SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM Közúti és Vasúti Járművek Tanszék
Alternatív hajtáslánc alkalmazhatósága kis haszongépjárművekben
Oszuska Gábor Járműgépészmérnök (BSc) 2009
1. Bevezetés 1.1 Alternatív hajtáslánc alkalmazásának szükségessége: A mai korszerű közúti járművek hajtása, 99%-ban kőolajszármazékokra épül. Ez az adat, ha figyelembe vesszük a világ olajkészletének tartalékait, jelentős távlatokban nem tartható fent. Az a probléma, míg a korszerűnek mondható járműhajtási rendszerek rendkívül nagy fejlődésen ment keresztül az elmúlt évtizedekben, addig e fejlesztések, szinte kizárólag Otto és Diesel üzemű gépjárművekre korlátozódtak. A XX. század hajnalától a belsőégésű motorokkal hajtott közúti járművek energia kielégítésének súlypontja, szinte kizárólag a fosszilis, nem megújuló energiaforrások felé torlódott el. Ennek következtében a ma kb. 700-750 millió darabra becsülhető gépkocsiállomány a következőképpen alakul: •
99% Otto, vagy Diesel üzemű
•
Kb. 3,5 millió db. (0,5 %) propán-butángáz (LPG=Liquefied Petroleum Gasolin) hajtású
•
Kb. 850 ezer db. (~0,1 %) földgáz (LNG=Liquified Natural Gas és CNG=Compressed Natural Gas) hajtású
•
A maradék az összes hibrid, alternatív, illetve elektromos és egyedi jármű
Érdekesség, hogy 1900-ban az Amerikai Egyesült Államokban 4192db autót gyártottak, ebből 1681 db (40,1 %) gőz, 1575 db (37,6 %) villamos és csak 936 db (22,3 %) volt benzinhajtású. A Földön elérhető primer-energiaforrások két csoportra bonthatók. Kimerülő energiaforrások: •
Föld külső kérgében, korlátozott mennyiségben található, fosszilis keletkezésű ásványi tüzelőanyagok, amelyek rendkívül hosszú idő alatt képződnek.
•
Dúsított, feldolgozott állapotú, természetben fellelhető szilárd ásvány-kőzet anyagokból származó nukleáris üzemanyagok.
•
Geotermikus energiaforrások.
Megújuló energiaforrások: •
Gravitációs energia: árapály, égitestek vonzása.
•
Napenergia, szélenergia, vízfolyások, tengeri áramlások, hullámzások energiája.
•
Biológiai energiafajták: pl. biomassza.
Ahhoz, hogy a járművek meghajtásához használható megoldás szülessen, a primer energiahordozókból átalakított szekunder energiaforrások szükségesek: •
Villamos energia
•
Gyártott gázok, pl.: hidrogéngáz
•
Lepárlási termékek pl.: benzin, gázolaj, PB-gáz
•
Hőhordozók pl.: gőzök, gázok, folyadékok
•
Stb.
Az alternatív járműhajtási megoldások bevezetését a már említett okokon túl az a tény is sürgeti, hogy a fosszilis energiaforrások a bennük található széntartalmú energiahordozók elégetése folytán, nagymennyiségű környezetszennyező égéstermék kibocsátásával szennyezik a légkört. A környezetszennyezés, amiben a különböző típusú közlekedési formák nagymértékben szerepet játszanak, ma már óriási problémát jelent a Földnek. A globális felmelegedés környezeti hatására utaló legfontosabb megfigyelések: •
A kontinentális jégtakaró10%-kal csökkent.
•
Tavaszi hóolvadás korábban indul.
•
Folyók, tavak jege korábban kezd olvadni.
•
Az Északi Sark körzetében a jég elvékonyodott, kiterjedése nyáron 10-15%-kal csökkent.
•
Magashegységek gleccserei visszahúzódnak.
•
Élőhelyek magasabb szélességek felé tolódnak.
•
Áramlási rendszerek módosultak (trópusokon, nyugatias szelek övében).
1.1. ábra: A széndioxid hatása a hőmérsékletváltozásra
Az 1.1. ábra a napfoltok számát, a földfelszín hőmérsékletét és a légkör szén-dioxidkoncentrációját ábrázolja. A vörös görbe a hőmérséklet változása Celsius fokban, a sárga a napfoltok száma, a kék pedig a légkör szén-dioxid koncentrációja ppm-ben (parts per million, magyarul rész a millióban). Utóbbit a hatvanas évekig tengerszinten, majd később a Mauna Loa hegyen (Hawaii) mérték, ezért található kétféle jelölése az ábrán. A napfoltok számának változása jó jellemzője a naptevékenységnek. Azonban a napfoltszám hosszú távú változását szemléltető görbe, nincs kölcsönös viszonyban a hőmérséklet változását bemutató görbével. Az ábra vizsgálata arra enged következtetni, hogy a globális felmelegedés egyik okozója, a légkör széndioxid mennyiségének növekedése. Fontos információ, hogy megtudjuk a mai járművekről, mekkora mértékben okolhatók a környezetszennyezésért. Ennek felderítéséhez utána kell járni, hogy a különböző szennyezőanyagok kibocsátásának szempontjából, mekkora rész tulajdonítható a közlekedésben résztvevő különböző jármű fajtáknak.
káros anyagok millió tonna/év
CH
CO
NO2
SOx
részecske
3,0 1,0 0,7 0,1 0,2 0,2 0,4 0,5 6,1 18,2 33,5
28,0 8,2 9,8 0,1 1,0 0,2 1,4 4,4 53,1 73,4 72,3
3,4 1,2 3,3 0,0 0,1 0,7 0,2 0,9 9,8 20,3 48,3
0,1 0,1 0,3 0,0 0,1 0,2 0,1 0,9 21,4 4,2
0,5 0,2 0,4 0,1 0,0 0,0 0,1 1,3 8,1 16,0
kibocsátási területek
személyautók könnyű tehergk. nehéz tehergk. motorkerékpárok légi járművek vasút hajók egyéb közlekedés összesen összesen közlekedés %-a
1.2. táblázat: A károsanyag emisszió megoszlása kibocsátási területenként az Egyesült Államokba
Az 1.2 táblázat a fejlett ipari országokra jellemző arányokról ad tájékoztatást az Amerikai Egyesült Államok példáján keresztül. Jól látszik a megvizsgált területeken, hogy a közlekedés, az összes légszennyezésnek viszonylag nagy százalékát alkotja. Ebből az következik, hogy a személy és teherjárművek számának növekedése magával hordozza a környezetszennyezés növekedését, a környezeti terhelések emelkedését. Az emberekre nézve összefüggés figyelhető meg légkörszennyeződés, az emisszió mértékének változása és az emberek nagy részénél felmerülő egészségi állapotváltozás között.
A fosszilis energiahordozó készletek rohamos csökkenése, a főleg ezekre épülő közlekedés és a környezetre gyakorolt káros hatások miatt, szükségessé válik a különböző alternatív hajtásláncok alkalmazása. A hajtásrendszer váltás időigényes folyamat. Alternatív megoldások keresése és fejlesztése több fronton zajlik. A kőolaj lobbi elég nagy ahhoz, hogy az ismert negatívumai ellenére is a hagyományos belsőégésű hajtások addig uralkodóak legyenek, amíg a különböző alternatív megoldások az alábbi szempontok szerint nem jelentenek majd előnyt a járműhajtásban: •
Előállítási költség
•
Környezetszennyezés
•
Zajkibocsátás
•
Biztonság
•
Töltési idő
•
Hatásfok
•
Infrastruktúra
•
Hatósugár
•
Üzembiztonság
•
Karbantartásigény
•
Divat
•
Stb.
Csak ezeket a szempontokat figyelembe véve, az Otto és Diesel üzemű autók több pontban is előnyt élveznek. Az infrastruktúra tekintetében vannak meglátásom szerint a legnagyobb lemaradásban a különböző alternatív lehetőségek. A töltőállomások kiépítettsége és a karbantartó szervízhálózatok szinte kizárólag a hagyományos belsőégésű motorok által hajtott járművek igényeihez vannak kialakítva. Ezen okok miatt a teljes rendszerváltás, a fosszilis energiahordozók teljes elhagyása még sokáig el fog tolódni.
Szakdolgozatomban olyan városi forgalomban résztvevő kis haszongépjármű alternatív hajtási lehetőségét vizsgálom, ami képes lehet a vele szemben támasztott követelményeket teljesíteni. Megnézem milyen előnyökkel és hátrányokkal járhat tisztán villamos hajtáslánc alkalmazása ebben a kategóriában.
2. Alternatív járműhajtási lehetőségek Környezet barátabb autók gyártása az egyik legfontosabb kitűzött cél az autóiparban. A személy és teherjárművek számának növekedéséből egyenesen következik a környezetszennyezés, a városi szmog növekedése. Az új trendek szerint a kormányok világszerte egyre szigorúbb emissziós előírásokat követelnek meg az új járművekkel szemben. Az alternatív járműhajtási megoldások kutatási irányai is olyan lehetőségeket keresnek,
melyek
a
környezetkárosítási
problémák
megoldására
törekednek.
Környezetbarát autó gyártásának lehetőségeit a 2.1. ábra szemlélteti.
2.1. ábra: Környezetbarát autó gyártásának lehetőségei
Az ábrán látható, hogy a környezetvédelmi fejlesztések a hagyományos, belsőégésű motorok területén is érhetnek el eredményt. A mai napig rendkívüli erőfeszítéseket tesznek a gyárak az egyre szigorodó emissziós normák teljesítésére. Az alternatív lehetőségek károsanyag kibocsátás szempontjából több csoportra választhatók. A cél olyan emisszió mentes jármű előállítása, amely minden követelmény szerint képes a kőolaj alapú motorhajtóanyagokkal hajtott járművek felváltására. Egy ilyen ideális hajtáslánc kombináció a következő lehet. Hajtóanyag a hidrogén, amelynek előállítása szél és napenergia segítségével történik. Az energiaátalakítás tüzelőanyag cella, a járműhajtás pedig villanymotor segítségével lenne megoldható, amelyeknek nincs környezetszennyező hatása. E rendszer már létezik, de gazdaságos tömeggyártása még fejlesztéseket igényel.
