KURZUS: Járműszerkezetek I.

MODUL: IV. modul: Hibrid járműhajtások

11. lecke: Hibrid járműhajtás

| Ebben a modulban napjainkban nagy népszerűségnek örvendő és folyamatos fejlesztés alatt álló hibrid hajtási rendszerekkel kapcsolatos alapismereteket sajátíthat el. A hibrid hajtások jelentőségének és fő céljainak megismerése mellett ismereteket szerezhet a hibrid hajtással rendelkező gépjárművek erőátviteli rendszerének főbb típusaival kapcsolatban is.
Cél: Ebben a leckében tisztázzuk a hibrid hajtás fogalmát. Megvizsgáljuk a hibrid hajtások előnyös és hátrányos tulajdonságait.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes:
pontosan megfogalmazni a hibrid járműhajtás fogalmát. legalább hat előnyös és nyolc hátrányos tulajdonságot felsorolni a hibrid járműhajtásokkal kapcsolatban. saját szavaival elmondani az energiahatékonyság fogalmát. pontosan elmondani a regeneratív fékezés fogalmát. felsorolni azokat a műszaki körülményeket és tulajdonságokat, amelyek befolyásolják a regeneratív fékezés teljesítményének alakulását. saját szavaival elmondani a regeneratív fékezés teljesítményének növelésével kapcsolatos optimalizálásával kapcsolatos problémát. felsorolni a három fő hibrid járműhajtási elrendezéstípust. felsorolni a három hibridizáltsági szintet, amelyet a hibrid járműhajtások csoportosítása során használunk.
Tanulási tevékenység: Olvassa el figyelmesen a lecke tananyagát, és kövesse az ott leírt, tanulási tevékenységre vonatkozó utasításokat is!
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 30 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak:
hibrid járműhajtás energiahatékonyság hatásfok generátoros üzem regeneratív fékezés
Tananyag
1. A hibrid járműhajtás célja, jelentősége, fajtái
Jegyezze meg a hibrid hajtás fogalmát!
Hibrid hajtásnak azt a rendszert nevezzük, melyben a jármű meghajtáshoz szükséges energia két vagy annál több, különböző elven működő erőforrásból biztosított.
A jelenlegi járműhajtási megoldásokban legtöbbször a belsőégésű motor (benzines vagy dízel) és a villanymotor valamilyen kombináltan működő rendszere található meg.
A haladáshoz szükséges energia tárolását üzemanyagtartályban, akkumulátorban, szuperkondenzátorban, vagy ritkább esetben lendkerékben oldják meg.
Gyűjtse össze a hibrid hajtás előnyeit és hátrányait!
A hibrid hajtásmód alkalmazásának előnyei:
Átmenetet képez a tisztán villamos hajtás felé, így annak előnyös tulajdonságaival rendelkezik. Lehetővé teszi, hogy a belsőégésű motorokat a jövőben is használjuk a villamos hajtással kiegészítve. Gazdasági szempontból előnyös, hogy így a meglévő gyártókapacitás és karbantartó hálózat tovább működhet (befektetések megtérülése, foglalkoztatás fenntartása stb.) Hasonlóan az automata váltóművel szerelt belsőégésű motoros járművekhez, kényelmes, automatizált, sebességváltás nélküli gyorsítást tesz lehetővé. Időt és gazdasági erőforrást ad a tisztán villamos hajtás továbbfejlesztésre. Egyes hibrid hajtási módoknál jelentősen csökken a tüzelőanyag-fogyasztás és károsanyag kibocsátás. A belsőégésű motor jobb hatásfokkal üzemeltethető, mint a hagyományos hajtási módokban. A fékezési energia egy része visszanyerhető és különböző módon tárolható. Ha közlekedés közben nincs hajtási igény, nem kell a belsőégésű motort alapjáratban üzemeltetni (így nincs üzemanyag fogyasztás) Villamos hajtási módban csökkenhet a hajtóműveszteség (kevesebb hajtómű és hajtáselem kapcsolódik a hajtásláncba).
A hibrid hajtásmód alkalmazásának hátrányai:
Drága, mivel legalább két hajtási rendszert és azok együttműködését kell fejleszteni és gyártani. A hagyományos hajtási módokhoz képest kevés az üzemeltetési tapasztalat, így a járműkereskedelemben bizalmatlanul kezelik a használt hibrid járműveket. Kevés a hibrid rendszerek karbantartásához és javításához értő szakember. Az akkumulátoros energiatárolás esetén nem tisztázott az alapanyagok újrahasznosítási rendszere. Nehezen diagnosztizálható az akkumulátor elhasználódása, állapota. A jelenleg még alacsony gyártási darabszám miatt drága az alkatrész utánpótlás. A hajtási energia tárolásához használt akkumulátor drága, a jármű összes bekerülési költségéhez képest (főleg használt jármű esetén). A kettő vagy annál több hajtási rendszer miatt nagyobb a jármű tömege. A villamos hajtási rendszer üzemi feszültségi szintje különleges és drága érintésvédelmi megoldásokat kíván. Baleset, sérült jármű kezelése esetén a mentő szerveknek különös odafigyeléssel kell eljárniuk (érintésvédelem, karosszéria szétvágása, energiatárolók sérülékenysége, esetleges robbanásveszélye). A hibrid hajtású jármű esetében a tervezési költségektől kezdődően a gyártáson, üzemeltetésen át a jármű megsemmisítéséig felmerülő összes költség egy belső égésű motorral hajtott járműhöz képest magasabb. (Ezt a teljes költséget angolul Dust to dust costs-nak nevezzük).
