حتما برايتان پيش امده كه زمان زيادي را د رپمپ بنزين بگذرانيد.شايد به خاطر شلوغي و شايد هم بخاطر كند بودن پمپ،اين مشكلات بدليل بنزيني بودن خودروي شماست.البته نه فقط بنزين بلكه كليه سوخت هاي فسيلي مشكلات مخصوص به خود را دارند. يكي از راههايي كه خودروسازان به آن رو آورده اند(براي كم شدن مشكلات و آلودگي هوا) ساخت خودروي هيبريدي است.
خودروي هيبريدي چيست و چرا اين نام را بر ان نهاده اند؟خودروهاي هيبريدي چگونه كار مي كنند؟ چرا 20 تا 30 مايل در هر گالون نسبت به خودروهاي بنزيني بيشتر مي روند؟ و نيز چرا آودگي كمتري نسبت به خودروهاي بنزيني يا ديزلي دارند؟
جواب اين پرسش ها را در طول اين مقاله خدمت شما عرض خواهم كرد .
تعداد زيادي از مردم خودروهاي هيبريدي را در مكان هايي ديده اند. مثلا در لوكوموتيو ها . بيشتر لوكوموتيو ها از سيستم هيبريدي ديزل – الكتريكي بهره مي برند.و يا در شهرهايي مانند سياتل اتوبوس هايي با همين سيستم ديزل – الكتريك وجود دارند.
اين اتوبوس ها يا بهتر بگوييم تراموا وقتي كه به سيم هاي بر ق بالاي سقف خود دسترسي دارند از نيروي پيشرانه الكتريكي خود بهره مي برند. و زماني كه به اين كابلهاي برق دسترسي ندارند با پيشرانه ديزل خود به حركت ادامه مي دهند. زير دريايي ها نيز نوعي ماشين هاي هيبريدي هستند كه معمولا با يكي از سيستم هاي هسته اي – الكتريكي و يا ديزل –الكتريكي كار مي كنند.
به طور كلي تمامي وسايل نقليه اي كه از ادغام دو و يا چند پيشرانه انتقال نيرو كه بطور مستقيم يا غير مستقيم به سيستم انتقال قدرت وابسته هستند را ماشين هاي هيبيريدي گوييم .
بيشتر خودروهاي هيبريدي توليد شده تاكنون از نوع بنزيني – الكتريكي هستند گرچه بعضي شركتهاي خودروسازي مانند پژو-سيتروئن خودروهاي هيبريدي از نوع ديزل- الكتريكي نيز توليد كرده اند.در اين مقاله بيشتر به خودروهاي بنزيني –الكتريكي مي پردازيم.
انرژي الكتريكي و انرژي بنزين
خودروهاي بنزيني – الكتريكي از نظر كاركرد بين خودروهاي بنزيني و الكتريكي هستند.به كمك شكلهايي كه در ادامه نشان داده مي شود به تفاوتهاي بين اين دو نوع خودرو خواهيم پرداخت.
خودروهاي بنزيني شامل يك باك بنزين مي باشند كه منبع ذخيره كننده بنزين موتور است وموتور نيز به وسيله سيستم انتقال قدرت نيروي توليدي را به چرخ ها مي رساند.
در مقابل در خودروهاي الكتريكي يك مجموعه از باتري ها وجود دارد كه الكتريسيته مورد نياز موتور الكتريكي را فراهم مي كند و موتور الكتريكي نيز به وسيله سيستم انتقال قدرت نيروي توليدي خود را به چرخ ها مي رساند.
براي شما و من يك خودروي مفيد خودرويي است كه حداقل نياز هاي ما را برآورده كند كه اين نياز ها مي توانند چنين باشند:
1- از يك سوخت گيري اوليه حداقل 300 مايل يا 482 كيلومتر تا يك سوخت گيري مجدد.
2- هر بار سوخت گيري اسان و سريع باشد.
يك موتور بنزيني اكثر اين نيازها را برآورده مي كند اما در عوض آلودگي زيادي دارد و يك موتور برقي با اينكه آلودگي خيلي كمي (يا اصلا) ايجاد نمي كند اما اين موتور حداكثر بين 50 تا 100 مايل(80 تا 161 كيلومتر ) مي تواند بين دو شارژ خود برود و مشكل ديگر موتور الكتريكي اين است كه شارژ شدنش سخت و خيلي زمانبر است.
يك خودروي هيبريدي بنزيني – الكتريكي تركيبي از دو پيشرانه است كه به نوعي مي توانند مكمل همديگر باشند.
هيبريد بنزين – الكتريسيته
سيستم هيبريدي بنزيني – الكتريكي شامل اجزا زير است:
- موتور بنزيني:موتور بنزيني كه در اين خودرو وجود دارد شباهت زيادي به موتورهاي بنزيني خودروهاي بنزيني دارد. ولي اين موتور كوچكتر و نيز داراي تكنولوژي بالاتري نسبت به خودروهاي معمولي است كه باعث كاهش آلودگي و افزايش كارايي مي شود.
- باك بنزين : باك بنزين در اين نوع خودروها محل ذخيره انرژي براي موتور بنزيني است.بنزين چگالي انرژي بالاتري نسبت به باتري دارد به عنوان مثال 1000 پوند باتري معادل 1 گالون (7 پوند) بنزين انرژي دارد.