2.1. Fosszilis hajtóanyagok helyzete a jövőre nézve Gépjárművek hajtására általában kémiai, vagy elektromos energiát használnak. A motorizáció megjelenése és elterjedése óta, a legjobban a gázolaj és a benzin terjedt el hajtóanyagként. Ezek a tüzelőanyagok kémiai energiát hordoznak folyékony állapotban. Évmilliók alatt biomasszából, növényi és állati eredetű anyagokból keletkeznek biológiai és kémiai folyamatok által. Ezt az egyfajta biomassza eredetű energiahordozót használja a mai járműpark több, mint 99,5 %- a! Ez az energiafajta nem megújuló, vagyis a csak ettől való függés óhatatlan következménye a készletek teljes kimerülése. Az etanolt és a földgázt már a belsőégésű motorok születésekor számon tartották, mint lehetséges hajtóanyagot. A kőolaj alapú nyersanyagok olcsósága és nagy mennyisége miatt ezeket nem nagyon alkalmazták autók hajtására. Ezek az óriási előnyei a benzinnek és a gázolajnak mára szinte teljesen megszűntek. A következő diagramok is ezt szemléltetik. A világ olajtermelése 25 20
Milliárd hordó/év
15 10
2050
2040
2035
2030
2020
2010
2000
1990
1985
1980
1970
1960
1950
1940
0
1930
5
2.2. diagram: A világ olajtermelésének eddigi és várható alakulása
A földgáz fogyasztói ára 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2.3. diagram: A földgáz fogyasztói árának növekedése 1988-2004-ig
2004
2.2. Alternatív motorhajtóanyagok A járműhajtásra alkalmas tüzelőanyagok két csoportra bonthatók. Folyadék és gáz halmazállapotúak lehetnek. A ma leggyakrabban alkalmazott tüzelőanyagok a következők: • • •
• • • •
Benzin Gázolaj Földgáz o LNG (Liquified Natural Gas) o CNG (Compressed Natural Gas) o LPG (Liquefied Petroleum Gasolin) kis nyomáson cseppfolyósított PB gáz Bioetanol Biodízel Hidrogén Stb. Ezeket a hajtóanyagokat többféle szempontból kell összehasonlítani, hogy képet
kapjunk előnyeikről és hátrányaikról. Energiasűrűség: Az első összehasonlítási szempont az energiasűrűség szerinti. A motorhajtóanyagok energiasűrűsége egy rendkívül fontos anyagjellemző, melyből a jármű hatósugarára következtethetünk. Egy tankolással mekkora út megtétele lehetséges. Az energiasűrűséget kétféleképpen vizsgálhatjuk. Vonatkozhat egységnyi tömegre, ekkor a mértékegység pl.: kWh/kg, vagy egységnyi térfogatra, pl.: kWh/liter. A 2.4. diagram különböző tüzelőanyagok energiasűrűségét mutatja egységnyi térfogatra és egységnyi tömegre nézve.
2.4. diagram: Különböző üzemanyagok energiasűrűsége
A diagramból kitűnik, hogy térfogategységet vizsgálva a gázok energiatartalma nagyon kicsi. Egységnyi térfogatban a gázolaj tárolja a legtöbb energiát. Erősen összesűrített gázoknál is rendkívül nagy tartályok kellenek, hogy akár minimális hatósugarat el lehessen érni.
A motorok működése szempontjából nagyon fontos, hogy a tüzelőanyag és levegő megfelelő arányú keveréke kerüljön a hengerekbe. Minden hajtóanyagnak van ideális elméleti keverékaránya. A 2.4. táblázat nem tartalmazza, hogy 1 liternyi különböző típusú elméleti levegő-tüzelőanyag keverékek energiatartalma mekkora. Ezt vizsgálva az tapasztalható, hogy az energiatartalom nagy különbségeit jól kompenzálja a különböző üzemanyagok, eltérő levegőszükséglete. A különböző elméleti keverékarányokat és a keverékek energiatartalmait a 2.5. táblázat tartalmazza és a 2.6. diagram szemlélteti.
Elméleti keverékarány Levegő (kg) / Tüzelőanyag (kg) 34 Hidrogén 17,2 Földgáz 15,5 PB-gáz 14,5 Gázolaj 14,7 Benzin 9 Etanol
Keverék energiatartalma kWh/l 1,02 1,02 1,08 1,07 1,12 1,16
2.5. táblázat: Elméleti keverékarányok és a keverékek energiatartalmai
Különböző tözelőanyag keverékek energiatartalma 1,2
k W / lite r
1,15 1,1 1,05 1 0,95 Hidrogén
Földgáz
PB-gáz
Gázolaj
Benzin
Etanol
2.6. diagram: Különböző elméleti-keverékaránnyal rendelkező tüzelőanyagok keverékeinek energiatartalma
A keverék energiatartalom a tüzelőanyag energiatartamától, sűrűségétől és az elméleti keverékarány nagyságától függ. A különböző tüzelőanyagok térfogatra vetített energiasűrűségeinek nagy eltérései a keverékek energiatartalmának vizsgálatakor azért mutatnak szinte kiegyenlített értékeket, mert a nagyobb energiatartalmú tüzelőanyagoknak lényegesen nagyobb az elméleti keverékaránya.
Környezetvédelem:
A belsőégésű motorok által kibocsátott égéstermékek, az első (bevezető) fejezetben leírtak szerint számos környezeti probléma miatt okolhatók. Az üvegházhatást okozó kibocsátott károsanyagok közül a szén-dioxid (CO2) van jelen a legnagyobb térfogat százalékban a kipufogógázokban. A szén-dioxid az egyik legfőbb okozója a Föld globális felmelegedésének. A légszennyező anyagok további veszélye az általuk okozott füstköd, más néven szmog. A gépjármű emisszió üvegházgázai a következők: •
Szén-dioxid
(CO2)
•
Szén-monoxid
(CO)
•
Nitrogén-oxidok
(NOx)
•
Sósav gáz
(HCl)
•
Kén-dioxid
(SO2)
A következő 2.7. diagramon látható, hogy különböző tüzelőanyagokkal történő egységnyi energia előállításakor mennyi széndioxid kerül a levegőbe. Egységnyi energia előallításakor kibocsátott széndioxid mennyiség 0,45 0,4 kg (CO2) / kWh
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Hidrogén
Földgáz
PB-gáz
Gázolaj
Benzin
Etanol
2.7. diagram: Egységnyi energia előállításakor kibocsátott szén-dioxid mennyiségek
A diagramon látható, hogy a hidrogén elégésekor nem keletkezik szén-dioxid így ebből a szempontból tökéletes hajtóanyagnak számít, míg a legkedvezőtlenebb értékekkel az etanol bír. Az etanolt azonban máshogy kell kezelni e tekintetben, mert újratermelhető tüzelőanyag. A növények melyekből előállítják, a növekedésük során elméletileg a levegőben található szén-dioxidból ugyan annyit elnyelnek, mint amennyi az elégetésük során keletkezik. Így az etanol környezeti hatása is kedvezőnek mondható.
Előállítás önköltsége:
Rendkívül fontos összehasonlítási szempont. A hajtóanyagok előállításának önköltségeit főképp a következő 3 folyamat energiaszükséglete határozza meg. •
Kitermelés
•
Feldolgozás
•
Szállítás
Kétféle szempontból érdemes bemutatni a különböző előállítási önköltségeket: •
Egységnyi tömegű tüzelőanyagok előállításának önköltsége
•
Egységnyi energiájú tüzelőanyag mennyiségek előállítási önköltsége Hajtóanyagok önköltségei a benzin önköltségéhez viszonyítva 450 400 350 300 Önköltség/energia
250 %
Önköltség/kg
200 150 100 50 0 Hidrogén
CNG
PB-gáz
Gázolaj
Benzin
Etanol
2.8 diagram: Hajtóanyagok önköltségei a benzin önköltségéhez viszonyítva
A gazdaságos előállíthatóság rendkívül fontos szempont, amely nagyban befolyásolja, hogy az egyes alternatív megoldások mikor terjedhetnek el. A 2.8. diagram a különböző hajtóanyagok önköltségeit hasonlítja össze a benzin önköltségével. Látható, hogy a legolcsóbb a CNG és a PB-gáz. Egységnyi tömeg előállítását vizsgálva legdrágább a hidrogén, míg egységnyi energia előállítása az etanol esetében a legköltségesebb.
A legoptimálisabb hajtóanyag kiválasztása rendkívül nehéz. Az eddig vizsgált szempontok is megmutatták, hogy nincs olyan tüzelőanyag amely minden szempontból a legelőnyösebb tulajdonsággal bírna. •
Adott térfogattal megtehető hatósugár szerint a legoptimálisabb a gázolaj
•
Adott tüzelőanyag tömeggel megtehető legnagyobb távolság szerint a hidrogén az első
•
A legkörnyezetkímélőbb megoldást a hidrogén jelenti
•
Előállítási önköltség szempontjából a földgáz és PB-gáz a legolcsóbb
A jövőre nézve megállapítható, hogy a megújuló energiaforrások egyre nagyobb előnyt fognak élvezni a fosszilis, kimerülő energiaforrásokkal szemben. Ebben az esetben a
bioüzemanyagok
és
a
hidrogén
jöhet
szóba
elsődleges
megoldásként.
A
biohajtóanyagoknál problémát jelent, hogy termelhetőségi korlátaik vannak és így az energiaszükséglet töredékét tudják csak biztosítani a járműhajtási rendszerek számára. A jövő hajtóanyaga minden bizonnyal a hidrogén lesz! Amíg a hidrogén belsőégésű motorokban való alkalmazhatóságának tökéletesítése folyik, addig a ma elérhető és használható
alternatív
hajtóanyagok
jelenthetnek
ideiglenes
megoldást
a
környezetszennyezés csökkentésére. A földgáz, a bioetanol és a biodízel a legelterjedtebb ma használatos alternatív hajtóanyag.
2.3 Hibrid hajtáslánc
A járművekben alkalmazható villamos energiatárolók ma még nem teszik lehetővé olyan tisztán villamos hajtáslánc alkalmazhatóságát, amely a hagyományos járműhajtásnál megszokott követelményeket minden téren ki tudná elégíteni. A jövőben a tüzelőanyag cellás elektromos hajtás minden bizonnyal le tudja majd küzdeni ezt a problémát. Ma már elérhető és alkalmazott átmeneti alternatív megoldás a hibridhajtási rendszer, ami két eltérő hajtásrendszer kombinációja. Legalább két energia-átalakítóból és két energiatárolóból épül fel. A ma leggyakrabban alkalmazott hibrid járművek átmenetek a tisztán villamos és a hagyományos belsőégésű motoros hajtás között. Ez azt jelenti, hogy a gyakorlatban szinte mindig valamilyen belsőégésű és villanymotor közös alkalmazását valósítják meg. A cél az, hogy a különböző hajtásrendszerek által nyújtható előnyök úgy érvényesüljenek, hogy a negatívumok lehetőleg minimálisak legyenek. A hajtás során a belsőégésű motor azon tulajdonságait akarjuk kihasználni, mint a nagy hatósugár, gyors utántölthetőség, kiépített infrastruktúra, stb. a villanymotornak pedig a károsanyag-kibocsátás nélküli üzemét és a fékenergia visszanyerő tulajdonságát. A hibridjárművek különböző felhasználói igények kielégítésére alkalmazhatók. A felhasználói célokhoz igazodva szerkezeti kialakítás szerint az alábbi rendszerek alakultak ki.
