vápenného nebo lithiového hydroxidu. Baterie mají větší výkon i energetickou účinnost a jsou dražší. Při vybíjení a nabíjení také vzniká paměťový efekt. [1] Baterie lithium iontová Katoda se skládá z Li₂MnO₂, nebo LiCoO₂ a nebo LiNiO₂. Anoda je z uhlíkové matrice připravené z grafitisovaných částí koksu. Elektrolyt je z vodivé soli a rozpouštědla. Mezi elektrodami vzniká rozdíl potenciálu 3,6 až 3,7 V. Baterie má vysokou energetickou a výkonovou hustotu. Měrná energie dosahuje 120 až 130 Wh/kg a životnost až 1000 cyklů. Paměťový efekt se nevyskytuje. Kapacita je závislá na teplotě. [1] Baterie vysokoteplotní Tato baterie, také zvaná vysokoenergetická, potřebuje pracovní teplotu mezi 250 až 300 ˚C. Jedná se o baterie sodík-síra a sodík-niklchlorid. U obou typů katoda není pevná deska ale tekutý sodík. Anoda je z pevného niklochloridu nebo síry. Je potopena do viskózní tekutiny (niklochloridové částice s roztavenou solí). Teplota baterie je regulována přídavnou elektrickou vložkou uvnitř vany baterie. Články uvnitř vany jsou vakuově izolovány, pro udržení teploty. Baterie umí vytvořit třikrát větší zásobu energie, nevykazují chemické samovybíjení a jsou bezúdržbové. Životnost je velmi malá. [1]

30

3.6

Ukázky elektromobilů

Tesla Roadster Tesla Roadster je supersportovní elektromobil vyráběný společností Tesla Motors. Dokáže zrychlit z 0 na 100 km/h za pouhé 4 sekundy, maximální rychlost je 210 km/h. Dojezd se pohybuje na jedno nabití kolem 400 km. Maximální výkon je 248 koní, maximální otáčky 13 500 za minutu. Elektromotor je doplněn manuální sekvenční převodovkou a energii čerpá z lithium-iontových baterií. Cena se pohybuje 89 000 dolarů. [15]

Obr. 17 Tesla Roadster [8]

Škoda Octavia Green E Line Výkon elektromotoru v trvalém provozu je 60 kW, jeho maximum pak činí 85 kW. Točivý moment je 270 Nm. V případě elektrické Octavie jsou dynamické schopnosti vozu definovány akcelerací z 0 na 100 km/h za dvanáct sekund a maximální rychlostí 135 km/h. Elektrickou energii čerpá Octavia Green E Line z li-ion akumulátoru o kapacitě 26,5 kilowatthodin. Průměrný dojezd s touto kapacitou činit 140 kilometrů na jedno nabití. Baterie se dobije nejdříve za 8 hodin, při napětí 400 Voltů se pak zkrátí doba nabíjení na polovinu. Akumulátor sestává ze 180 jednotlivých lithium31

iontových článků o průměru 150 mm a délce 650 mm, hmotnost celé zásobárny energie pak činí zhruba 315 kilogramů. Blok akumulátoru je umístěn pod střední a zadní podlahou a částečně i v zavazadlovém prostoru. [16]

Obr. 18 Škoda Octavia Green E Line (konstrukce a rozmístění komponentů) [9]

32

4

VOZIDLA S HYBRIDNÍM POHONEM Vozidla pouze s elektrickým pohonem mají takové nevýhody, kvůli

kterým nesplňují požadavky řidičů. Nevýhodami jsou menší jízdní výkon, omezený dojezd a vyšší cenu pro zákazníka. Tyhle nevýhody nám může eliminovat hybridní pohon. Výhody elektrických pohonů, jako jsou nízké emise a hluk, příznivá výkonová charakteristika, jsou doplněny výhodami spalovacích motorů. Hybridní pohon je tedy kombinací elektromotoru a spalovacího motoru. Tato kombinace nám umožňuje městský provoz bez emisí díky elektromotoru a dobré jízdní výkony a velké dojezdy mimo město díky spalovacímu motoru. [2] Elektromotor pracuje obousměrně, jednak jako motor, kdy převádí elektrickou energii z baterie na mechanickou, a pak také jako generátor, kdy mechanická energie je měněna na elektrickou a přiváděna zpět do akumulátoru. Elektromotor vypomáhá spalovacímu motoru např. při akceleraci, tím zabraňuje zvýšení spotřeby paliva a produkování emisí. Hybridní pohony se dělí dle konstrukce a uspořádání. [2]