- موتور الكتريكي : موتور الكتريكي در خودروهاي هيبريدي خيلي پيشرفته هستند اين موتور پيشرفته هم به عنوان يك موتور قادر به انجام كار است و هم به عنوان ژنراتور به عنوان مثال زماني كه به اين موتور نياز است موتور با استفاده از باتري ها قادر خواهد بود شتاب مورد نظر را ايجاد كند و زماني كه خودرو نيازي به موتور الكتريكي ندارد مثلا در يك سراشيبي در حال حركت است اين موتور الكتريكي به عنوان يك ژنراتور نيرو را به باتري ها بر مي گرداند(با استفاده از سرعت در سراشيبي )
- ژنراتور : ژنراتور بسيار شبيه به موتور الكتركي است با اين تفاوت كه ژنراتور فقط وظيفه تامين الكتريسيته مورد نياز موتور را بر عهده دارد نه كار ديگر.ژنراتور بيشتر در خودروهاي هيبريدي سري به كار مي رود. خودروهاي هيبريدي سري در ادامه توضيح داده خواهد شد.
- باتري : باتري ها در خودروي هيبريدي يك وسيله ذخيره انرژي براي موتور الكتريكي هستند. برخلاف بنزين موجود در باك بنزين كه ميتواند فقط به موتور بنزيني سوخت برساند(يك انتقال يك طرفه از باك بنزين به موتور بنزيني). موتورهاي الكتريكي علاوه بر كار فوق مي توانند انرژي را به باتري پس دهند. ولي موتور بنزيني نمي تواند چنين كاري را انجام دهد.
- سيستم انتقال قدرت
The Mercedes-Benz M-Class HyPer -- a hybrid concept vehicle
دو سيستم پيشرانه در خودروهاي هيبريدي را مي توان با هم به رو شهاي مختلفي تركيب كرد از جمله : سري و موازي
هيبريد موازي : در هيبريد موازي باك بنزين سوخت را به موتور بنزيني مي رساند و باتري ها نيز الكتريسيته را به موتور الكتريكي مي رساند و هر دو موتور بنزيني و الكتريكي هم زمان و تواما به سيستم انتقال قدرت متصل مي شوند و اين قدرت به چرخها مي رسد. توجه داشته باشيد كه باك بنزين و موتور بنزيني به سيستم انتقال قدرت متصل هستند و باتري ها و موتور الكتريكي نيز اغلب به طور مستقل و جداگانه به سيستم انتقال قدرت متصل هستند.
در نتيجه در هيبريدهاي موازي هر دو موتور بنزيني و الكتريكي نيرو محركه مورد نياز را فراهم مي كنند.
هيبريدهاي سري : در مقابل هيبريدهاي موازي , هيبريدهاي سري قرار دارند. در اين نوع هيبريدها موتور بنزيني ژنراتور را به حركت در مي اورد و ژنراتور مي تواند باتري ها را شارژ كند يا به موتور الكتريكي قدرت بدهد كه اين موتور نيز به سيستم انتقال قدرت متصل است.بنابراين موتور بنزيني در هيبريدهاي سري هرگز به طور مستقيم به سيستم انتقال قدرت نيرو نمي دهد.
عملكرد خودروﻯ هيبريدﻯ:
موتور بنزينى در خودروى هيبريدى معمولا كوچكتر از يك خودروى معمولى است و از اين رو بهره ورى بيشترى دارد.بيشتر خودروها براى توليد نيروى كافى براى ايجاد شتاب سريع نياز به يك موتور نسبتا بزرگ دارند.در موتورهاى كوچك بهره ورى و كارايى ميتواند توسط كوچك كردن , سبك كردن قطعات ونيز با كاهش تعداد سيلندرها بهبود پيدا كند.
چندين دليل مبنى بر اينكه چرا موتورهاى كوچكتر كارايى بالاتر و بهره ورى بيشترى نسبت به موتورهاى بزرگتر دارند وجود دارد:
- موتورهاى بزرگتر سنگينتر از موتورهاى سبكتر هستند و انرژى زيادترى در واحد زمان مصرف مى كنند (براى حالت شتاب گرفتن و بالا رفتن از يك سر بالايى)
- پيستون و ديگر اجزاى داخلي سنگين هستند و نيز انرژى زيادترى در واحد زمان نياز دارند تا در سيلندر بالا و پايين بروند.
- تغيير مان و جابه جايى در داخل سيلندرها بزرگتر است در نتيجه سوخت بيشترى براى هر سيلندر مورد نياز است.
- موتورهاى بزرگتر معمولا سيلندرهاى بيشترى دارند و هر سيلندر نيز سوخت زيادى مصرف ميكند. حتى اگر خودرو در حال حركت نباشد.
دلايل فوق توضيح مى دهد كه چرا دو مدل خودروى مشابه با وتورهاى متفاوت در ازمون سنجش نتايج متفاوتي را بدست مى اورند.اگر هر دو خودرو در حال حركت در يك اتوبان باشند و در يك سرعت برابر و معين , خودرويى كه موتور كوچكترى دارد انرژى كمترى مصرف ميكند و هر دو موتور خروجى يكسانى از قدرت را توليد ميكنند.ولي موتور كوچكتر از سوخت كمترى استفده ميكند كه به ان سرعت برسد.