2.9 diagram: Hibridhajtások csoportosítása szerkezeti kialakítás szerint
A 2.9 diagramon látható, hogy a hibridhajtások három csoportba: soros, párhuzamos, valamint az ezeket összehangoló vegyes csoportba sorolhatók.
2.3.1 Párhuzamos hibridrendszerek Párhuzamos hibridrendszer esetén, mind a belsőégésű motor, mind a villanymotor mechanikus kapcsolatban van a hajtott kerekekkel. A két hajtás összedolgozhat, de különkülön is hajthat. A két-két energia-átalakítón és energiatárolón kívül valamilyen erőátviteli berendezés is része a hajtásláncnak. A két motor háromféle módon alkothat párhuzamos hibridrendszert. A motorok teljesítménye összeadódhat: •
közvetlenül nyomatékösszegző rendszerként
•
nyomatékváltó közvetítésével fordulatösszegző rendszerként
•
az útra kifejtve vonóerő-összegző rendszerként
2.10 ábra: Párhuzamos hibridhajtás alrendszerei
2.3.2 Soros hibridrendszerek
A soros hibridrendszer jellegzetessége, hogy nincs közvetlen mechanikus kapcsolat a belsőégésű motor és a hajtott kerekek között. A kerekeket kizárólag a villanymotor hajtja. A belsőégésű motor egy generátort hajt, melynek feladata egyrészt a villanymotor táplálása, valamint az energiatárolók töltése. A rendszert egyszerűsíti a sebességváltó elmaradása. Ennek a megoldásnak az az előnye, hogy mivel a belsőégésű motor nincs közvetlen mechanikus kapcsolatban a hajtott kerekekkel ezért üzemeltetési területe mindig az adott szempontok szerinti optimum kielégítésére állítható. Ezek a szempontok általában az optimális teljesítményigény, az optimális fogyasztás vagy az optimális károsanyagkibocsátás biztosítása érdekében fogalmazódnak meg. Ennek elérése céljából a belsőégésű motor többféleképpen működhet soros hibridrendszerben: •
Állandóan a jármű pillanatnyi teljesítmény szükségletét biztosítva
•
Egy adott optimális fordulatszámon üzemelve, a kedvező fogyasztás és szennyezőanyag-kibocsátás érdekében
•
Szakaszosan
A soros rendszer legnagyobb hátránya, hogy többször kell az energiát átalakítani a hajtás során, mint a többi rendszerben. Először a tüzelőanyag által tárolt kémiai energiát mechanikai energiává alakítja a belsőégésű motor. Ezután ezt a generátor villamos energiává alakítja, majd végül a villanymotor újra mechanikai energiává alakítja a villamos energiát. Ez azért kedvezőtlen, mert minden energiaátalakítási folyamat veszteséggel jár.
2.11 ábra: Soros hibridhajtás
2.3.3 Vegyes hibridrendszerek
A vegyes hibridrendszereknek két fajtája van a kombinált és a teljesítményelágazásos hajtás rendszer. Ezek a soros és párhuzamos hibridhajtás keverékei.
A kombinált rendszer A soros hibridre hasonlít, de egy tengelykapcsoló segítségével a belsőégésű motor közvetlenül is hajthatja a kerekeket. Azért van erre szükség, mert például nagy sebességű haladásnál így jobb összhatásfok érhető el. A csúcsteljesítmény növelése is elérhető, mert mindkét villamos gép villanymotor üzemben működhet, ha a belsőégésű motor is közvetlenül a kerekeket hajtja. A rendszer negatívuma a soros hajtáshoz képest, hogy a tengelykapcsoló beépítésével eggyel több szerkezeti elem található a hajtásláncban ezáltal bonyolultabb. A belsőégésű motor és generátor elhelyezése itt nem választható meg szabadon, mivel a kerekek belsőégésű motorral történő hajtásához mechanikus kapcsolatra is szükséges van. A rendszer elvi felépítését a 2.12 ábra mutatja.
2.12 ábra: Vegyes kombinált hibridrendszer
Teljesítmény-elágazásos rendszer Ez a legbonyolultabb hibrid megoldás. A belsőégésű motor teljesítménye kettéágazik. Az egyik ág mechanikus úton hajtja a kerekeket, a másik ág pedig két villamos gép közvetítésével jut a kerekekhez, vagy az akkumulátor töltésében vesz részt. Ezeken a hajtáselemeken kívül nincs szükség sebességváltóra, mivel a bolygómű és a villamos gépek fokozatmentes nyomatékváltóként működnek. Az elvi felépítést a 2.13 ábra szemlélteti.
2.13 ábra: Vegyes teljesítmény-elágazásos hibridrendszer
A legnagyobb darabszámban értékesített hibridjármű a Toyota Prius, ami teljesítményelágazásos hajtáslánccal rendelkezik. Ennél a rendszernél általában a következő hajtás stratégiát alkalmazzák. Indulás: Az elektromos motor sajátosságát kihasználva, miszerint alacsony fordulatszámon adja le a legnagyobb forgatónyomatékot, indulásnál nincs szükség a hagyományos motorra. Ez így nagyon kedvező, mert például az Otto üzemű motor hatásfoka nem túl kedvező az indulási szakaszban. Normál üzem: Ilyenkor a belsőégésű motor a kedvező hatásfokú üzemi tartományban közvetlenül hajtja a kerekeket és tölti az akkumulátorokat. Általában nincs szükség a villamos hajtásra. Lassú üzem: Azokban az esetekben, mikor a jármű alacsony sebességgel, motorféküzemben halad vagy áll, a belsőégésű motor kikapcsol és a villanymotor mozgatja a gépkocsit. Gyorsítás: Gyorsításkor a belsőégésű motor nyomatékát a bolygómű kettéosztja. Hajtja a kerekeket és a generátort. A generátorban keletkezett árammal a villanymotor is besegít a hajtásba. Itt a vezérlőrendszer úgy osztja el a nyomatékot a két ág között, hogy a motorok a lehető legjobb hatásfokon dolgozzanak. Maximális gyorsításkor a teljesítmény úgy fokozható, hogy a generátoron kívül az akkumulátor is áramot ad le a villanymotornak.
Lassítás: Fékezéskor lehetőség van a mozgási energia egy részének villamos energiává alakítására. Ilyenkor az elektromos motor generátorként működik és így tudja tölteni lassításokkor a villamos energiatárolókat. A hibridjárművek nem csak szerkezeti kialakításaik szerint csoportosíthatóak, hanem a bennük működő villamos hajtás teljesítőképessége szerint is. Ebből a szempontból a következő rendszerek léteznek:
Feszültség
Elérhető CO2 és fogyasztás csökkenés
Törpefeszültségű hibrid 14(…42) V
5-10 %
Kisfeszültségű hibrid ≤42 V
10-15 %
Médiumhibrid
Középfeszültségű hibrid ≤144 V
15-20 %
Fullhibrid
Nagyfeszültségű hibrid >200 V
25-30 %
Mikrohibrid Mildhibrid
2.14 táblázat: Hibridek csoportosítása a villamos hajtás teljesítőképessége szerint
A különböző hibridhajtásoknak számos előnye van. A két különböző motort ügyesen összehangolva szennyezőanyag kibocsátás és tüzelőanyag fogyasztás csökkenése érhető el. A légszennyezésre érzékeny övezetekben, mint például a városi forgalomban emissziómentes és csendes üzemmód valósítható meg. Áthidalja azokat a problémákat, amelyek a kizárólag elektromos meghajtású járművek széleskörű elterjedését gátolják. •
A meglévő infrastruktúrával üzemeltethetők
•
Megfelelő hatótávolság biztosítható
•
A teljesítményt nem kizárólag a villamosenergia-forrás biztosítja
A hibridjárművek bonyolultabbak a hagyományos hajtásláncúaknál. Ebből kifolyólag előállításuk költségesebb, karbantartásuk nagyobb szakértelmet igényel, beszerzési áruk drágább. Jelentős darabszámú hibridautó értékesítésére máig csak a Toyota és a Honda gyár volt képes, azonban további gyártók modelljeinek megjelenése várható a piacon. Becslések szerint a hibridautók részaránya 2015-re elérheti a 10%-ot is.
2.4 Tüzelőanyag-cella alkalmazása a járműhajtásban
A jövő célkitűzése olyan alternatív járműhajtási rendszer kifejlesztése, mely nagy teljesítményű, környezetbarát, energiatakarékos és gazdaságos. A jelenlegi lehetőségek közül, a tüzelőanyag-cellás technológia alkalmazásában rejlik a legnagyobb lehetőség e célok teljesítésére. A ma még rendelkezésre álló fosszilis energiahordozó készletekből a tüzelőanyag-cella segítségével, jó hatásfokkal és környezetbarát módon lehet másodlagos hasznos energiát előállítani. A járműipari felhasználáson kívül minden olyan területen alkalmazható ahol az energiafogyasztás, energiaátalakítás és az energianyerés fontos szerepet játszik. A tüzelőanyag-cella egy elektrokémiai energia átalakító. Kémiailag tárolt energiát elektromos energiává és hőenergiává alakítja. A fejlesztések során kiderült, hogy a tüzelőanyag-cellás hajtás legideálisabb hajtóanyaga a hidrogén. A hidrogént azonban elő kell állítani. Ez lehetséges elektrolízissel, mely során elektromos áram a vizet hidrogénre és oxigénre bontja. A teljes reakció: 2H2O + Wel → 2H2 + O2. Mint látható, a hidrogén előállítása is elektromos energiát igényel. Hajtóanyagként a metanol, etanol, benzin, földgáz, stb. mint hidrogéntartalmú energiahordozók szintén számításba jöhetnek, de ahhoz, hogy alkalmasak legyenek a tüzelőanyag-cella működtetésére, egy reform-eljárással a bennük lévő hidrogén tartalmat ki kell nyerni. Tüzelőanyag-cella felépítése
2.15 ábra: Tüzelőanyag-cella felépítésének elvi sémája
A 2.15 ábra az elvi felépítést mutatja. A tüzelőanyag-cellában található egy anód, amihez a tüzelőanyagot (hidrogén) vezetik, egy katód, amihez az oxidáló anyagot (levegő vagy oxigén) vezetik, valamint az elektrolit, ami a két elektródát választja el egymástól. A járművekben legismertebb tüzelőanyag-cella a protonvezető membrán-elektrolitos (PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Az elektrolitnak kettős feladata van. El kell szigetelnie egymástól az elektródákat úgy, hogy a két elektródához vezetett kiindulási anyagok ne érintkezhessenek, valamint ionvezető képességűnek kell lennie, hogy a kémiai reakció létrejöhessen. A hidrogénben tárolt kémiai energia a következő elektrokémiai folyamat során alakul elektromos energiává: •
Hidrogént vezetnek az anódhoz és oxigént a katódhoz.