Tanulmányozza az 1. ábra szerint a hibrid hajtás hajtási rendszerekben való elhelyezkedését!
A hibrid hajtás módozatait a fosszilis (fosszilis= bányászati úton nyert, pl. kőolaj, földgáz stb.) energiahordozókat használó belső égésű motoros és a tisztán villamos hajtású megoldások közé helyezzük, mert ahogyan az 1. ábra is mutatja, a hibrid hajtás mindkettőt tartalmazza.
A hibrid hajtás értelmezése a tisztán belső égésű motoros és a tisztán villamos hajtás között
1. ábra
2. A hibrid járművek energia-felhasználása
Fogalmazza meg, mit értünk energiahatékonyság alatt!
Általános értelemben az energiahatékonyság alatt a teljesítményben, a szolgáltatásban, a termékben vagy az energiában kifejezett eredmény és a befektetett energia hányadosát értjük.
Gyakorlati értelemben az energiafelhasználás hatékonysága valamely technológiai eszköz tekintetében az eszköz hatásfokával egyenértékű.
A hatásfok a rendelkezésre álló energia felhasználásának mértéke:
μ= E h E B
ahol: μ - a hatásfok, Eh - a hasznosult energia, Eb - a befektetett (összes) energia.
Ennek megfelelően tehát a jármű közlekedési energiahatékonysága alatt a kiindulási pont és a cél (pl.: utazás "A"-ból "B" pontba) közötti energiafelhasználásának "jóságát", hatékonyságát értjük. Minél kevesebb energiát használunk fel, annál hatékonyabbak vagyunk (2. ábra).
Jegyezze meg, milyen tényezőktől függ a közlekedés energiahatékonysága!
A hibrid járművek energiahatékonyságának vizsgálatához végig kell gondolni az azt befolyásoló tényezőket (3. ábra). A hibrid járművek a hagyományos, belsőégésű motorral szerelt járművekhez képest villamos motort (motorokat) és akkumulátor csomagokat tartalmaznak, így ezt a jelentős többlet tömeget kell a közlekedés során felgyorsítani és lefékezni.
A jármű hatékonyságában szerepet játszik a biztonság is, mivel mind az aktív-, mind a passzív biztonsági elemek (alkatrészek, berendezések, mint például a légzsák, ABS alkatrészei) valamekkora tömeggel rendelkeznek, a jármű össztömegének növekedésével pedig romlik a hatékonyság.
A jármű közlekedési-energiahatékonyságát befolyásoló tényezők, jellemzők
3. ábra
Fogalmazza meg, mit értünk regeneratív fékezés alatt!
Az energiahatékonyság szempontjából lényeges kérdés az, hogy a jármű gyorsítására és haladására fordított energiából mennyit tudunk visszanyerni. Az energia visszanyerése a fékezés során történhet meg. A hajtásra használt villamos motort generátor üzemmódra kapcsolva képesek vagyunk fékezni vele. A generátor üzemmódba kapcsolás azt jelenti, hogy a kerekeken keresztül a jármű hajtja a villamos motort. A mozgási energia nagy részét így villamos energiává tudjuk alakítani, és azt az akkumulátorok töltésére felhasználhatjuk. Ezt hívjuk regeneratív fékezésnek.
Magyarázza el, milyen összefüggés van a regeneratív fékezés hatásossága és a villamos motor teljesítménye között! Fogalmazza meg, mi szab határt a fékezési teljesítmény fokozásának!
A hagyományos hajtási rendszerekben a regeneratív fékezés nem megvalósítható, így a fékezés során a mozgási energiát a fékrendszerben (dobfék, vagy tárcsafék) súrlódás segítségével teljes egészében hővé alakítjuk át (a környezetbe sugározzuk, elveszítjük). Fontos megjegyezni, hogy a regeneratív fékezés maximális teljesítménye függ a villamos motor (generátor üzemű) maximális teljesítményétől és az akkumulátorok maximális töltőáramától. Minél nagyobb teljesítményű a villamos motor, generátor üzemmódba kapcsolva annál hatásosabban lehet vele fékezni a járművet, azaz annál több mozgási energiát képes a visszaalakítani villamos energiává.
A regeneratív fékezés teljesítmény-igénye függ lassulási igénytől (azaz attól, hogy hány m/s2 lassulást szeretnénk elérni), és a mozgási energia csökkentési igénytől (azaz attól, hogy hány Joule-lal akarjuk csökkenteni a jármű mozgási energiáját).