اما چطور اين موتور كوچك ميتواند قدرت مورد نياز خودروى شما را در مقابل خودروهاى پر قدرت در جاده فراهم كند؟
اجازه بدهيد مقايسه اى بين خودروى مانند چوى كامارو با يك موتور v-8 بزرگ با خودروى هيبريدى ما با يك موتور گاز سوز و يك موتور الكتريكى انجام دهيد.
موتور گاز سوز در خودروى هيبريدى قدرت كافى براى حركت ماشين در يك بزرگراه دارد و موتور خودروى كامارو قدرتى بيشتر از قدرت مورد نياز براى وضعيتهاي مختلف دارد.
اما زماني كه خودروى هيبريدى نياز به شتاب داشته باشد و يا نياز به قدرت بيشترى داشته باشد(بسته به شرايط) اين موتور نياز به كمك پيدا ميكند كه اين كمك از يك موتور الكتريكى و باترى تامين مي شود.اين سيستم در صورت نياز نيروى اضافى ضرورى را فراهم ميكند. موتورهاى گاز سوز در خودروهاى معمولى براى حداكثر قدرت ممكن ساخته شده اند.درحالى كه رانندگان اين خودروها در كمتر از 1 درصد از زمان رانندگى از حداكثر قدرت موتور استفاده ميكنند.خودروهاى هيبريدى از موتورهاى كوچكترى استفاده ميكنند كه سايز اين موتورها فقط براى مقدار متوسط" حداكثر قدرت نامى" ساخته شده اند تا ماكزيمم مقدار ممكن.
در كنار كوچك بودن و كارايى بيشتر موتور در خودروهاى هيبريدى امروزه براى خودروهاى هيبريدى يك سرى فوت وفن به كار ميبرند تا بهره ورى سوخت بالا رود.بعضي از اين فوت و فن ها براى همه نوع خودرو اعم از هيبريدى و غير هيبريدى است كه به انها كمك ميكند تا كارايى بهترى داشته باشند.
ولى بعضى از اين فوت وفن ها فقط براى خودروهاى هيبريدى به كار ميرود.
يك خودروى هيبريدى ميتواند:
- انرژى را بازيابى ودر باترى ذخيره نمايد:
هنگاميكه شما پدال ترمز را فشار ميدهيد, شما در حال تلف كردن انرژى در خودرو هستيد.هر چه خودرو سريعتر رود انرژى جنبشى بيشترى دارد.ترمز كردن اين انرژى را هدر ميدهد و به شكل گرما در مى آورد.در خودروهاى هيبريدى مى توان مقدارى از اين انرژى را بازگرداند و در باترى براى استفاده مجدد ذخيره كرد.اين كار با سيستم" ترمز احياء كننده" انجام ميگيرد.در اين حالت موتور الكتريكى به مانند يك ژنراتور رفتار ميكند و ضمن كند شدن حركت ماشين اين انرژى جنبشي را صرف شارژ كردن باترى مى كند.
- بعضى وقتها موتور بنزينى خاموش ميشود:
يك خودروى هيبريدى هميشه نياز به بودن وتور نزينى ندارد.زيرا يك موتور الكتريكى و باترى نيز دارد.بنابراين بعضى وقتها مى توان موتور بنزينى خودروى هيبريدى را خاموش كرد.براى مثال زمانى كه خودرو در مقابل چراغ قرمز توقف كرده است.
- به كار بردن اصول ايروديناميك براى كاهش نيروى درگ:
وقتى كه شما در يك اتوبان رانندگى ميكنيد بيشترين نيروى موتور شما صرف مقابله با نيروى فشارى هوا ميشود.كه اين نيرو به نيروى درگ ايروديناميك موسوم است.اين نيروى درگ ميتواند به چندين روش كاهش يابد.يك راه مطمئن براى كاهش اين نيرو, كاهش ناحيه جلوى اتومبيل وبه كار بردن اصول ايروديناميك در ان است.
همانطور كه در شكل زير مى بينيد يك suv چقدر بيشتر از يك خودروى sport فشار هوا را تحمل ميكند(ناحيه جلوى خودروى suv بيشتر از يك خودروى sport است).
كاهش اشياء خارجى روى بدنه خودرو و نيز حذف بعضى از انها ميتواند در بهبود ايروديناميك خودرو موثر باشد.براى مثال بعضى وقت ها جايگزينى ايينه ها با دوربين هاى كوچك ميتواند مفيد باشد.
- به كار بردن تايرهاى خاص : تايرهاي اكثر خودروها بهينه سازى شده اند براى سطوح صاف با كمترين نويز و چسبندگى خوبى نيز در اكثر شرايط محيطى دارند.ولى اين تايرها موجب به وجود آمدن نيروى درگ مى شوند.
خودروهاى هيبريدى از يك تاير مخصوص استفاده مى كنند كه سفت تر و پربادتر و نيز فشار زيادترى نسبت به تايرهاى معمولي دارد.نتيجه اين كار باعث كاهش نيروى درگ به نصف نسبت به تايرهاى معمولى ميشود.
- به كار بردن مواد سبك وزن: كاهش وزن كل خودرو يكي از راه هاى ساده براى افزايش راندمان و كارايى خودرو است.خودروهاى سبكترزمانى كه در حال شتاب گيرى هستند يا در حال بالا رفتن از يك سر بالايى انرژى كمترى نسبت به خودروهاى سنگينترمصرف مى كنند.مواد كامپوزيت مانند فيبر كربن يا فلزات سبك وزن مانند الومينيوم و منيزيم مى توانند در كاهش وزن خودرو به كار روند.