•
Az anód oldalon a hidrogén ionizálódik, azaz minden molekula felhasad két elektronra és két pozitív töltésű hidrogénionra (protonra).
•
A protonok a kialakult feszültségkülönbség miatt, az anódtól az elektrolitmembránon keresztül átvándorolnak a katódhoz.
•
Az anód oldalon felszabaduló elektronokat az elektrolit nem képes vezetni, ezért az elektronoknak egy külső körön kell a katódhoz áramolniuk, ezáltal elektromos áram keletkezik, ami hajtja a motort.
•
Az elektronok a katód-oldalon az oxigénnel és a protonokkal vízzé egyesülnek.
Ahhoz hogy a villanymotoros hajtás álltál megkívánt elektromos teljesítmény biztosítható legyen, több tüzelőanyag-cella elektromos összekapcsolására van szükség. Attól függően, hogy a kimeneti feszültség, vagy az áramerősség növelését akarjuk elérni az összekapcsolás soros vagy párhuzamos lehet. A gyakorlatban általában sorba kapcsolt cellákkal hoznak létre telepeket. A telepek feszültsége a bennük sorba kapcsolt cellák számától, áramerőssége pedig a cellák felületének méretétől függ. A
tüzelőanyag-cellás
autók
lehetnek
közvetlen
elektromos,
vagy
hibrid
hajtásláncúak. A közvetlen elektromos hajtásláncnál a tüzelőanyag-cella által termelt áram egy villanymotort üzemeltet, ami mechanikus kapcsolatban van a hajtott kerekekkel. A hibrid-hajtásláncnál csupán annyi a különbség, hogy energiatárolási lehetőségként kiegészítő akkumulátorokat alkalmaznak. Kis terhelésnél az akkumulátorok töltődnek, de maximális teljesítményigénynél a tüzelőanyag-cellával párhuzamosan besegítenek a villanymotor hajtásába. A két kivitel elvi vázlatát a 2.16 ábra szemlélteti.
2.16 ábra: Tüzelőanyag-cellás hajtáslánc különböző elvi lehetőségei
A tüzelőanyag-cella alkalmazásának előnyei Ennek az alternatív megoldásnak az egyik legnagyobb előnye, hogy a hajtás során szennyezőanyag kibocsátás nincs. A hidrogénnel hajtott tüzelőanyag-cellás autó hatásfoka közel kétszer akkora, mint a hagyományos Otto és Diesel üzemű járműé. Szinte zajmentes vezetés biztosítható. Kevesebb mozgó alkatrészre van szükség, ezáltal a mai autókénál hosszabb élettartam érhető el. A hidrogén járműveken való tárolásának lehetőségével elérhetővé válnak a megfelelő hatótávolságú, villamos hajtással rendelkező, emisszió mentes autók. A hidrogén tárolására három kipróbált módszer áll rendelkezésre, de további fejlesztések vannak folyamatban. •
Nagynyomású hidrogéntárolók, amik már az 500-700 bar nyomást is elérhetik
•
Vákuum-szigetelt Kryogen-tárolók, melyek képesek a hidrogént nagyon alacsony hőmérsékleten cseppfolyós halmazállapotban tárolni. Az alkalmazott hűtési hőmérséklet -253 °C.
•
Fém-hidrid tárolók. Itt azt használják ki, hogy léteznek olyan fémek, melyek képesek a hidrogént megkötni a felületükön és leadni is. A tüzelőanyag cellás járművek elterjedéséhez szükség lenne a hidrogén-töltő, vagy
hidrogéntartály csere állomások kiépített infrastruktúrájára. A tömeggyártás beindulásának ez a legnagyobb hátráltatója, de kijelenthető, hogy a jövő a tüzelőanyag-cellás hajtásláncé.
3. Városi áruszállításra méretezett kis haszongépjármű villamos hajtásláncának alkalmazhatósági vizsgálata Dolgozatomban olyan kis haszongépjármű alkalmazhatóságát vizsgálom meg, mely a városi áruszállításban vesz részt és kizárólag villamos meghajtással rendelkezik. Arra keresem a választ, hogy egy villamos hajtáslánccal rendelkező kis teherautó, képes e kielégíteni, a városi áruszállítással szemben támasztott követelményeket. Milyen előnyei és hátrányai lehetnek ennek az alternatív megoldásnak a közlekedésben.
3.1 A városi közlekedés környezeti problémáinak lehetséges megoldása
A legtöbb város úthálózatának tervezésekor a mai gépjárműállomány töredéke volt a méretezés kiinduló adata. A városi gépjárművek növekvő számának köszönhetően, nagyon sok városban alakulnak ki közlekedési dugók (3.1. kép). A hagyományos belsőégésű motorok a közlekedés során még álló helyzetben is az egészségre káros égéstermékeket bocsátanak ki, melyek következtében a városi levegő szennyezettsége többszörösen meghaladhatja az egészséges határértéket. A tömegközlekedés fejlesztése rendkívül fontos, de nagyon költséges törekvés. A kerékpár, villamos, metró, trolibusz, villamos városi vasút, stb. mind kiváló környezetbarát közlekedési alternatíva, de előreláthatólag a közel és távolabbi jövőben sem fogják tudni teljesen kiszorítani az autókat a városokból.
3.1. kép: A városi szmog egyik okozója a közlekedés
21
A városok környezetvédelmének érdekében olyan járművekre van szükség, melyek emissziója lényegesen kisebb, mint a Diesel és Otto üzemű autóké. Az elektromos autók egyik legnagyobb előnye hogy, szennyező anyag kibocsátásuk nulla. . Az energiát, amit tárolnak és felhasználnak máshol állítják elő. Az elektromos autók így nem közvetlenül, hanem közvetve szintén szennyezik a környezetet, amennyiben az energiát, fosszilis tüzelőanyagból állítják elő. Ez a megoldás is előny a városok számára, mert a károsanyagkibocsátás nem a zsúfolt utcákon az emberek között történik. Környezeti szempontból az lenne a legjobb megoldás, ha a villamos meghajtáshoz szükséges energiát megújuló energiaforrásokból állítanánk elő.
3.2. kép: Környezetbarát villamos hajtás, megújuló és fosszilis energia felhasználásával
A megújuló energiaforrások lehetőségei:
A
környezetszennyezés
csökkentése
érdekében
törekedni
kell,
hogy
az
energiaszükséglet kielégítésében minél többet meg kell tenni a megújuló energiaforrások széleskörű használatáért. Energia termelésére a következő megújuló természeti erőforrások alkalmazhatók: •
Napsugárzás
●
Ár-apály energia
•
Folyóvíz-energia
●
Szélenergia
•
Biomassza
22
A Földön előforduló megújuló energiaforrásokat a 3.3. ábra szemlélteti.
3.3. kép: Megújuló energiaforrások és a föld energiafogyasztása
Az ábra szerint a Föld teljes energiaigénye a napból, folyóvízből, biomasszából, ár-apály jelenségből illetve szélből származó energiamennyiségnek csupán a töredéke. A legtöbb a Napból a Földre érkező energia. Ezekből az energiaforrásokból egyelőre sajnos csak keveset hasznosítunk, de a további fejlesztés és szélesebb körű felhasználás nagy lehetőség előtt áll.
3.2 A városi áruszállítással szemben támasztott követelmények
Egy kis-haszongépjármű villamos motorral történő hajtásához, tárolni kell benne a megfelelő energiamennyiséget. A járművek elektromos hajtásának ez a legnehezebben megoldható pontja. Ezeknek a járműveknek a hatótávolsága lényegesen kisebb, mint a hagyományos autóké. A leginkább elterjedt és legolcsóbb savas ólomakkumulátorok kb. 30Wh energiát tudnak tárolni 1 kg-ban. A korszerűnek számító lítium alapú akkumulátorok energiasűrűsége sem nagyobb 90-150 Wh/kg-nál, szemben a benzin 12.000 Wh/kg értékével. Ha egy átlagos tanknyi üzemanyagban lévő energiát szeretnénk magunkkal vinni, akkor lítium akkumulátorokból kb. 5 tonnát, ólomakkumulátorból ennek legalább háromszorosát kellene cipelni az út során.
23
Valójában azért nem ennyire sötét a kép, mert az elektromos meghajtás hatásfoka lényegesen jobb, mint az Otto, vagy Diesel motorral szerelt járműveké. A villamos hajtáslánc ezen okok miatt szinte kizárólag városi, kis hatótávolságot igénylő közlekedési formára alkalmas. Itt viszont óriási környezetvédelmi előnyei mutatkoznak. Az nagyon ritka, hogy egy kis haszongépjármű kizárólag városban közlekedjen. A tervezett jármű tehát nagyon speciális igények kielégítésére alkalmazható. A hatótávolsági, végsebességi, stb. korlátok miatt csak mérsékelten használható lakott területen kívüli, távolsági üzemre. Erre a célra a hibrid rendszer a mára már sikerrel alkalmazható, elérhető megoldás. Ahhoz, hogy az áruszállító járművek különböző hajtásláncait össze tudjam hasonlítani, fel kell állítani egy követelményrendszert és megnézni, hogy a különböző megoldások ezt hogyan képesek kielégíteni.
A városi áruszállításban résztvevő járművekkel szemben támasztott legfontosabb követelmények: •
megfelelő terhelhetőség
•
megfelelő teljesítmény
•
alacsony energiafogyasztás
•
kismértékű légszennyezés
•
megfelelő aktív és passzív biztonság
•
megfelelő előállítási költség
•
kis karbantartás igény
•
stb.
Ezeket az igényeket a jármű szerkezeti kialakítása és hajtási rendszere együtt képes kielégíteni.