4.1 Uspořádání hybridních pohonů Nezávisle na různém uspořádání spojek a převodů můžeme rozdělit hybridní pohon na tři základní koncepce. Uspořádání systémů dělíme na sériové a paralelní. Nevýhody těchto uspořádání emituju systém smíšeného uspořádání. [2] Sériové upořádání Sériový hybrid má pohon, podobně jako bateriové vozidlo, výhradně elektromotorem. Jako zdroj energie má také ještě spalovací motor/generátor ve funkci trakčního motoru, případně také k dobíjení baterie. Jednotlivé komponenty jsou uspořádány za sebou. Mechanické spojení spalovacího motoru pro pohon vozidla při sériovém uspořádání je možné při konstantních otáčkách jen v optimálním režimu provozu, vzhledem k účinnosti a emisím spalovacího motoru. [1]

33

Obr. 19 Uspořádání hybridních systémů [23] Paralelní spořádání Jeho výhoda spočívá v tom, že při provozu se spalovacím motorem nedochází k žádnému zhoršení oproti normálnímu provozu vozidla. Při tomto uspořádání je potřeba konvenční převodovky. Převodovka je společná také pro elektrickou větev. Maximální otáčky elektromotoru odpovídají otáčkám spalovacího motoru. Toto dokáže elektromotor na krátko se silným budícím polem. Současným zapnutím obou zdrojů energie je možno při nízkých otáčkách motoru zvýšit tažnou sílu. Při provozu je spalovací motor trvale zapnut, teprve při velkém zrychlování, předjíždění, se zařadí elektromotor. [1] Smíšené uspořádání Nevýhody těchto koncepcí vedly ke smíšenému uspořádání. Vybavení systému komponentami převodů, spojek, volnoběžek je libovolně rozmanité. Část výkonu se může ze spalovacího motoru přenášet přímo na kola a druhá část výkonu z elektromotoru přes planetovou převodovku. Nevýhodou je komplikovaná konstrukce a tím i cena. [2] 34

4.2 Hlavní součásti hybridních automobilů

Obr. 20 Hybridní Plug-in automobil Mercedes F 800 [10] Měniče energie Automobily využívající hybridní pohon jsou především osazeny asynchronními třífázovými a stejnosměrnými elektromotory s permanentním buzením. Jako spalovací motory jsou používány převážně zážehové motory ale také úsporné vznětové motory. U zážehových motorů je sice větší spotřeba, ale motor pracuje mimo nevýhodné zatížení. Vznětové motory mají větší emise NOₓ a jsou hlučnější. [1] Zásobníky energie Pro benzínové a naftové motory slouží jako zásobník energie plastová nádrž, z které se palivo dopravuje pomocí čerpadla. Pro elektromotory jako zásobník může být použito baterie, vysoko energetického kondenzátoru nebo setrvačníku (mechanický akumulátor energie). Volba závisí na koncepci pohonných komponentů ale také na velikosti energetické a výkonové hustoty. [1] • Baterie U

hybridních

automobilů

se

používají

baterie

stejného

typu

jako

u elektrovozidel. Nutné ale je vzít na zřetel že, u hybridních pohonů jsou baterie nabíjeny a vybíjeny pouze částečně. Dále musí baterie disponovat vysokou hustotou výkonu. Z tohoto důvodu se používají nikl-kadmiové baterie, ale v současnosti převažují baterie lithium iontové. [1]

35

• Vysoko energetický kondenzátor Vysoko energetický kondenzátor je zařízení schopné rychle akumulovat a následně vydat velké množství energie. Díky tomu může krýt výkonové špičky při akceleraci a při velkém zatížení. Má vysokou životnost, poměrně malou hmotnost a rozměry, nemá paměťový efekt a extrémně se nezahřívá. Energie je uchovávaná jako elektrostatická a vyrábí se různými technologiemi. Kondenzátory existují keramické,

klasické svitkové nebo metalické. Kondenzátory dosahují kapacity

10⁴ F. a jsou

založeny na využití vlastnosti dvojvrstvy. Někdy se také nazývají EDLC (Electric Double Layer Capacitor). Elektrody jsou z porézního uhlíky a mezi nimi tekutý nebo gelový elektrolyt. Porézní uhlík zajišťuje vysoký měrný povrch 2000 m²/g. Napětí článku je 2,3 V. [1]