اكنون به تكنولوژى هيبريدى در دو خودروى هوندا insight و تويوتا پريوس ميپردازيم.
اگرچه هر دو اين خودروها جزء هيبريدهاى موازى هستند ولى تفاوتهايى با هم دارند.هر دو اين خودروها داراى موتور بنزينى و موتور الكتريكى و باترى هستند.
اجازه بدهيد از هوندا insight شروع كنيم
هوندا insight:
اين خودرو كه در اوايل سال 2000 در ايالات متحده معرفي شد.طراحى ان بر اساس بهترين كاركرد ممكن انجام شد.insight كوچك است و كم وزن و جاى 2 سرنشين و يك صندلى كودك دارد.و داراى موتور با بازدهى بالا است.insight داراى برترين رتبه سنجش EPA در ميان خودروهاى هيبريدى شد.
هوندا خودروى هيبريدى موازى است .موتور الكتريكى به موتور بنزينى متصل است.هوندا اين سيستم را "جمع كننده كمك موتور" مى نامد. Insight به صورت 5 سرعته دستى يا cvt (انتقال قدرت پيوسته اتوماتيك) است.
موتور الكتريكى insight به سه روش به موتور بنزينى كمك مى كند كه به قرار زيرند:
- به موتور بنزينى كمك مى كند و نيروى اضافى را در زمان شتابگيرى و يا بالا رفتن از سر بالايى تامين مى كند.
- سيستم"ترمز احياء كننده" را در زمان كاهش سرعت خودرو به منظور بازيابى انرژى فعال نمايد.
- موتور بنزينى را روشن مي كند(حذف نياز به استارتر)
ولى موتور الكتريكى به تنهايى نمى تواند نيروى مورد نياز براى حركت خودرو را فراهم نمايد و موتور بنزينى نيز بايد روشن باشد تا موجب حركت خودرو شود.(يكي از تفاوتهاي insight با پريوس همين است, پريوس تنها با كمك موتور الكتريكي نيز ميتواند حركت كند)
هوندا براى كسب بهترين كارايى كارهايى را انجام داده كه مهمترين انها 3 كارى است كه در زير به انها اشاره مى شود.
- كاهش وزن: insight از بدنه و ساختار آلومينيومى سبك وزن ساخته شده است براى هر چه كمتر شدن وزن،وزن اين خودرو كمتر از 1900 پوند (862 كيلوگرم) است كه اين مقدار 500 پوند يا 227 كيلوگرم كمتر از سبكترين هوندا سيويك است.
- استفاده از موتور كوچك و پر بازده:
موتور insight كه در شكل زير مشاهده مى كنيد تنها 124 پوند (56 كيلوگرم) وزن دارد.سه سيلندر و 1 ليتر حجم دارد كه 67 اسب بخار را ر 5700 rpm توليد مى كند.اگر نيروى اضافى ناشى از موتور الكتريكى را نيز در نظر بگيريد.اين خودرو قادر خواهد بود از 0 تا 60 مايل بر ساعت را در 11 ثانيه بپيمايد.با در نظر گرفتن موتور الكتريكى نيروى موتورها به 73 اسب بخار مى رسد.(در 5700 rpm) .اگر مقايسه اى بين موتور بنزينى به تنهايى با مجموع موتور بنزينى والكتريكى انجام دهيم.به اين نتيجه ميرسيم كه موتور الكتريكى تنها 6 اسب بخار به قدرت موتور مى افزايد. در حالى كه تاثير واقعى موتور الكتريكى بيش از اين مقدار است.موتور الكتريكى در خودروى insight 10 كيلو وات است (13 اسب بخار ) در 3000 rpm .
مقدار تاثير واقعى موتور الكتريكى را مقدار ماكزيمم گشتاور روشن مى سازد:
بدون موتور الكتريكي , insight به ماكزيمم گشتاور 66 پوند – فوت در 4800 rpm مى رسد.وبا موتور الكتريكى ماكزيمم گشتاور به 79 پوند – فوت در 1500 rpm مى رسد.كه 13پوند – فوت نيز كه اختلاف اين دو گشتاور است همان تاثير واقعى موتور الكتريكي است.
- به كار بردن ايروديناميك: هوندا insight به شكل قطره اشك طراحى شده است .پشت خودرو باريكتر از جلوى ان است. چرخ هاى عقب توسط جزيى از بدنه پوشانده شده است تا شكلى صاف را تشكيل دهد و بعضي از قطعات زيرين ماشين توسط پانلهاى پلاستيكى پوشانده شده است.اين كارها باعث كاهش ضريب درگ به 0.25 مى شود. و اين خودرو جزء ايروديناميك ترين خودرو در بازار است .زماني كه شما در حال حركت در اتوبان هستيد موتوربنزينى با تمام قدرت كار مى كند .وقتى كه سرعت خود را كاهش مى دهيد(توسط ترمز كردن يا پدال گاز را شل كردن ) موتور الكتريكى مانند ژنراتور مقدارى الكتريسيته را براىشارژ باترى استفاده مى كند.