A
villamos
hajtáslánc
vizsgálata
arra
irányul,
hogy
ezeknek
a
követelményeknek mennyire tud megfelelni egy elektromos autó a hagyományoshoz képest.
24
3.3 Járművek felkutatása, összehasonlítása:
3.4. táblázat: Különböző típsú kisteherautók összehasonlítása
25
2600-3500kg össztömegű haszongépjárművek keresését és összehasonlítását végeztem el. Választásom a Fiat Ducato átalakítható modelljére esett. A többi járműhez képest a saját tömege ’viszonylag’ kicsi, míg a megengedhető össztömege nagy. Ez a két adat azért fontos, mert így remélhetőleg megfelelő mértékű hasznos terhelhetőség marad, az átalakítás után, mivel az energiatárolók várhatóan nagy tömegűek lesznek. Az akkumulátorok töltésére menet közben is lehetőség nyílik, ha napelemeket helyezünk fel a raktér tetejére és esetleg az oldalára is. Ahhoz, hogy a lehető legnagyobb síkfelület álljon a rendelkezésre, az a legjobb megoldás, ha valamelyik alvázra egyedi felépítmény kerül. A vizsgálat bármelyik autóra elvégezhető, ha a számításokhoz szükséges adatok rendelkezésre állnak. A korszerűtlen, régi, környezetszennyező belsőégésű motorokkal rendelkező használt kisteherautók villamos hajtásláncúvá alakítása is lehetséges alternatíva.
3.3.1 A választott haszongépjármű jellemzői:
A Fiat Ducato 1981-es megjelenése óta igazi sikertörténet. Az egyik, ha nem a legnépszerűbb haszongépjármű Európában. Sikerének titka racionális okokra vezethető vissza. Kedvező ár, raktérkapacitás, teherbírás, megbízhatóság, minőség és jól kiépített szervizhálózat jellemzi. A második sorozat gyártása 1994-ben indult, amely a modulszerkezet jóvoltából nem kevesebb, mint ötszázféle kivitelben készült. Az autós szaksajtó az „Év áruszállítója 1994” címmel tüntette ki. A Fiat Ducato, a Peugeot Boxer és a Citroën Jumper a Fiat és a PSA közös fejlesztése, mióta 1978-ban, Atessában megalakult a Sevel (Società Europea Veicoli Leggeri), a Fiat és a PSA Peugeot Citroën közös vállalata. A partnerek részesedése egyforma, az üzemet a Fiat Auto igazgatja. Tekintettel a sikerre, 2002 januárjában meghosszabbították a közös vállalkozást, 2017-ig. 1995 és 2005 között 1,300,000-ről kétmillióra bővült a könnyű haszonjárművek európai piaca, ahol mindmáig vezet a Fiat Ducato, melyből 1981 óta több mint 1,7 millió darabot adtak el. A legfrissebb változat 2006-ban került bevezetésre és megőrizte elődjének alapkonstrukcióját a keresztben kialakított motort és fronthajtást. Rengeteg változata elérhető, én a szimplakabinos alvázas (átalakítható) konstrukciót választottam szakdolgozatomban, a számításokhoz szükséges példának.
26
3.3.2 A választott alvázas konstrukció fő méretei:
A Tengelytáv
3450
mm
L Max. hosszúság
5358
mm
Max. szélesség
2050
mm
Első nyomtáv
1810
mm
Hátsó nyomtáv
1790
mm
Max. magasság (üresen)
2254
mm
Első túlnyúlás
948
mm
Hátsó túlnyúlás
960
mm
M Magasság az alvázig (STDA)
650
mm
X Átalakított karosszéria hátsó túlnyúlásának maximális értéke
2070
mm
CA Kabin hátsó része és a hátsó tengely közötti távolság
2060
mm
S Max. elérhető szélesség
2350
mm
Z Max. hosszúság átalakítás után
6468
mm
3.3.3 A tervezett felépítmény méretei:
Hosszúság:
4000
mm
Szélesség:
2050
mm
Magasság:
1604
mm
Térfogat:
13
m³
27
3.3.4 Műszaki jellemzők: Motor:
2.2 Multijet
Hengerszám, elrendezés:
4, soros
Hengerűrtartalom (cm³):
2198
Kompresszió viszony:
7,5:1
Maximális teljesítmény: kW (LE) ford./percnél
74 (100) 1500
Környezetvédelmi szint:
EURO 4
Vezérlés:
2 felülfekvő vezérműtengely
Befecskendezés:
Common Rail típusú elektronikus vezérlésű közvetlen befecskendezés turbófeltöltővel
Erőátvitel: - Meghajtás
Elsőkerék
- Tengelykapcsoló
Egytárcsás, hidraulikus működtetésű
- Sebességfokozatok száma
5+hátramenet
1. 2. 3. 4. 5. Hátramenet Differenciálmű áttétel
3,727 : 1 1,952 : 1 1,290 : 1 0,875 : 1 0,647 : 1 3,154 : 1 4,933 : 1 (74/15 )
Kormányzás: - Kormánymű
fogasléces szervokormány
Fékrendszer – T (tárcsa): - Típus
kétkörös, első és hátsó tárcsafék, ABS
- Első tárcsa Ø (mm)
T 280 hűtött
- Hátsó tárcsa Ø (mm)
T 280
- Fékszervo Ø (coll)
11”
Felfüggesztés: - Első
McPherson típusú
- Hátsó
Merev csőtengely és hosszanti, parabolikus laprugók
Gumiabroncs:
215/70 R15
Végsebesség (km/h):
130 - 140
28
3.4 A 2.2 Multijet motorral meghajtott hajtáslánc
A kisteherautó hajtáslánca gyárilag 2.2 Multijet turbódiesel motorral rendelkezik. A villamos hajtáslánc kialakításához ezt az erőforrást és a hozzá tartozó rendszereket és hajtáselemeket, mint például tengelykapcsoló, nyomatékváltó, vízhűtés rendszere, generátor stb. ki kell szerelni. Az összehasonlíthatóság érdekében ábrázolom az eredeti és a villanymotoros hajtáslánc vonóerő diagramját. A hajtáslánc elemei a következők: o
Motor
o
Tengelykapcsoló
o
Sebességváltó
o
Differenciálmű
A vonóerő diagram meghatározásához szükség van a motor nyomatékának értékeire a fordulatszám függvényében, a sebességváltó fokozatainak és a differenciálműnek az áttételeire, a gumiabroncs dinamikus gördülési sugarára valamint a hajtásrendszer hatásfokára. Nyomaték felvétele a fordulatszám függvényében a gyárilag megadott nyomatéki jelleggörbéből: Fordulatszám (rpm) 0 500 800 1500 1510 1600 1700 1800 2500 2600 2800 3150 3400 3700 3950 4150 4250 4400 4500
Nyomaték (Nm) 0 0 150 249 250 249 248 249 249 245 237,5 225 212,5 200 190 176 162,5 149 140
3.5. diagram: 2.2 Multijet motor nyomaték és teljesítmény jelleggörbéje
29
Sebességváltó áttételei:
is
1. fokozat
3,727 : 1
2. fokozat
1,952 : 1
3. fokozat
1,290 : 1
4. fokozat
0,875 : 1
5. fokozat
0,647 : 1
Differenciálmű áttétel:
id
id =
4,933 : 1
Kerék adatok: Átmérő
ø
= 683
Sugár
r
= 341,5 mm
Dinamikus gördülési sugár
rg = 321,5 mm
Hajtáslánc hatásfoka
µ
mm
= 0,8
A vonóerő a fönti adatokból a következőképpen meghatározható.
Fv = ( M · is · id · µ ) / rg
(N)
Ha a sebesség függvényében akarjuk ábrázolni a vonóerőt, akkor szükséges a jármű sebességének a kiszámítása a fordulatszám és adott sebességváltó fokozat esetében.
v = ( nmotor · 2 · π · rg ) / ( is · id )
( m/s )
A vonóerő alakulását a sebesség függvényében a 3.6 diagram mutatja.
3.6. diagram: Kerekeken kifejtethető vonóerő a sebesség függvényében
30
3.5 A villamos hajtáslánc
A villanymotoros hajtáslánc számos előnyt nyújthat a városi járművekben. Környezetbarát megoldás, közvetlen károsanyag-kibocsátása nincs. Maga az elektromos motor lényegesen egyszerűbb, kevesebb alkatrészt tartalmaz, kevesebb karbantartást igényel, mint az Otto vagy Diesel motor. Hatásfoka nagy és ezenkívül nagy előnye még a városi közlekedésben, hogy nyomatéka az alacsony fordulatszám tartományban a legnagyobb. A villamos gépeknek különböző fajtái vannak. •
Egyenáramú gépek
•
Váltakozóáramú gépek:
-
Aszinkron gépek
-
Szinkron gépek
Az általam választott 3300 kg legnagyobb megengedett össztömegű Fiat Ducato haszongépjármű villamos hajtásához, az Egyesült Államok-béli Azure Dynamics cég villanymotorját választottam. A vállalatnak saját fejlesztései és szabadalmai vannak az elektromos és hibrid hajtási rendszerek területén, a könnyű és nehéz áruszállító jármű kategóriákban.
A
választott
motor
paraméterei
a
cég
honlapján
elérhetők
(http://www.azuredynamics.com/).
3.5.1 AC90 Motor és a DMOC645 motorvezérlő rendszer bemutatása Az AC90 motor a DMOC645 vezérlő rendszerrel együtt, szerkezeti kialakítása folytán könnyen és egyszerűen beépíthető áruszállító haszongépjárművek hajtásláncába. A hajtásláncban nincs szükség nyomatékváltó alkalmazására, a motor egy fix áttétel segítségével közvetlenül hajthatja a kerekeket.