Obr. 21 Vysoko energetický kondenzátor [11] • Setrvačník Mechanický akumulátor energie je zařízení, které pro zásobu energie nepotřebuje chemický proces. V praktickém použití ve vozidle je brzdící kinetická energie předávána setrvačníku a později opět pomocí generátoru přeměněna na elektřinu. Konstrukčně je to deskovité rotační těleso. Jeho kapacita závisí především 36

na otáčkách a jeho hmotnosti. Perspektivní setrvačník pro automobil má hmotnost např. 20 kg, průměr 30 cm a otáčky 60 000 ot/min.¹. Vysoké otáčky vyvolávají vysoké síly, proto je sestrojen z legované oceli s titanem vláknitým spojovacím materiálem. Ložiska jsou magnetická, odolná proti otěru. Setrvačník pracuje bez chemikálií, bez opotřebení a má vysokou životnost. Problémy se kterými se potýká je gyroskopický moment a nevyváženost rotující hmoty.[1]

Obr. 22 Automobil Porsche 911 Hybrid se setrvačníkem [12]

37

Obr. 23 Konstrukce setrvačníku [13]

Převodovky Převodovka je zařízení, které nám mění otáčky a moment motoru. Velký význam má zejména u paralelního uspořádání hybridu. Většina dosud hybridních automobilů

využívá

poloautomatickou

převodovku.

Přepínání

elektrického

a spalovacího motoru zajišťuje spojka nebo automatický přepínač. Pro paralelní hybridní pohon se volí planetová převodovka. [1]

38

Obr. 24 Hybridní převodovka Lexus rx450h [15]

4.3 Ukázka hybridů podle jejich systémů • Full hybrid - auto, které má spalovací (benzinový či naftový) motor + elektromotor. Dokáže jet i čistě na baterie, i když ne nadlouho; hlavní pohonnou jednotkou zůstává spalovací motor, kterému elektromotor pomáhá při potřebě vyššího výkonu a při pomalé jízdě ve městě. Baterie bývají nikl-metal-hydridové (Ni-Mh) a dobíjejí se při jízdě z motoru a při brzdění. Představitel: Toyota Prius, Volkswagen Touareg Hybrid [7]

Obr. 25 Toyota Prius Hybrid [25] 39

Obr. 26 Volkswagen Touareg Hybrid [15]

• Mild hybrid - totéž jako plný hybrid, nedokáže ovšem jet pouze na elektřinu z baterií. Elektromotor bývá mnohem menší a je pouze pomocným agregátem. Představitel: Honda Civic Hybrid, Mercedes Benz S400 Hybrid [7]

Obr. 27 Honda Civic Hybrid [16]

40

Obr. 28 Mercedes Benz S400 Hybrid [17]

• Plug-in hybrid - auto, jehož baterie zde už bývají lithium-iontové (Li-Ion) a dají se dobíjet ze zásuvky. Velký rozmach čekají hybridy, ve kterých je elektromotor hlavní pohonnou jednotkou. V autě je však spalovací motor, který slouží však pouze k dobíjení baterií. Sériová výroba se ještě téměř nerozběhla. Tyto

hybridy

jsou

téměř

bez

výjimky

vybavené

technologií. Představitel: Chevrolet Volt, Volvo V60 Hybrid [7]

Obr. 29 Chevrolet Volt [18]

41

plug-in

Obr. 30 Volvo V60 Hybrid [24]

5

TRANSFORMACE

ENERGIE

A

PROVOZNÍ

REŽIMY

HYBRIDNÍHO AUTOMOBILU Transformace energie u osobních automobilů nastává nejvíce mechanická a elektrická. Do toho nám vstupuje tepelná energie, bez které by se předchozí energie neobešly. U hybridní koncepce, se tyto přeměny energie prolínají tak, aby měli co největší možnou účinnost, co nejmenší spotřebu a tím i nízké emise. Oproti běžným osobním vozidlům, mají hybridní vozidla velkou výhodu, umí využít obrovskou přebytečnou kinetickou energii a transformovat ji na elektrickou energii. Ta se naakumuluje a je dále měněna na energii mechanickou. Tento jev se nazývá rekuperace.

42

Rekuperace je proces přeměny kinetické energie dopravního prostředku zpět na využitelnou elektrickou energii při elektrodynamickém brzdění. Tato energie se buď ukládá do akumulátorů, nebo se vrací do napájecí soustavy. [14]