A regeneratív fékezési teljesítmény növelése nagyobb villamos motort és több párhuzamosan kapcsolt akkumulátort igényelne, ami viszont aránytalanul megnövelné a helyigényt és a jármű tömegét. A nagyobb tömeg pedig még nagyobb fékezési igényt jelentene. A hajtás és regeneratív fékezés méretezése komoly optimálási feladatot jelent a járműfejlesztőknek.

| Önellenőrző kérdések
1. Az alábbi állítások a hibrid hajtásokra vonatkoznak. Válassza ki a helyes meghatározásokat!
| hibrid hajtású jármű meghajtásához szükséges energia csak két, különböző elven működő erőforrásból származhat
| a haladáshoz szükséges energia tárolása akár lendkerék segítségével is történhet
| a hibrid hajtási módok alkalmazásával jelentős tüzelőanyag-fogyasztás csökkenés érhető el
| a fékezési energia egy része visszanyerhető és tárolható
| a hibrid hajtásmód fejlesztése és gyártása nem okoz jelentős költségnövekedést a hagyományos hajtási módokhoz képest
| a hajtási energia tárolásához használt akkumulátor drága
| belsőégésű hajtási módban csökkenhet a hajtóműveszteség (kevesebb hajtómű és hajtáselem kapcsolódik a hajtásláncba)
2. Milyen hibrid hajtási elrendezési módokat ismer? Írja a szövegmezőkbe a megfelelő elrendezéstípusokat! A megoldásokat ABC sorrendben gépelje be! 1. hibrid 2. hibrid 3. hibrid
3. Milyen fő csoportokba osztjuk a hibrid hajtási rendszereket azok hibridizáltsági foka alapján? Írja a szövegmezőkbe a megfelelő válaszokat, a hibridizáltsági foknak megfelelően emelkedő sorrendben! Használja a magyar nyelvben is elterjedt angol kifejezéseket! 1. hibrid 2. hibrid 3. hibrid
4. Mit jelent a regeneratív fékezés? Válassza ki a helyes megoldást!
| A villamos motort generátoros üzembe kapcsoljuk, amelyet a kerekeken keresztül a jármű mozgási energiája hajt. Miközben a jármű mozgási energiája csökken (lassul), a generátor villamos energiát termel, amelyet az akkumulátorok töltésére használhatunk.
| A villamos motort generátoros üzembe kapcsoljuk, a generátoros üzem fékező hatása pedig a motorfék hatásfokát növeli. A motorfék közbeni üzemállapot miatt a tüzelőanyag-fogyasztás csökken, a generátor pedig villamos energiát termel.
| A jármű hagyományos fékrendszerében keletkező energiát speciális hőcserélő rendszer és a generátoros üzemben működő villamos motor segítségével alakítjuk át villamos energiává.
| Az akkumulátorokban tárolt energia segítségével a villamos motor tekercseire gerjesztést juttatva lassítjuk a mágneses mező szögsebességét, ez pedig a jármű mozgási energiáját csökkenti.
5. Az alábbi hiányos mondatok az energiahatékonyságról szólnak. Egészítse ki a hiányos mondatokat a szövegmező kitöltésével! A helyes megoldást minden szövegmező esetében egy szóval határozza meg! Általános értelemben az energiahatékonyság alatt a teljesítményben, a szolgáltatásban, a termékben vagy az energiában kifejezett és a befektetett energia értjük. Gyakorlati értelemben az energiafelhasználás hatékonysága valamely technológiai eszköz tekintetében az eszköz egyenértékű, az pedig a rendelkezésre álló energia mértéke. A jármű közlekedési alatt a kiindulási pont és a cél közötti energiafelhasználás , hatékonyságát értjük.
6. Mitől függ a regeneratív fékezés hatásossága? Válassza ki a helyes megoldásokat!
| a villamos motor teljesítményéhez igazított, a regeneratív fékezésből származó villamos energia (töltés) felvételére alkalmas, elegendő párhuzamos cellával rendelkező akkumulátortól
| minél kisebb teljesítményű a villamos motor, annál nagyobb a regeneratív fékezés teljesítménye
| minél nagyobb teljesítményű a villamos motor, annál nagyobb a regeneratív fékezés teljesítménye
| minél nagyobb teljesítményű a belső égésű motor, annál nagyobb a regeneratív fékezés teljesítménye
| a villamos motor és a regeneratív fékezés teljesítménye között nincs összefüggés
| a belső égésű motor és a regeneratív fékezés teljesítménye között nincs összefüggés
7. Milyen optimalizálási probléma jelentkezik a regeneratív fékezés teljesítményének tervezésekor? Válassza ki a helyes megoldást!
| a jármű hagyományos fékrendszereinek és a regeneratív fékezést biztosító részegységek működésének összehangolásával kapcsolatos probléma
| a menetstabilizáló (ESP), blokkolásgátló (ABS) rendszerek és a regeneratív fékezést biztosító részegységek működésének összehangolásával kapcsolatos probléma
| a regeneratív fékezés teljesítmény növelésével és a regeneratív fékezést biztosító részegységek tömegnövekedésével kapcsolatos probléma
| a belső égésű motorok teljesítményének növelésével és a regeneratív fékezést biztosító részegységek súlycsökkentésére irányuló törekvésekkel kapcsolatos probléma