3.7 kép: Az AC90 villanymotor és a DMOC645 motorvezérlő rendszer
31
A motor jellemzői: •
Háromfázisú AC (Alternating Current = váltakozó áram) indukciós motor
•
Léghűtéses
•
Nagy hatásfokú, kefenélküli kivitel
•
Kompakt, könnyű szerkezet
•
Költséghatékony üzemmód és nagy megbízhatóság
Motorvezérlő rendszer jellemzői: •
DSP (Digital Signal Processing = digitális jelfeldolgozó processor) központú vezérlés
•
Fékenergia visszatáplálási lehetőség
•
Könnyűszerkezetes
alumínium
váz,
vízálló
kivitel
(kivéve
hűtőventillátorokat) •
A vezérlőben található rendszerek túláram-elleni védelemének biztosítása
•
Inverter és a motor túlmelegedés elleni védelmének biztosítása
•
A túlfeszültség és a túl alacsony feszültség elleni védelem biztosítása
•
Túl magas fordulatszám és nyomaték korlátozása
•
Diagnosztikai lehetőség a különböző adatok megjeleníthetőségéhez
•
CAN hálózati kommunikációs lehetőség a jármű többi rendszerével
Műszaki adatok Maximális nyomaték Névleges fordulatszámon állandóan rendelkezésre álló nyomaték Névleges fordulatszám Maximális fordulatszám Maximális áramerősség A 312V-os rendszerben az 1000-2500-as fordulatszám tartományban állandóan levehető teljesítmény
Maximális hatásfok A 312V-os rendszer maximális teljesítménye AC90 motor tömege AC90 motor átmérője AC90 motor hossza DMOC645 vezérlő tömege DMOC645 vezérlő hossza DMOC645 vezérlő szélessége DMOC645 vezérlő magassága Javasolt minimális névleges akkumulátor feszültség Maximum névleges akkumulátor feszültség Minimális működési feszültség Maximális működési feszültség Minimum/maximum üzemi hőmérséklet
32
Érték 665 330 1350 5000 414
Mértékegység Nm Nm rpm rpm A
50
kW
94 94 189 394 520 27,5 585 260 310 312 336 100 400 -40 / 60
% kW kg mm mm kg mm mm mm V V V V °C
a
Az AC90 motor gyárilag megadott jelleggörbéi:
3.8 diagram: Nyomatéki jelleggörbe a fordulatszám függvényében
3.9 diagram: Teljesítmény jelleggörbe a fordulatszám függvényében
3.10 diagram: Nyomatéki jelleggörbe az alacsony fordulatszám tartományban
3.11 diagram: különböző fordulatszámokon a hatásfok alakulása a nyomaték függvényében
33
A villanymotornak, a városi közlekedésben elégséges menetdinamikát kell szolgáltatnia ahhoz, hogy a jármű akár 3000 kg össztömeggel se akadályozza a forgalmat. Ennek érdekében fel kell állítani egy olyan minimális követelményrendszert, amit a zökkenőmentes városi közlekedés érdekében teljesíteni kell a kisteherautónak. A jármű menetdinamikájával, hatótávolságával és terhelhetőségével szemben támasztott minimális követelmények: •
Végsebessége érje el a 70 km/h-át
•
Fel tudjon gyorsulni 60 km/h-ra kevesebb, mint 10 s alatt
•
Hatótávolsága a feltöltések között legyen legalább 60 km
•
A hasznos terhelhetőség minimum 500 kg legyen
3.5.2 A villamos hajtáslánccal biztosítható menetdinamika 3.5.2.1 Maximális vonóerő és a járműre ható menetellenállások számítása A járművek menetdinamikáját, a vonóerő és a menetellenállások legyőzéséhez szükséges erők egymáshoz való viszonya határozza meg. A maximális vonóerőt az elektromos motor paraméterei, a járműre ható menetellenállásokat pedig főként a jármű szerkezetének paraméterei határozzák meg. A vonóerő diagram megrajzolásához szükség van a villanymotor maximális nyomatékának alakulására a fordulatszám függvényében. A 3.8 diagram ezt ábrázolja. A hajtásláncban nincs szükség nyomatékváltóra, mert a motor egy fix áttétel segítségével képes a szükséges menetdinamikát szolgáltatni. Így egyszerűsödik a hajtáslánc, és ennek következménye a megbízhatóság és a hatásfok növekedése. Műszaki adatok: Jármű össztömege:
m = 3000
kg
Gördülési ellenállási tényező:
f
Jármű homlokfelülete:
A = 4,56
Légellenállási tényező:
cw ≈ 0,4
Levegő sűrűsége:
ρ
= 1,3
Hajtómű hatásfoka:
µ
= 0,94
Hajtáslánc összáttétele:
iö = 6,4 : 1
Dinamikus gördülési sugár:
rg = 336,5 mm
Gravitációs gyorsulás:
g
Súlyerő:
G = m· g N
= 0,015 (Aszfalt esetén)
≈ 9,81
34
m²
kg/m³
m/s²
Vonóerő meghatározása: A vonóerő a jármű mozgását biztosító erő, ami a gépjármű haladási irányába eső külső erők eredője. A számításnál ez a motor forgatónyomatékából adódó, a hajtott kerekeken jelentkező erő. Jele:
Fv (N)
Fv = ( M · iö · µ ) / rg
(N)
Menetellenállások meghatározása: A menetellenállások a jármű mozgását akadályozó erőhatások. A legfontosabb menetellenállások a következők: •
Gördülési ellenállás
Fg
•
Emelkedési ellenállás
Fem
•
Légellenállás
Fl
•
Gyorsuláskor fellépő tehetetlenségi erők ellenállása
Ft
A menetellenállások összege: F = Fg + Fem + Fl + Ft A mozgó járműre ható vonóerő és a menetellenállások vizsgálatakor három esetet különböztethető meg: •
Fv > F a jármű gyorsul
•
Fv = F a jármű egyenletes sebességgel halad
•
Fv < F a jármű lassul
Gördülési ellenállás:
3.12 ábra: Járműkerék gördülése talajon
Gördülési ellenállás az Y reakcióerő a távolságra való eltolódása következtében jön létre.
35
A gördülési ellenállás nagysága egyenlő azzal a vonóerő értékkel, ami a legyőzéséhez szükséges.
Fg = G · f
(N)
A gördülési ellenállás-tényező függ a jármű sebességétől, a gumiabroncs nyomásától és az útburkolat minőségétől. A közelítő számításoknál a sebesség és az abroncsnyomás hatását elhanyagoljuk és csak az útburkolat fajtájának hatását vesszük figyelembe. Légellenállás: Aerodinamikai kísérletek szerint a légellenállás meghatározásához, a következő képlet használható.
Fl = ρ / 2 · cw · A · v²
(N)
Emelkedési ellenállás: Az emelkedési ellenállás értéke mechanikai módszer szerint pontosan kiszámítható, tehát nincs szükség kísérleti módon meghatározott képletekre, mint a légellenállás, a gördülési ellenállás és a tehetetlenségi ellenállás esetében. A számításhoz szükséges tényezőket a 3.13 ábra szemlélteti.
3.13 ábra: Emelkedési ellenállás szemléltetése
Emelkedési ellenállás kiszámítása:
Fem = G · sinα
(N)
36
A jármű gyorsulásából adódó tehetetlenségi ellenállás: A gépjármű tehetetlenségi ereje három részből tevődik össze.
Ft = FtI + FtII + FtIII
(N)
FtI a gépkocsi egyenesvonalú mozgását végző tömegének a gyorsulással ellenkező irányban ható tehetetlenségi ereje; FtII a forgómozgást is végző járműkerekeknek a kerék kerületére redukált tehetetlenségi ereje; FtIII a motor forgómozgást végző tömegeinek a járműkerék kerületére redukált tehetetlenségi ereje. Közelítő számításoknál a tehetetlenségi erő:
Ft = ( G / g ) · ( dv / dt ) · б
(N)
A б = tehetetlenségi tényező б = 1,03 + 0,05 · is² közelítő képlet alapján lehet számolni, ahol is a sebességváltó adott fokozatának áttétele. A villanymotoros hajtáslánc sebességváltó nélküli, de a hajtáslánc összáttétele iö = 6,4 : 1. Ha iö értéket elosztom a gyári differenciálmű áttételének értékével, akkor megkapom, hogy mekkora sebességváltó áttétellel érhető el az is összáttétel. Ez az is ≈ 1,2974
érték:
A gyári differenciálmű meghagyása esetén, egy 1,2974 : 1-es fix
fogaskerék áttételt kell szerelni a hajtásláncba a motor és a differenciálmű közé. Behelyettesítve a б = 1,03 + 0,05 · is² képletbe
б ≈ 1,11416
Jármű sebességének meghatározása a motor fordulatszámának függvényében Ha a sebesség függvényében akarjuk ábrázolni a vonóerőt, akkor szükséges a jármű sebességének a kiszámítása a motorfordulatszám függvényében.
v = ( nmotor · 2 · π · rg ) / ( iö )
( m/s )
Jármű gyorsulásának meghatározása A gyorsulásdiagramot a különböző járműsebességhez tartozó maximális vonóerő és menetellenállások alapján lehet szemléltetni. A gépjármű gyorsulását az a ∆F erő teszi lehetővé, ami a motor vonóerejéből marad, ha az összes menetellenállás erejét levonjuk belőle.
∆F = Fv - ∑Fmenetellenállás
A gyorsulás a következő képlettel számítható:
a = ( g · ∆F ) / ( б · G )
( m/s² )
37
A kiszámított értékek ábrázolása A diagramok a 3000kg össztömeggel rendelkező Ducato adatait ábrázolják. Menetellenállások és a maximális vonóerő szemléltetése a sebesség függvényében 14000,00
Maximális vonóerő
12000,00
Erő (N)
10000,00
Menetellenállások állandó sebességnél vízszintes talajon
8000,00
1,2 m/s² gyorsulás menetellenállása vízszintes talajon 20%-os emelkedőn állandó sebességgel történő haladás ellenállása
6000,00
4000,00
2000,00
93,16
85,23
77,31
69,38
61,45
53,52
45,59
37,66
29,73
23,79
15,86
7,93
0,00
0,00
sebesség (km/h) 3.14 diagram: Menetellenállások és a maximális vonóerő értékeinek alakulása a sebesség függvényében
A 3.14 diagramon látszik, hogy vízszintes talajon 3000 kg össztömeggel közlekedve a jármű nem képes elérni a villanymotor fordulatszámából adódó elméleti maximum sebességet (99,11 km/h), mert az ekkor ható menetellenállások eredő erejének görbéje hamarabb, kb. 94 km/h sebességnél elmetszi a vonóerő görbét. A jármű végsebesség vmax ≈ 94 km/h. Ez nagyobb, mint a minimálisan elvárt 70 km/h, tehát végsebesség szempontjából megfelel a választott motor. Látható, hogy körülbelül 50 km/h sebességig biztosítható, a minimum 1,2 m/s² gyorsulás érték.
A közlekedésben fontos állandó sebességértékeknél, a hegymászóképesség ábrázolása A 3.15 diagram azt ábrázolja, hogy milyen meredek emelkedőn képes az autó 50 km/h és 70 km/h állandó sebességgel haladni. Le lehet olvasni, hogy körülbelül 13, 53%-os emelkedőn még lehetséges az 50 km/h állandó sebesség tartása, míg a minimálisan elvárt végsebesség, azaz 70 km/h állandó sebesség esetén, egy 5,15%-os emelkedő még megmászható a járművel.