5.1 Provozní režimy 5.1.1 Toyota Prius Hybrid Toyota Prius spadá do tzv. full hybridů. Pohonná jednotka se skládá z benzínového motoru, který má výkon 57 kW při 5000 ot/min.¹. a točivý moment 115 Nm. Elektromotor má maximální výkon 50 kW při 1200-1540 ot/min.¹. a maximální točivý moment 400 Nm, který je dostupný od nuly do 1 200 ot/min.¹. Pracuje s napětím 500 V. Hybridní pohon umožňuje hned několik jízdních režimů – pouze spalovací motor, kombinace obou motorů a pouze elektromotor. Kapacita baterie je přizpůsobena tomu, že je elektromotor pouze pomocný, pokud pojedete jenom na baterii, vybijete ji už za několik minut. V běžném jízdním režimu se baterie neustále dobíjí – při brzdění či při jízdě ustálenou rychlostí. Kapacita se tak nikdy nedostane na nulu, neustálé dobíjení zajišťuje, že má baterie zpravidla v zásobě půl až tři čtvrtiny energie. Jednotlivé jízdní režimy lze sledovat palubním displeji, ten zobrazuje jednotlivé přeměny energie, za daného stylu jízdy. Jednotlivé jízdní režimy se neustále mění, řídící jednotka neustále vyhodnocuje, co je pro danou situaci nejvýhodnější. Když zastavíte na křižovatce, běží elektromotor, který pohání klimatizaci, rádio atd. Když se rozjedete plynule, zůstává spalovací motor v klidu a auto jede pouze na elektřinu. Poznáte to nejen z displeje, ale i tišším chodem. Když se auto pohne z místa a nabere určitou rychlost, přidá se spalovací motor. A to tím dříve, čím více jste šlápli na plynový pedál. Pokud budete chtít akcelerovat prudce z místa, bude spalovací motor zapojen ihned. Když jedete s vozem mimo město běžnou poklidnou jízdou, je nejčastěji zapojen pouze spalovací motor, který dobíjí současně baterii. Při jízdě z kopce se dá volit mezi režimem B a D. Motor v režimu B má větší brzdící účinek. [8]

43

Obr. 31 Přeměna energie v závislosti na jízdě [20]

5.1.2 Honda Civic Hybrid Tento představitel patří do skupiny vozidel s označením „Mild hybrid“. To znamená, jak již jsem psal, že automobil nemůže jet pouze na elektromotor. Civic využívá kombinaci zážehového motoru a integrovaného elektromotoru. Nejvyšší výkon spalovacího motoru činí 70 kW při 6000 ot/min.¹, nejvyšší točivý moment činí 123 Nm při 4600 ot/min.¹. Elektromotor doplňuje celkovou vnější charakteristiku hnacího ústrojí o nejvyšší točivý moment 105 Nm mezi 0 a 1160 ot/min.¹ a disponuje nejvyšším výkonem 15 kW ve 2000 ot/min.¹. Civic Hybrid umí zrychlovat z 0 na 100 km/h za 12,1 s, nejvyšší rychlost činí 185 km/h. [9]

44

Obr. 32 Transformace energie v závislosti na provozním režimu [19]

45

6

POROVNÁNÍ

ÚČINNOSTI

PŘEMĚNY

ENERGIE

HYBRIDNÍHO POHONU VŮČI VOZIDLŮM SE SPALOVACÍM MOTOREM Pro porovnání účinnosti transformace energie u jednotlivých druhů pohonu jsem vybral vozidla BMW X6 ActiveHybrid a BMW X6 5.0i. Obě vozidla mají stejný výkon motoru, stejnou konstrukci i objem spalovacího benzinového motoru. U těchto vozidel je ale velice odlišná cena, spotřeba a produkce škodlivých emisních látek CO₂.

6.1 BMW X6 5.0i vs. BMW X6 ActiveHybrid Motor obou vozů je přeplňovaný zážehový osmiválec do V, se dvěma turbodmychadly. Objem motoru je 4 395 cm³, maximální výkon je 300 kW/5500-6400 ot/min.¹. Maximální točivý moment je 600Nm/1750-4500 ot/min.¹. V případě hybridního modelu jsou v převodovce uložené navíc dva elektromotory. Jeden z nich má výkon 67kW a druhý 63 kW. Podporují zážehový motor při výkonových špičkách. Chceme-li jet pouze na elektromotor, musí jet v ustálené rychlosti do 60 km/h, a při rozjezdu se nesmí prudce sešlápnout plynový pedál. V tom okamžiku by naskočil automaticky spalovací motor. Převodovka u obou modelů je samočinná sedmistupňová. Hybridní pohon postrádá alternátor, spouštěč, hydraulické čerpadlo posilovače řízení, pohon kompresoru klimatizace. Tuto funkci obstarávají elektromotory, které fungují i jako generátory. Co naopak v hybridním vozu přebývá, je 260 kg váhy díky Ni MH baterii. Ta je umístěna v zadní části vozu. Hybridní Bmw má čtyři základní módy eDrive (jede pouze na elektropohon), eBOOST (elektropohon pomáhá spalovacímu motoru), CHARGE (dobíjení vysokovýkonných akumulátorů v zádi) a DRIVE (jízda

pouze se zážehovým motorem).