نكته ديگر در مورد insight اين است كه سيستم انتقال قدرت از موتور به وسيله كلاچ جدا شده است (مانند ساير خودروها) و اين بدين معنى است كه اگر شما در حال كم كردن سرعت خود باشيد و كلاچ را نگه داريد و يا با دنده خلاص سرعت خود را كاهش دهيد در اين صورت موتور الكتريكى و سيستم "ترمز احياء كننده" نخواهد توانست انرژى الكتريكى ناشى از اين كم شدن سرعت را به باترى بدهد.پس زمانى اين سيستم مى تواند بازيابى انرژى داشته باشد كه كم شدن سرعت خودرو در حالتى صورت گيرد كه خودرو در دنده قرار دارد.
اكنون اجازه دهيد كه نگاهى به تكنولوژى تويوتا پريوس بيندازيم كه سيستمى به كلى متفاوت از insight دارد .
مزاياى يك خودروى هيبريدى :
شما ممكن است تعجب كنيد كه چرا اشخاص به اين سيستم پيچيده علاقه دارند عليرغم اينكه بيشتر مردم با خودروهاى بنزينى خيلى راحت هستند.
دليل اين علاقه دو چيز است:
1- كاهش الايندگى
2- بهبود بهره ورى و كارايى
حال اجازه دهيد مثالى از استانداردهاى آلودگى كاليفرنيا بزنيم.كه تعيين مى كند چه مقدار از هر نوع الودگى در يك خودرو مى تواند وجود داشته باشد.اين مقدار معمولابر حسب گرم بر مايل (g/mi) بيان مى شود.براى مثال اين استاندارد بيان مى كند كه مقدار مونو اكسيد كربن در هر مايل نبايد از 3.4 گرم بيشتر باشد.
تويوتا پريوس:
تويوتا پريوس در ژاپن در اواخر سال 1997 توليد شد.تويوتا سيستم موتور و انتقال قدرت را به صورت هيبريد موازى طراحى كرده است كه تويوتا ان را سيستم هيبريدى تويوتا ناميده است كه بعضى از مزاياى هيبريدهاى سرى را نيز داراست.
يك سدان 4 در 5 نفره كه موتور و سيستم انتقال قدرت ان طورى است كه توانايى رسيدن به سرعت 15 مايل بر ساعت (24 كيلومتر بر ساعت) را فقط با موتور الكتريكى داراست.پريوس در سال 2004 در امريكاى شمالى به عنوان خودروى سال برگزيده شده است.
وزن پريوس 2900 پوند (1315 كيلوگرم) است و فضاى درونى و فضاى صندوق عقب آن از تويوتا كرولا بيشتر است.
تويوتا براى رسيدن به بهره ورى و كاهش الايندگى 2 كار را انجام داد:
- موتور بنزينى فقط زمانى كار مى كند كه به يك سرعت مشخص برسد:به عبارت ديگر براى كاهش الودگى پريوس مى تواند به سرعت 15 مايل بر ساعت (24 كيلومتر بر ساعت) بدون استفاده از موتور بنزينى برسد.موتور بنزينى فقط زمانى روشن مى شود كه خودرو از يك سرعت معين بگذرد.
- به كار بردن يك دستگاه تقسيم قدرت بى همتا:موتور بنزينى مى تواند طورى تنظيم شود تا در يك سرعت معين بيشترين بهره ورى را داشته باشد ."دستگاه تقسيم قدرت" در پريوس اجازه مى دهد كه موتور در همه زمانها در حالت بيشترين كارايى در يك رنج سرعتى خاص باشد.
پريوس داراى موتور 1.5 ليترى است كه 76 اسب بخار را در بيشينه دور 5000 دور بر دقيقه بدست مى اورد.موتور الكتريكى در پريوس داراى 67 اسب بار قدرت براى 1200 تا 1540 دور بر دقيقه است. وگشتاور 295 پوند – فوت را از 0 تا 1200 دور بر دقيقه توليد مى كند كه نيروى كافي را براى حركت خودرو بدون دخالت موتور بنزينى فراهم مى كند , موتور الكتريكى در پريوس خيلى قويتر از موتور الكتريكى در هوندا insight است.
دستگاه"تقسيم كننده قدرت" قلب پريوس است.آن يك جعبه دنده هوشمند است كه به موتور بنزينى متصل است.اين جعبه دنده به خودرو اجازه مى دهد كه مانند يك خودروي هيبريدى موازى باشد كه در آن موتور الكتريكى مى تواند به تنهايى به سيستم انتقال قدرت نيرو وارد كند و موتوربنزينى نيز مى تواند به تنهايى و يا با متور الكتريكى نيروى مورد نياز خودرو را تامين كند.
همچنين اين دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اغلب اجازه مى دهد كه خودرو مانند يك خودروى هيبريدى سرى باشد كه در آن موتور بنين مى تواند مستلا باترى ها را شارژ كند و يا نيروى مورد نياز براى چرخ ها را فراهم كند.كه اغلب مى تواند به صورت انتقال قدرت پيوسته يا cvt عمل كند كه باعث حذف نياز به انتقال قدرت دستى يا اتومات مى شود. و سرانجام چون دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اجازه مى دهد كه ژنراتور موتور را روشن كند و اين باعث حذف نياز به استارتر مى شود .
دستگاه تقسيم قدرت يك مجموعه دنده خورشيدى است (شكل زير) موتور الكتريكى به چرخ دنده حلقه اي از مجموعه دنده متصل است و اغلب به صورت مستقيم به ديفرانسيل متصل مى گردد. بنابراين سرعت موتور الكتريكى و چرخش دنده حلقه اي سرعت خودرو را تعيين مى كند.