38
14000,00
12000,00
Maximális vonóerő
Erő (N)
10000,00
8000,00
13,53%-os emelkedőn állandó sebességgel történő haladás menetellenállása 5,155%-os emelkedőn állandó sebességű haladáshoz szükséges vonóerő
6000,00
4000,00
2000,00
93,16
85,23
77,31
69,38
61,45
53,52
45,59
37,66
29,73
23,79
15,86
7,93
0,00
0,00
sebesség (km/h) 3.15 diagram: Különböző meredekségű emelkedők okozta menetellenállások a sebesség függvényében
Gyorsulás szemléltetése 60,00
Gyorsulási idő teljes motorterhelés esetén vízszintes úton
55,00 50,00 45,00
Gyorsulási idő 20%-os emelkedőn max. gyorsítás esetén
Idő (s)
40,00 35,00 30,00
Gyorsítási idő teljes motorterhelés esetén 13,53%os emelkedőn
25,00 20,00 15,00
Gyorsulási idő max. gyorsítás esetén 5,155%-os emelkedőn
10,00 5,00 93,16
87,22
81,27
75,32
69,38
63,43
57,48
51,54
45,59
39,64
33,70
27,75
23,79
17,84
11,89
5,95
0,00
0,00
S ebesség (km/h)
3.16 diagram: Különböző sebesség eléréséhez szükséges idő maximális gyorsulás esetén
A járművel szemben támasztott minimális követelmény, hogy vízszintes úton 60 km/h sebességre kevesebb, mint 10 másodperc alatt fel tudjon gyorsulni. A 3.16. diagramon látszik, hogy ez a követelmény teljesül. 60km/h sebességre maximális gyorsulás esetén körülbelül 8,47 másodperc alatt tud felgyorsulni a kisteherautó vízszintes úton.
39
3.5.2.2 Menetteljesítmény számítás A jármű menetteljesítményét a menetellenállások legyőzésére fordított teljesítmény határozza meg. A hajtókeréken leadott teljesítmény megegyezik a menetellenállások legyőzéséhez szükséges teljesítmények összegével. A gördülési ellenállás teljesítményértéke:
Pg = G · f · v
(W)
Légellenállás teljesítményértéke:
Pl = ρ / 2 · cw · A · v³
(W)
Emelkedési ellenállás teljesítményértéke:
Pem = G · sinα · v
(W)
A jármű gyorsulásából adódó tehetetlenségi ellenállás teljesítményértéke:
Pt = ( G / g ) · ( dv / dt ) · б · v
(W)
A menetellenállások legyőzéséhez szükséges teljesítmény:
P = Pg + Pem + Pl + Pt
(W)
Teljesítményértékek ábrázolása 140000 A motor maximális teljesítménye a sebesség függvényében
100000 Menetellenállások teljesítményértéke állandó sebességnél vízszintes talajon
80000
20%-os emelkedő teljesítményszükséglete állandó sebességgel történő haladás esetén
60000 40000
1,2m/s² gyorsulás teljesítményértéke vízszintes talajon
20000
93,2
85,2
77,3
69,4
61,4
53,5
45,6
37,7
29,7
23,8
15,9
7,9
0 0,0
Teljesítmény (W)
120000
Sebesség (km/h)
3.17 diagram: A motor maximális teljesítménye és a különböző ellenállások teljesítményértékének szemléltetése a sebesség függvényében
40
3.5.3 Energetikai számítások
Az energetikai számításokra azért van szükség, hogy megtudjuk, mennyi energiát kell tárolnia a jármű akkumulátorainak. A kiinduló adat az, hogy az energiatárolóknak minimum 60 km hatótávolságot kell biztosítaniuk. A számításokhoz azt kell még tudni, hogy a 60 km során mennyit és mekkora terheléssel működik a motor. A számításhoz a következő elképzeléseket veszem alapul: •
A jármű vízszintes úton halad
•
Városi forgalomban két megállás közötti távolság
s = 500
•
Maximális sebesség két megállás között
vmax = 60 km/h
•
A 60km/h sebességre maximális gyorsulással, t1 = 8,47s alatt gyorsít fel a jármű.
m
Ez 1,968m/s² átlagos gyorsulással érhető el és ilyenkor a megtett út s1 ≈ 71m •
A 60 km/h állandó sebességgel s2 = 329m-t közlekedik a kisteherautó. Ezt az utat t2 = 19,74s alatt teszi meg.
•
A kifuttatási út hossza
s3 = 50
m
•
Fékezési út hossza
s4 = 50
m
A motornak, csak a gyorsítási és az állandó sebességgel történő haladási szakaszban van energiafogyasztása. A hajtásrendszer ráadásul képes arra, hogy fékezéskor a motort generátor üzemmódban használva, a fékezési energiának egy részét visszatáplálja az energiatárolókba. A 3.18 ábra a motor által leadott teljesítményt mutatja az idő függvényében, egy 500 m-es útszakaszon. 120000
80000
60000
Teljesítményszükséglet
40000 20000
27,7
26,6
25,5
24,5
23,4
22,3
21,3
20,2
19,1
18,1
17,0
16,0
14,9
13,8
12,8
11,7
9,6
10,6
8,5
6,2
4,4
3,1
2,3
1,8
1,2
0,5
0 0,0
Teljesítmény (W)
100000
Idő (s)
3.18 diagram: 500m-es útszakaszon a motor által leadott teljesítmény az idő függvényében
41
3.5.3.1 A szükséges tárolandó energiamennyiség kiszámítása A 3.18 diagramon látható görbe alatti terület kiszámításával tudhatjuk meg, hogy egy 500m es útszakasz megtételéhez mennyi energiát kell felhasználni. A gyorsítási szakasz energiaszükséglete a 8,47s –ig terjedő görbe alatti terület. E1 =
529200
Ws
=
147
Wh
Az állandó sebességgel történő haladás energiaszükséglete. 60km/h állandó sebesség tartásához vízszintes úton (3.17. diagram) 12225W teljesítményre van szükség. Ezt a sebességet 19,74s –ig kell tartani. Ez alatt az energiafelhasználás: E2 =
241321,5 Ws
=
67
Wh
500m-es útszakasz megtételéhez szüksége energia: E500m =
770521,5 Ws
=
214
Wh
60 km út megtétele esetén, 120 db 500m-es útszakasz van. 60km megtételéhez szükséges energiamennyiség: E=
92462580 Ws
=
25684 Wh
=
25,68405 kWh
A villamos motor és a vezérlő rendszer körülbelül µ = 85% hatásfokkal tud üzemelni a szükséges üzemi tartományokban (3.11 diagram). Szükséges tárolandó energia: Etár = E / µ Etár =
108779506 Ws
=
30216,5Wh
=
30,2165
kWh
3.5.3.2 Energiatárolók kiválasztása Az előző fejezetben kiszámoltam, hogy minimum mennyi energia tárolására van szükség, hogy a jármű képes legyen a 60 km hatótávolság teljesítésére. Most azt kell megvizsgálni, hogy ezt az energiát mivel lehet tárolni úgy, hogy elegendő hasznos terhelhetősége maradjon a teherautónak. A jövő legígéretesebb hajtáslánca, a hidrogénben tárolt kémiai energiát alakítja át tüzelőanyag-cella segítségével elektromos energiává. Én azt vizsgálom meg, hogy a mai akkumulátorok technikai fejlettségével lehet e tárolni a szükséges energiamennyiséget úgy, hogy mellette a jármű hasznos terhelhetősége elfogadható mértékű maradjon. 42
Akkumulátorok összehasonlítása:
Akkumulátor
Energiasűrűség
Teljesítménysűrűség
Ár
Ciklusszám
Év
Euro/ (kWh)
350-1000
500-1000
3-5
100-150
80-175
180-350
>2000
3 - 10*
225-350*
150-200
200-300
400-500
500-1000
5 - 10*
225-300*
80-100
150-175
155
255
800-1000
5 - 10*
225-300*
90-120
160-200
kb.300
300
1000
5 - 10*
275*
150
220
kb.300
450
<1000
-
<225*
100-230
120-150
kb.100
120
-
-
60*
Wh/kg
Wh/l
W/kg
ólom akkumulátor
30-50
70-120
150-400
nikkel-kadmium
40-60
80-130
nikkel-fémhibrid
60-80
nátrium-nikkelklorid litium-ion litium-polimer cink-levegő
Élettartam
*becsült érték
3.19 táblázat: Akkumulátorok összehasonlítása
A választott Fiat Ducato mozgatásához a számítás szerint 30,2165 kWh energia tárolására van szükség. Meg kell vizsgálni, hogy az különböző akkumulátortípusok választása esetén mekkora hasznos terhelhetősége marad a teherautónak.
Hasznos terhelhetőség meghatározása A minimálisan elegendő 30,2165 kWh energia tárolásához szüksége akkumulátorok tömegének, térfogatának és árának meghatározása:
Akkumulátor
Tömeg
Térfogat
Ár
kg
l
Euro
Forint
ólom akkumulátor
755,41
318,07
3777,06
982036,25
nikkel-kadmium
604,33
287,78
8687,24
2258683,38
nikkel-fémhibrid
431,66
172,67
7931,83
2062276,13
nátrium-nikkelklorid
335,74
185,95
7931,83
2062276,13
litium-ion
287,78
167,87
8309,54
2160479,75
litium-polimer
201,44
137,35
6798,71
1767665,25
cink-levegő
183,13
223,83
1812,99
471377,40
3.20 táblázat: Szükséges energiamennyiség tárolásához szükséges akkumulátorok tömege, térfogata és ára
43
A jármű tömeg adatai: - Alváz + felépítmény tömege kb.
2000
kg
- A hagyományos belsőégésű motoros hajtásláncból kiszerelendő tömeg kb.
300
kg
- A villanymotoros hajtáslánchoz szüksége alkatrészek tömege kb.
220
kg
- Az energiatárolók nélküli jármű saját tömege kb.
1920
kg
A teherautó saját tömegének és a hasznos terhelhetőségnek az alakulása különböző akkumulátortípusok esetén:
Akkumulátor ólom akkumulátor nikkel-kadmium nikkel-fémhibrid nátrium-nikkelklorid litium-ion litium-polimer cink-levegő
Jármű saját tömege kg 2675 2524 2352 2256 2208 2121 2103
Hasznos terhelhetőség kg 325 476 648 744 792 879 897
3.21 táblázat: A jármű saját tömegének és hasznos terhelhetőségének alakulása különböző akkumulátortípusok esetén
Azt a követelést, hogy a minimális hasznos terhelhetőség 500 kg legyen, a 3.21 táblázat végén szereplő öt különböző típusú akkumulátor alkalmazásával lehet biztosítani.