Rozdílné jsou hodnoty vyprodukovaného CO₂,

kde hybrid má 231 g/km a verze čistě benzínová produkuje 292 g/km. Další věc, která vozy od sebe odlišuje, je cena. Hybridní model v základní výbavě stojí 2 610 000 Kč a model 5.0i stojí 1 992 500 Kč. [10] [17] [18] 46

Obr. 33 Sedmistupňová samočinná převodovka se dvěma elektromotory [21]

6.2

Účinnost přeměny energie Účinnost transformace energie z paliva ve spalovacích pístových motorech

automobilů je velmi malá. Pohybuje se mezi 30-40 %, přičemž benzínové motory se přikloňují k té spodní hodnotě a naftové k té vyšší hodnotě. Navíc tyhle hodnoty získáme pouze za předpokladu, že motor pracuje v optimálních podmínkách. Toho v běžném vozidle nelze dosáhnout. Další nevýhodou je když vozidlo stojí a motor jede na volnoběžné otáčky, v tuto chvíli je účinnost téměř nulová. Z tohoto důvodu se ke spalovacímu motoru přidal další pohon a tím vznikl automobil s hybridním pohonem. Elektromotory, které se používají do vozidel, pracují s účinností až 95 %. Touto účinností dokážou disponovat v širokém spektru otáček. Ovšem pro celkovou účinnost elektrické větve musíme přidat účinnost baterie, která tvoří zdroj elektrické energie, a ta se pohybuje podle typu od 50 % do 70 %.

47

6.3 Výpočet účinnosti Bmw X6 5.0i a X6 ActiveHybrid Při výpočtu budu brát v potaz pouze hodnoty účinnosti spalovacího motoru, elektromotoru, převodovky a baterie hybridního modelu. Zbylé účinnosti jako např. účinnost diferenciálu a podobných komponentů, které mají vozidla stejné, zanedbám. Bmw X6 ActiveHybrid • Spalovací motor

30 %

• 1. Elektromotor

95 %

• 2. Elektromotor

95 %

• Baterie Li-on

60 %

• Automatická převodovka

60 %

Výpočet:

Bmw X6 5.0i • Spalovací motor

30 %

• Automatická převodovka

60 %

Výpočet:

6.4 Porovnání vozů z ekonomického a ekologického hlediska Bmw X6 5.0i Základní cena vozu:

1 992 500 Kč

Průměrná cena benzínu v době výpočtu:

35 Kč/litr

Průměrná spotřeba dle výrobce:

12,5 litru/100 km

48

Množství vyprodukovaného CO₂:

292 g/km

Náklady na pohonné hmoty při ujetých 100 000 kilometrech:

Výpočet:

35 · 12,5 = 437,5 Kč 437,5 · 1000 = 437 500 Kč

Cena benzínu na 100 km:

437,5 Kč

Cena benzínu na 100 000 km:

437 500 Kč

Množství uvolněného CO₂ při ujetých 100 000 kilometrech:

Výpočet:

292 · 100 000 = 29 200 000 g = 29 200 kg = 29,2 Mg

Bmw X6 ActiveHybrid Základní cena vozu:

2 610 000Kč

Průměrná cena benzínu v době výpočtu:

35 Kč/litr

Průměrná spotřeba dle výrobce:

9,9 litru/100 km

Množství vyprodukovaného CO₂:

231 g/km

49

Náklady na pohonné hmoty při ujetých 100 000 kilometrech:

Výpočet:

35 · 9,9 = 346,5 Kč 346,6 · 1000 = 346 500 Kč

Cena benzínu na 100 km:

346,5 Kč

Cena benzínu na 100 000 km:

346 500 Kč

Množství uvolněného CO₂ při ujetých 100 000 kilometrech:

BMW

1 992 50

35

12,5 l/100

X6 5.0i

0 Kč

Kč/litr

km

2 610 00

35

9.9

0 Kč

Kč/litr

km

BMW X6 Hyb.

l/100

292 g/km

437,5 Kč

231 g/km

346,5 Kč

437 500 Kč

346 500 Kč

Tab. 5 Nalezené a naměřené hodnoty vozů Bmw X6

50

ného CO₂ na

na 100 000 km

Náklady na benzín

na 100 km

Náklady na benzín

Množství CO₂

Cena vozu

Cena benzínu

Průměrná spotřeba

231 · 100 000 = 23 100 000 g = 23 100 kg = 23,1 Mg

Výpočet:

29 100 kg

23 100 kg

7

ZÁVĚR Hybridní pohon u automobilů má obrovskou výhodu oproti jiným druhů

alternativního pohonu. Dokáže být neustále plnohodnotným vozidlem, které nám zajišťuje potřebný komfort, dobrou obslužnost, velký dojezd a požadované množství výkonu. Zároveň umožňuje za určitých jízdních podmínek šetřit velké množství paliva. Díky své konstrukci dokáže transformovat kinetickou a nevyužitelnou tepelnou energii zpět na elektrickou, kterou uloží do zásobníku. A ve vhodnou dobu, záleží na druhu konstrukce, čerpá tuto energii ke zvýšení výkonu a zároveň snížení emisí a spotřeby. Jelikož v současné době díky malé kapacitě akumulátorů nedokážou být hybridní automobily efektivní na velké vzdálenosti, preferují se na střední a hlavně krátké vzdálenosti a městský provoz. Osobní automobily s hybridním pohonem jsou vhodnou alternativou, jak šetřit životní prostředí od velkého množství výfukových zplodin. Při porovnání dvou vozidel stejného modelu ale s rozdílným druhem pohonu jsem se dopracoval k tomu,

že hybridní model vyprodukuje na 100 000 km o 6,1 Mg méně CO₂, jako u modelu

s čistě benzínovým motorem. Na druhé straně je ale cena vozidla, která je u hybridního modelu daleko vyšší. Z tabulky lze vyvodit, že hybridní X6 bude pro uživatele ekonomicky výhodná až po ujetí cca 700 000 km a to z důvodu tak vysoké pořizovací ceny vozu. Když si vezmeme, že ročně ujedete 70 000 km, bude tedy trvat 10 let, než bude auto ekonomické. A když ještě vezmeme v potaz, že baterie zhruba vydrží kolem 500 000 km, znamená to další obrovský výdaj financí ze strany majitele. Úplně na závěr, dokud koupě hybridních automobilů nebude finančně dotována od státu, nebo jakékoliv jiné instituce, bude jejich koupě stále neekonomická, ač vozidlo je ekologické.

51

8

SEZNAM OBRÁZKŮ, GRAFŮ A TABULEK

Tab. 1 Spotřeba a cena zemního plynu, benzínu [22]..................................................... 15 Tab. 2 Emisní hodnoty Euro [22] ................................................................................... 16 Tab. 3 Porovnání koncepcí elektromotorů [23] .............................................................. 25 Tab. 4 Přehled údajů jednotlivých typů baterií (* prognóza) [22].................................. 29 Tab. 5 Nalezené a naměřené hodnoty vozů Bmw X6..................................................... 50

Graf 1 Složení bioplynu [4] ............................................................................................ 14

Obr. 1 Schéma dvoudobého motoru [2].......................................................................... 11 Obr. 2 Schéma čtyřdobého motoru [3] ........................................................................... 12 Obr. 3 Wankelův motor [1]............................................................................................. 13 Obr. 4 Dvourotorový motor Wankel [1]......................................................................... 13 Obr. 5 Systém pohonu zemním plynem (monovalentní provedení) [22] ....................... 17 Obr. 6 Systém pohonu zemním plynem (bivalentní provedení) [22] ............................. 17 Obr. 7 Konstrukce automobilu na zemní plyn [22] ........................................................ 18 Obr. 8 Systém se směšovačem řízený lamba sondou [29].............................................. 20 Obr. 9 Konstrukce automobilu na LPG se sekvenčním vstřikováním [28] .................... 21 Obr. 10 BMW Hydrogen 7 - prvky vodíkového pohonu [27] ........................................ 22 Obr. 11 Klasický palivový článek [6]............................................................................. 23 Obr. 12 Koncept pohonu s palivovými články - Chrysler Eco Voyager [5] ................. 23 Obr. 13 Mapa dobíjecích stanic v České Republice [26] ............................................... 24 Obr. 14 Uspořádání hnacího ústrojí pro elektromobily [23] .......................................... 25 Obr. 15 Konstrukční provedení elektromobilu – Citroen Saxo Electrique [7]............... 26

52

Obr.