ژنراتور به چرخ دنده خورشيدى از مجموعه دنده ها متصل است و موتور بنزينى يا گاز سوز نيز به حامل خورشيدى(planet carrier) متصل است.سرعت چرخ دنده حلقه اي به سه جزء گفته شده بستگى دارد.بنابراين همه اين اجزاء با هم در تمام زمانها كار مى كنند تا سرعت خروجى را كنترل كنند.وقتى شما شتاب مى گيريد ابتدا موتور الكتريكى و باترى ها تمام نيروى مورد نياز را تامين مى كنند.چرخ دنده حلقه اي كه متصل به موتور الكتريكى است همزمان با حركت كردن موتور الكتريكى مى چرخد.حامل خورشيدى كه به موتور بنزينى متصل است ثابت است زيرا موتور بنزينى هنوز روشن نشده است.زمانى كه چرخ دنده حلقه اي شروع به چرخيدن كند باعث ميشود كه ژنراتور و چرخ دنده خورشيدى نيز شروع به چرخيدن كنند.زمانى كه شتاب بيشترى مى گيريد ژنراتور با سرعتى مى چرخد كه بتواند نيروى مورد نياز براى موتور الكتريكى را فراهم كند.
هنوز موتور بنزينى فعال نشده است. وقتى به سرعت 40 مايل بر ساعت يا 64 كيلومتر بر ساعت مى رسيد موتور بنزينى نيز روشن مى شود.در حالى كه موتور بنزينى روشن است ژنراتور سرعت موتور الكتريكي را طورى تغيير مى دهد كه با سرعت موتور بنزينى تطبيق پيدا كند و در خروجى سرعت با هم برابر باشند.
همانند هوندا insight , تويوتا پريوس هرگز نياز به شارژ دوباره ندارد.زيرا ژنراتور هميشه و به طور اتوماتيك سطح شارژ در باترى ها را كنترل مى كند و در صورت كم بودن شارژ مى كند.
هم هوندا و هم تويوتا گارانتي هاى طولانى براي قطعات هيبريدى خود وضع كرده اند.هوندا 8 سال يا 80000 مايل گارانتى بيشتر قسمتهاى انتقال قدرت و موتور وتجهيزات هيبريدى را داراست و تويوتا نيز 8 سال يا 100000 مايل گارانتى باترى و سيستمهاى هيبريدى را دارد.موتور و باترى در اين خودروها نياز به هيچگونه نگهدارى وبازنگرى ندارد(آموزش مكانيك اگرچه در صورت اتمام گارانتى اگر نياز به تعويض باتري ها گرفتيد ڇندين هزار دلار خرج بر مى دارد).
كسب نيروى هيبريدى مطمئنا پيچيده تر از تنها نيروى بنزينى و يا تنها نيروى الكتريكى است. در بخش بعدى بررسى خواهيم كرد كه چرا تكنولوژى هيبريدى مورد علاقه همه مشتريان و هم خودروسازان قرار گرفته است.
خودروهاي هيبريدي
خودروهاي هيبريدي معمولا تلفيقي از موتور احتراق داخلي خودروهاي متداول با باتري و موتور الكتريكي يك خودرو الكتريكي هستند . اين تلفيق انتشارات ( گازهاي خوروجي ) اندك همراه با توان ، برد عملياتي و سوخت مصرفي مناسب خودروهاي معمول ( گازوئسل وبنزين) را عرضه مي كند و اين خودروها هرگز نياز به اتصال به برق ندارند.اين انعطاف پذيري ذاتي خودروهاي هيبريدي آنها را براي ناوگان حمل و نقل ومصرف شخصي مناسب كرده است خودرو هاي هيبريدي مي توانند سرعت و مسافت بيشتري نسبت به انواعي كه موتورهاي درون ساز دارند داشته باشند، با اين حسن بزرگ كه شارژباتري هايش هرگز تمام نمي شود بازدهي اين خودروهابسيار بالا بوده و ميزان توليد آلودگي شان كاهش يافته است. به همين دليل بسياري از كارخانه ها از سال 1999 توليد خودروهاي هيبريدي را به صورت انبوه آغاز كرده اند.
خودروهاي هيبريدي (Hybrid Vehicles)
خودروهاي هيبريدي معمولا تلفيقي از موتور احتراق داخلي خودروهاي متداول با باتري و موتور الكتريكي يك خودرو الكتريكي هستند . اين تلفيق انتشارات ( گازهاي خوروجي ) اندك همراه با توان ، برد عملياتي و سوخت مصرفي مناسب خودروهاي معمول ( گازوئسل وبنزين) را عرضه مي كند و اين خودروها هرگز نياز به اتصال به برق ندارند.اين انعطاف پذيري ذاتي خودروهاي هيبريدي آنها را براي ناوگان حمل و نقل ومصرف شخصي مناسب كرده است خودرو هاي هيبريدي مي توانند سرعت و مسافت بيشتري نسبت به انواعي كه موتورهاي درون ساز دارند داشته باشند، با اين حسن بزرگ كه شارژباتري هايش هرگز تمام نمي شود بازدهي اين خودروهابسيار بالا بوده و ميزان توليد آلودگي شان كاهش يافته است. به همين دليل بسياري از كارخانه ها از سال 1999 توليد خودروهاي هيبريدي را به صورت انبوه آغاز كرده اند.