3.5.3.3 Egyéb villamos fogyasztók villamosenergia-igénye Hagyományos hajtásláncú közúti járművekben a villamos energia előállítására a generátor áll rendelkezésre. A villanymotoros hajtáslánc esetében ez a megoldás nem áll rendelkezésre, mert a villanymotor nem hajt generátort, kizárólag a kerekek hajtása a feladata. A kisfeszültségű pl. 12 V –os hálózatról működő villamos fogyasztók energiaellátására a következő megoldások lehetnek alkalmasak. •
Kiegészítő akkumulátorok alkalmazásával, amik a szükséges energiamennyiséget tudják tárolni, egy 12V-os villamos hálózat kialakítása
•
DC/DC átalakító segítségével, a villanymotort működtető nagyfeszültségű 312Vos hálózatból, 12V-os hálózat kialakítása
44
Fogyasztók Villamos hajtású mérőműszerek Helyzetjelző rendszer és műszerfal világítás Tompított, ill. távolsági fényszóró Belső világítás Ködfényszóró Tolató lámpa Irányjelző berendezés Féklámpa Kürt Ablaktörlő Ablakmosó Fűtő és szellőző motor Elektromos hűtőventillátor Szivargyújtó Autórádió Összesen
Névleges teljesítmény (W) 10 35 100 10 110 10 42 42 40 60 20 80 80 100 20
Időtényező 1 1 0,5 0,04 0,1 0,004 0,1 0,2 0 0,3 0 0,6 0,2 0 0,8
Súlyozott teljesítmény (W) 10 35 50 0,4 11 0,04 4,2 8,4 0 18 0 48 16 0 16 217,04
3.22 táblázat: 12V-os hálózatról működő villamos fogyasztók energiaigénye
12V-os hálózat létrehozása kiegészítő akkumulátorokkal Ebben
az
esetben
a
3.12
táblázatban
ismertetett
217W-os
teljesítményt
akkumulátoroknak kell szolgáltatni a jármű munkaüzeme alatt. A rendszer hátránya, hogy a töltésről külön kell gondoskodni. Nagyon körülményes lenne, ha a 312V-os rendszer energiatárolói mellett ezt a telepet is naponta külön tölteni kellene. Egy lehetséges megoldás ennek kiküszöbölésére, hogy az autóra szerelt, a teljesítményigényeknek megfelelő méretű napelem segítene az akkumulátor töltésében.
12V-os hálózat létrehozása DC/DC átalakító segítségével Ez a rendszer a 312V-os hálózat átalakításával hozza létre a 12V-os hálózatot. Hátránya, hogy költséges és csak egy bizonyos hatásfokkal képes az átalakítást végezni. Az Azure Dynamics cég által forgalmazott átalakító műszaki adatai a következők. DCDC750BC12-es átalakító: •
Kimenő feszültség
13,5
V
•
Bemenő feszültség
200-400
V
•
Kimenő teljesítmény
750
W
•
Hatásfok
85-90
%
•
Tömeg
3,1
kg
•
Méretek
29mm·109mm·187mm
•
Üzemi hőmérséklet
-25°C és 85°C között 45
3.23 kép: DC/DC átalakító
A Fiat Ducato kis haszongépjármű hajtásláncának felépítése:
3.24 ábra: A villanymotoros hajtáslánc felépítése
3.5.4 A vizsgált hajtáslánc értékelése
A választott villamos motoros hajtásrendszert, olyan szempontból vizsgáltam, hogy képes lehet-e, egy kizárólag városi tömegközlekedésben résztvevő, áruszállításra méretezett haszongépjárművet, a vele szemben támasztott követelményeknek megfelelően mozgatni. A hajtáslánc egyik legfontosabb sajátossága, hogy közvetlen szennyezőanyag kibocsátása nincs. Az általam választott járműről a vizsgálat során kiderült, hogy a beépítendő AC90 típusú villanymotor által biztosítható menetdinamika, minden követelményt teljesíteni tud.
3000 kg össztömeg esetén: 46
•
A jármű végsebessége 94km/h, a minimális követelmény 70 km/h
•
60 km/h sebességre 8,47 másodperc alatt tud felgyorsulni, a minimális követelmény 10 másodperc
•
Hatótávolsága a feltöltések között 60 km
•
Hasznos terhelhetőség akkumulátor típustól függően 325-897 kg, a minimális követelmény 500 kg Ha összehasonlítjuk ezeket az értékeket, a belsőégésű motor által biztosított
menetdinamikával, azt látjuk, hogy a villamos hajtáslánc által biztosított hasznos terhelhetőség kisebb. A legnagyobb hátrány a hajtásláncnak, ami miatt szinte kizárólag csak városi közlekedésben alkalmazható, a rendkívül rövid hatótávolság. Ez a hajtás leggyengébb pontjával, az energiatárolás nehézségével magyarázható. Rendkívül nagy energiatároló tömeget kell cipelni a hagyományos hajtásláncban alkalmazott tüzelőanyag tömegéhez viszonyítva, akár rövid hatótávolság megtételéhez is. Az akkumulátortelepek töltéshez villamos energia szükséges. A töltési idő sokkal hosszabb, mint a hagyományos belsőégésű motorok tüzelőanyaggal történő megtankolása. Környezetvédelmi szempontból a legkedvezőbb megoldás az lenne, ha megújuló energiaforrásból lehetne az akkumulátorokat tölteni. Abban az esetben, ha a jármű üzemeltetéséhez 2 db akkumulátortelepet vennénk, ki lehetne alakítani egy olyan rendszert, amiben a jármű rendelkezésre állási ideje kedvezőbb, a töltése pedig rendkívül környezetbarát lehetne. A töltés kizárólag nap és szélenergia segítségével működne úgy, hogy míg az egyik energiatároló teleppel üzemel a jármű, addig az említett megújuló energiaforrások feltöltenék a másik akkumulátortelepet. Targoncával szállítható könnyű tartószerkezetre lenne felhelyezve a két telep, amiket a raktérnek egy elkülönített részében lehetne, a raktér oldalában elhelyezett ajtón keresztül cserélgetni. Ennek a lehetőségnek a problémája az, hogy a megfelelő töltés biztosításához az időjárás függvényében megfelelő mennyiségű napelem kell, ami nagyon költséges. Az energiatárolókból is dupla mennyiség szükséges, és egyébként is az akkumulátorok a hajtáslánc legdrágább elemei. Az áruszállításban mindenki a lehető legkisebb költségre törekszik a haszon érdekében, ezért ma szinte elképzelhetetlen, hogy valaki milliókat öljön teherautója hajtásláncának átalakítására. Egy másik megközelítés felől nézve, viszont szinte lehetetlen megbecsülni, hogy mennyi pénzt kell majd elkölteni a környezetszennyezés káros hatásainak helyreállítására, valamint az autók által kibocsátott szennyezőanyagok, emberekre gyakorolt káros egészségügyi hatása miatt. Ekkor már valódi alternatíva lehet, még az áruszállítás szempontjából is egy elektromos hajtású kis haszongépjármű. 47
4. Összefoglalás Szakdolgozatomban a különböző alternatív hajtásláncokat vizsgáltam, és hasonlítottam össze. A bevezető részben az alternatív hajtásláncok alkalmazásának fontosságát emeltem ki. Alkalmazásukkal a közlekedés területén enyhíthető lenne a fosszilis eredetű energiaforrásoktól való függés, valamint jelentősen csökkenthető lenne a környezetszennyezés. A dolgozat második részében bemutattam a hagyományos belsőégésű hajtással rendelkező
autóknál
Energiasűrűség,
környezet
környezetvédelem
barátabb és
az
alternatív előállítás
járműhajtási
lehetőségeket.
önköltsége
szempontjából
összehasonlítottam a különböző alternatív hajtóanyagokat, majd ezután bemutattam a ma alkalmazott hibrid hajtásrendszerek fajtáit és a tüzelőanyag-cellás hajtáslánc előnyeit. A harmadik fejezetben egy városi áruszállításra méretezett kis haszongépjármű villamos hajtásláncának alkalmazhatósági vizsgálatával foglalkoztam. A választott villamos motoros hajtásrendszert olyan szempontból vizsgáltam, hogy képes lehet-e, egy kizárólag
városi
tömegközlekedésben
résztvevő,
áruszállításra
méretezett
haszongépjárművet, a vele szemben támasztott követelményeknek megfelelően mozgatni. Az általam választott Fiat Ducato típusú kisteherautóról a vizsgálat során kiderült, hogy a beépítendő villanymotor által biztosítható menetdinamika, minden követelményt teljesíteni tud. Ezek a követelmények csak olyan minimális igényeket fogalmaznak meg, amik azt a célt szolgálják, hogy a városi közlekedést a jármű menetdinamikája ne akadályozza. Megállapítható, hogy a kizárólag villanymotoros hajtás legnagyobb hátránya a rövid hatótávolság, ami a járművek mozgatásához szükséges villamos energia nehezen megoldható tárolásával magyarázható. A rövid hatótávolság miatt az elektromos járművek előnyei még csak a városi közlekedésben alkalmazhatóak sikerrel. A további fejlesztések fő célja a hatékonyabb villamos energiatárolás megoldása. Várhatóan a tüzelőanyagcellával rendelkező hajtásláncok elterjedése jelenti majd a megoldást. Ennél a rendszernél a járművön tárolt kémiai energiát jó hatásfokkal alakítják át villamos energiává. A kémiai energiát hidrogén formájában kell tárolni, de sajnos a hidrogén tankolásának infrastruktúrája még nem megoldott. Amíg a jövő megoldásai fejlesztés alatt állnak, addig a dolgozatomban szereplő eddig csak elméletben átalakított kis haszongépjármű széleskörű alkalmazásával már ma is lehetőség nyílhatna a városi környezetszennyezés és szmog jelentős csökkentésére.
48
Irodalomjegyzék
1. Alternatív járműhajtások
Dr. Emőd István – Tölgyesi Zoltán – Zöldy Máté
2. Gumikerekes járművek villamos hajtása Danka Miklós – Glofák Péter – Kiss Miklós 3. Villamos hajtások
Pálfi Zoltán
4. A gépjármű villamos hálózata és az akkumulátorok Interneten elérhető források: 5.
www.electriccar.hu
6.
www.electroautomotive.com
7.
www.azuredynamics.com
49
Huszti Tibor