16

Pohon

střídavým

elektromotorem

s meziobvodovým

usměrňovačem

stejnosměrného napětí [23]............................................................................................. 28 Obr. 17 Tesla Roadster [8].............................................................................................. 31 Obr. 18 Škoda Octavia Green E Line (konstrukce a rozmístění komponentů) [9]......... 32 Obr. 19 Uspořádání hybridních systémů [23]................................................................. 34 Obr. 20 Hybridní Plug-in automobil Mercedes F 800 [10] ............................................ 35 Obr. 21 Vysoko energetický kondenzátor [11]............................................................... 36 Obr. 22 Automobil Porsche 911 Hybrid se setrvačníkem [12]....................................... 37 Obr. 23 Konstrukce setrvačníku [13].............................................................................. 38 Obr. 24 Hybridní převodovka Lexus rx450h [15] .......................................................... 39 Obr. 25 Toyota Prius Hybrid [25]................................................................................... 39 Obr. 26 Volkswagen Touareg Hybrid [15]..................................................................... 40 Obr. 27 Honda Civic Hybrid [16]................................................................................... 40 Obr. 28 Mercedes Benz S400 Hybrid [17] ..................................................................... 41 Obr. 29 Chevrolet Volt [18]............................................................................................ 41 Obr. 30 Volvo V60 Hybrid [24] ..................................................................................... 42 Obr. 31 Přeměna energie v závislosti na jízdě [20] ........................................................ 44 Obr. 32 Transformace energie v závislosti na provozním režimu [19] .......................... 45 Obr. 33 Sedmistupňová samočinná převodovka se dvěma elektromotory [21] ............. 47

53

9

ODKAZY NA LITERATURU

[1] KAMEŠ, Josef. Alternativní pohony automobilů. 1 dotisk 1. Vydání. Praha: Nakladatelství BEN – technická literatura, 2008. 232 s. ISBN 978-80-7300-127-8 [2 ] VLK, František. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5 [3]

cs.wikipedia.org

[online]

2011.

Spalovací

motor.

Dostupné

z WWW:

Dostupné

z WWW:

http://cs.wikipedia.org/wiki/Spalovac%C3%AD_motor [4]

techmania.cz

[online]

2011

vznětové

motory.

http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4d6f6c656b7 56c6f76e12066797a696b61h&key=379 [5]

cs.wikipedia.org

[online]

2011

palivový

článek.

Dostupné

z WWW:

http://cs.wikipedia.org/wiki/Palivov%C3%BD_%C4%8Dl%C3%A1nek [6] hybrid.cz [online] 2011 setrvačník pro motorová vozidla. Dostupné z WWW: http://www.hybrid.cz/clanky/setrvacnik-inovativni-reseni-pro-hybridni-elektrickavozidla-2-dil [7] auto.idnes.cz [online] 2011 vyznejte se v hybridech. Dostupné z WWW: http://auto.idnes.cz/kdo-nejezdi-na-elektrinu-nema-v-detroitu-co-pohledavat-ppn/automoto.aspx?c=A090121_130922_automoto_fdv [8]

autorevue.cz

[online]

2011

Toyota

Prius.

Dostupné

z WWW:

http://www.autorevue.cz/toyota-prius-hybrid-s-nizkou-spotrebou-velky-test_1 [9]

auto.cz

[online]

2011

Honda

Civic

Hybrid.

Dostupné

z WWW:

http://www.auto.cz/honda-civic-hybrid-technika-prvni-jizdni-dojmy-13728 [10] automotorevue.cz [online] Bmw X6 ActiveHybrid. Dostupné z WWW: http://www.automotorevue.cz/auto/testy/bmw-activehybrid-x6-nejsilnejsi-hybrid.html [11] upravy-tuning.blog.cz [online]. 2011 [cit. 2011-02-20]. Wankel motor. Dostupné z WWW: http://upravy-tuning.blog.cz/0612/wankel-motor-funkce

54

[12] techmania.cz [online]. 2011 [cit. 2011-02-28]. Dvoudobý zážehový motor. Dostupné z WWW:http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4d6 f6c656b756c6f76e12066797a696b61h&key=378 [13] hytep.cz [online]. 2011 [cit. 2011-03-05]. [14] cs.wikipedia.org [online]. 2011 [cit. 2011-03-10]. Rekuperace energie. Dostupné z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Rekuperace [15]

hybrid.cz

[online]

2011

Tesla

Roadster.

Dostupné

z WWW:

http://www.hybrid.cz/tesla-roadster [16] autorevue.cz [online] 2011 Škoda Octavia Green E Line. Dostupné z WWW: http://www.autorevue.cz/skoda-octavia-green-e-line-elektromobil-je-tu [17]

bmw.cz

[online]

2011

Základní

cena

vozů.