تاريخچه خودروي هيبريدي
يك مهندس آمريكائي به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 يك ماشين هيبريدي ساخت كه قادر بود در طي 10 ثانيه تا 25 مايل شتاب بگيرد. موتور اين خودرو تركيبي از موتور بنزيني و موتور الكتريكي بود كه امروزه به عنوان موتور هيبريدي شناخته ميشود. Piper در سه سال و نيم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پيشرفت سريع موتورهاي احتراق داخلي با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنين قابليت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پايين بودن قيمت سوختهاي فسيلي و مطرح نبودن آلودگي محيط زيست، سبب عدم توجه به اين نوع خودروها شد. در پي بحرانهاي نفتي سالهاي 1970 دوباره اين خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولي تا سال 1990 كه كار اصولي با مشاركت PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle) در آمريكا آغاز گرديد، اين خودروها به طور جدي پيگيري نشدند.
امرزه خودروهاي هيبريدي مورد توجه كمپانيهاي بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله مي‌توان به شركتهايي مانند: تويوتا، هندا، ميتسوبيشي، فورد، فيات، جنرال موتورز، دايملر كرايسلر، نيسان و پژو و ... اشاره نمود. توفيق اين محصولات به حدي چشمگير بوده كه از دسامبر سال 1997 تا ابتداي سال 2000 بيش از چهل هزار محصول پريوس كمپاني تويوتا به فروش رسيده است.
خودروهاي هيبريدي به وسيله دو منبع انرژي – يك واحد تبديل انرژي (همچون يك موتور احتراق يا پيل سوختي) و يك وسيله ذخيره انرژي (هم چون باتري هل يا فرا خازن ها)- توان مي گيرند . واحد تبديل انرژي امكان قدرت گرفتن از بنزين ، متانول ، گاز طبيعي فشرده ، هيدروژن يا سوخت هاي جانشين ديگر را دارد. خودروهاي هيبريدي اين پتانسيل را دارنئ كه 2 تا 3 برابر راندمان بالاتري نسبت به خودروهاي متداول داشته باشند. خودروهاي هيبريدي مي توانند داراي طراحي موازي طراحي سري يا تركيبي از هر دو باشند. در يك طراحي موازي ، واحد تبديل انرژي و سيستم محركه الكتريكي مستقيما به چرخ هاي خودرو مرتبط شده اند. موتور اصلي براي رانندگي در بزرگراه ها استفاده مي شود ، موتور الكتريكي توان اضافي را هنگام پيمودن سر بالايي ها ، شتاب گرفتن و مواقع ديگر كه توان بالاي خودرو نياز باشد فراهم مي آورد.در يك طراحي سري ، موتور اصلي به يك ژنراتور توليد كننده الكترسيته مرتبط است . الكتريسيته باتري هايي را شارژ مي كند كه موتور الكتريكي را كه به چرخ ها توان مي دهد به كار مي اندازد. بر خلاف خودروهاي الكتريكي ، خودروهاي هيبريدي نيازي به اتصال به برق شهر ندارند. در عوض آنها با ترمز واكنشي يا ژنراتور شارژ مي شوند.
اجزاء خودروهاي هيبريدي
خودروهاي هيبريدي يك تركيب بهينه از اجزاي مختلف هستند.يك نمونه خودرو هيبريدي را دياگرام بالا مي بينيد.
كنترل كننده ها / موتور كشنده الكتريكي
سيستم هاي ذخيره كننده انرژي الكتريكي ، همچون باتري ها و فراخازن ها
واحد توان هيبريدي همچون موتور احتراق جرقه اي ، موتورهاي انژكتور مستقيم احتراق تراكمي )ديزل) توربين هاي گازي و پيل هاي سوختي
سيستم هاي سوخت رساني براي واحد توان هيبريدي
جعبه دنده (گيربكس(
براي كمك به گازهاي خروجي و بهبود كارايي هاي خودرو ، اجزاء وسيستم هاي زير بواسطه تحقيق و توسعه اصلاح شدند :
سيستم هاي كنترل گازهاي خارجي
مديريت انرژي وكنترل سيستم ها
مديريت حرارتي اجزاء
وزن پايين وايرو ديناميك بدنه / شاسي
مقاومت غلطشي پايين (شامل طراحي بدنه وتايرها (
كاهش بار لوازم اضافي
كنترل كننده ها / موتورهاي هيبريدي
موتورهاي كارگران پر كار سيستمهاي راننده خودروهاي هيبريدي هستند ، يك موتور كشنده الكتريكي ، انرژي الكتريكي واحد ذخيره انرژي را به انرژي مكانيكي كه چرخ هاي خودرو را به حركت در مي آورد.بر خلاف خودروهاي معمول كه براي بدست آوردن گشتاور كامل ، موتور بايد سرعت بگيرد موتور الكتريكي گشتاور كامل رادر سرعت هاي پايين ني فراهم مي كند. همين مشخصه شتاب غير خطي عالي به خودرو مي دهد . مشخصه هاي مهم موتور خودروي هبريدي شامل كنترل خوب رانندگي با خطاي مجاز صداي كم وراندمان بالا مي باشد. مشخصه هاي ديگر شامل انعطاف پذيري مربوط به نوسان ولتاژ و البته قابل قبول بودن قيمت توليد انبوه مي شود. تكنولوژي موتور جلو برنده براي كاربردهاي خودروي هيبريدي شامل آهنرباي دائمي ، القاي جريان متناوب و موتورهاي مقاومت مغناطيسي متغيير مي باشد.
باتري خودرو هيبريدي
باتري ها يك از اجزاي ضروري خودروخهاي هيبريدي هستند . گر چه تعداد كمي از توليدات خودروهاي هيبريدي با باتريهاي پيشرفته در بازار عرضه شده اند اما هيچ كدام از باتري هاي رايج يك تركيب قابل قبول اقتصادي از توان ، راندمان انرژي و طول عمر را براي حجم بالاي توليد خودرو ارائه نداده اند. ويژگيهاي مطلوب باتريهاي با توان بالا براي كاربردهاي خودروهاي هيبريدي شامل اين موارد است : پيك و توان مخصوص تكانه بالا ، انرژي مخصوص بالاي توان تكانه ، پذيرش شارژ بالا براي بيشينه كردن بهره بري ترمز واكنشي و طول عمر طولاني . روش ها و طراحي هاي در حال توسعه براي هماهنگي مجموعه به صورت الكتريكي و حرارتي ، روشهاي دقيق در حال پيشرفت براي تعيين وضع شارژ باتري ، باتريهاي بادوام در حال پيشرفت و قابليت بازاريابي ، چالش هاي تكنيكي ديگر هستند.
فراخازن هاي خودروهاي هيبريدي
فراخازنها انرژي مخصوص بالاتري دارند و نوع قويتري از خازن هاي الكتروليتي هستند كه انرژي را به عنوان شارژ الكتريسته ساكن ذخيره مي كنند. فراخازنها سيسمتهاي الكتروشيميايي هستند كه انرژي را در لايه اي از مايع قطبيده شده در سطح مشترك مابين يك الكتروليت رساناي يوني و يك الكترود رسانا ذخيره مي كنند . ظرفيت ذخيره انرژي با افزايش مساحت سطح مشترك افزايش مي يابد. فراخازنها به عنوان اولين ابزار براي كمك به توان موتور در شتاب گيري و سر بالايي رفتن هستند كه به هملن خوبي بازيافت انرژي ترمزگسترش پيداكرده اند فراخازنها به صورت بالقوه به عنوان دومين شيوه ذخيره انرژي در خودروهاي هيبريدي ، براي تامين توان بار گذاري باتري هاي شيميايي سودمندند. الكتريسيته اضافي براي ثابت نگه داشتن ولتاژ در مواقعي كه چگالي انرژي پايين است مورد نياز است.
پيل هاي سوختي خودروهاي هيبريدي
پيل هاي سوختي به واسطه يك واكنش الكتروشيميايي كه هيدروژن را با اكسيژن در هواي محيط تركيب مي كند ، الكتريسيته توليد مي كنند.هيدروژن خالص يا هر سوخت فسيلي ديگري كه اصلاح شده باشد مي تواند براي توليد گاز هيدروژن مورد استفاده قرار گيرد. متانول يك انتخاب معمول براي سوخت است. تنها گاز خروجي پيل سوختي بخار آب است كه توان بالقوه آن را به عنوان تميزترين واحد توان هيبريدي مي رساند. راندمان ، صداي كم ، قابليت اطمينان و راندمان تبديل انرژي تا 50% پيش بيني شده پيلل هاي سوختي ، نشان مي دهد كه به طور نسبه مشخصه هاي خودروي هيبريدي در قياس با راندمان 20-25 درصد موتورهاي بنزيني احتراق داخلي مناسب تر هستند.
انتشارات پايين و راندمان بالا
تفاوت در گازهاي خروجي خودروهاي الكتريكي هيبريدي بستگي به خودرو و پيكر بندي اجزا آن دارد. ول به طور كلي خودروهاي هيبريدي گازهاي خروجي كمتري نسبت به خودروهاي معمولي دارند چرا كه در موتور اين خودروها يك موتور الكتريكي به همراه يك موتور احتراق داخلي دارد و موتور الكتريكي در بسياري از مواقع جبران كننده موتور احتراق داخلي است بنابراين مصرف سوخت و گازهاي خروجي كاهش مي يابد ، در ضمن اين خودروها قادرند فقط با موتورالكتريكي كار كنند كه باعث كاهش آلودگي مي شود.هيبريدهابه سادگي كار كرد موتور را كنترل مي كنند و اين عمل خورو را داراي راندمان بيتر و آلودگي كمتر مي كند.
مقايسه عملكردي خودروهاي برقي خالص و خودروهاي هايبريد
خودروهاي برقي گرچه به عنوان اولين راهكار براي كاهش ميزان آلودگي معرفي گرديده اند اما به علت آنكه در سيكلهاي رانشي طولاني با مشكل ر وبرو مي شوند از اينرو حضور موفقي نداشته اند و در حقيقت با شكست مواجه گرديده اند .ايده خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محركه رانشي نه تنها مشكل آلودگ ي و مصرف خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محركه رانشي نه تنها مشكل آلودگ ي و مصرف سوخت را به حداقل رسانده است بلكه مشكلات ناشي از خودروهاي برقي خالص را حل نموده است .واين مزيت خودروهاي هايبريد برقي نسبت به خودروهاي برقي خالص مي باشد.
منبع : سايت تخصصي خدمات خودرو
منبع : كانون توسعه پژوهش و فناوري مكانيك ايران