Dostupné

z WWW:

http://www.bmw.cz/cz/cs/general/ecom_uic/vco/vco.html [18] auto.cz [online] 2011 Bmw X6 5.0i. Dostupné z WWW: http://www.auto.cz/bmwx6-prvni-oficialni-fotografie-8959

55

10 ODKAZY NA OBRÁZKY [1]

Wankelův

motor

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://upravy-

tuning.blog.cz/0612/wankel-motor-funkce [2]

Dvoudobý

zážehový

motor

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.fyzika.net/view.php?cisloclanku=2004012001 [3]

Čtyřdobý

motor

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4d6f6c656b7 56c6f76e12066797a696b61h&key=377 [4]

Složení

bioplynu

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.schaumann.cz/bioplyn/postup-vyroby/ [5] Koncept automobilu na vodíkový pohon [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.novinky.cz/auto/130706-chrysler-eco-voyager-luxusni-ekologickoucestou.html [6]

Klasický

palivový

článek

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.zatecsspse.cz/index.php/vyzkum-a-vyvoj.html [7] Konstrukční provedení elektromobilu [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.electroauto.cz/106saxo_electrique.html [8]

Elektromobil

Tesla

Roadster

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.hybrid.cz/tesla-roadster [9] Elektromobil Škoda Octavia Green E Line [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.autorevue.cz/skoda-octavia-green-e-line-elektromobil-je-tu [10] Hybridní automobil Mercedes-Benz F 800 [online]2011. Dostupné z WWW: http://www.seriouswheels.com/2010/klm/2010-Mercedes-Benz-F-800-Style-ResearchVehicle-Schematic-of-the-Plug-in-HYBRID-1920x1440.htm [11]

Vysoko

energetický

kondenzátor

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.hybrid.cz/tagy/superkondenzatory [12]

Konstrukce

setrvačníku

[online]

http://autotip.auto.cz/page/1728.technika/ 56

2011.

Dostupné

z WWW:

[13] Automobil Porsche 911 Hybrid se setrvačníkem [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.automotorevue.cz/auto/predstavujeme/porsche-911-gt3-r-hybridsetrvacnik.html [14]

Hybridní

převodovka

Lexus

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.auto.cz/lexus-rx-450h-full-hybrid-coby-optimum-2083 [15]

Mercedes-Benz

S400

Hybrid[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

Dostupné

z WWW:

Dostupné

z WWW:

http://www.hybrid.cz/tagy/mild-hybrid [16]

Honda

Civic

Hybrid

[online]

2011.

http://honda.autojarov.cz/civic/civic-hybrid/ [17]

Volkswagen

Touareg

Hybrid[online]

2011.

http://www.automobilemag.com/green/news/0903_2011_volkswagen_touareg_hybrid/i ndex.html [18]

Chevrolet

Volt

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.chevroletcarz.net/2009/06/15/chevrolet-volt-photos/ [19] Transformace energie v závislosti na provozním režimu [online] 2011. Dostupné z WWW:

http://www.energetickyporadce.cz/data/sharedfiles/Ilustracni-

obrazky/Referencni-projekty/honda-jizdni-rezimy.jpg [20] Transformace energie v závislosti na provozním režimu [online] 2011. Dostupné z WWW:

http://www.energetickyporadce.cz/data/sharedfiles/Ilustracni-

obrazky/Referencni-projekty/toyota-jizdni-rezimy.jpg [21] Samočinná sedmistupňová převodovka s elektromotory [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.xbimmers.com/forums/showthread.php?t=294839 [22] KAMEŠ, Josef. Alternativní pohony automobilů. 1 dotisk 1. Vydání. Praha: Nakladatelství BEN – technická literatura, 2008. 232 s. ISBN 978-80-7300-127-8 [23] ] VLK, František. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5 [24]

Volvo

V60

Plug-in

Hybrid

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.auto.cz/volvo-v60-plug-in-hybrid-nov-informace-a-fotografie-54691 [25]

Toyota

Prius

Hybrid

[online]

2011.

Dostupné

http://www.toyotapriuspic.com/toyota-prius-hybrid-road-photos.html 57

z WWW:

[26]

Mapa

dobíjecích

v ČR

stanic

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.elektromobily.org/wiki/Mapy_nab%C3%ADjec%C3%ADch_stanic [27]

Bmw

Hydrogen

7[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.biofuelstp.eu/hydrogen.html [28]

Konstrukce

automobilu

na

LPG

[online]

2011.

Dostupné

z WWW:

http://www.autanaplyn.cz/sekvencni-vstrikovani/ [29] Systém se směšovačem řízený lambda sondou [online] 2011. Dostupné z WWW: http://www.autanaplyn.cz/systemy-lpg/

58