Pogonski sklopi pod drobnogledom – II. del

Bencin, dizel, vodik ali elektrika? Štirje viri energije, ki jih najdemo v sodobnih vozilih. Nekateri našo mobilnost spremljajo že več kot stoletje, spet drugi v ospredje vstopajo šele zadnjih nekaj let. So fosilna goriva nujno zlo v odhodu in bo elektrika vodila mobilnost v prihodnjih desetletjih ali gre zgolj za muho enodnevnico? Kje vmes ima mesto vodik kot obljubljen vir čiste energije popolnoma brez emisij? Vse to bomo na kratek in poljuden način raziskali skupaj v seriji petih prispevkov. Sprva bomo spoznali vse štiri glavne pogonske zvrsti – klasično bencinsko oziroma dizelsko, hibridno, električno in na vodik ter jih na koncu brez lepotičenja primerjali z vsemi znanimi tehničnimi dejstvi. Pri vsaki bomo razkrili manj znano zanimivost ali dve in sleherno ovrednotili predvsem pri vplivu na okolje.

Pred nekaj tedni smo pričeli s PRVIM DELOM pogonskih sklopom, tokrat nadaljujemo s hibridi. Beseda hibrid se v Slovenskem slovarju knjižnega jezika nanaša na potomce staršev z različno dedno osnovo, bolj domačno rečeno na križanca. V avtomobilskem svetu izraz križanec pogosto uporabljamo pri opisu nestandardne oblike vozila, medtem ko se izraz hibrid navezuje na združeni dve vrsti pogona v enem vozilu – klasično bencinsko (ali izjemoma dizelsko) ter električno. Polni naziv hibridnih vozil je pravzaprav hibridna električna vozila, vendar se vmesni člen navadno opušča, kajti praktično vsi hibridi v sodobnih vozilih so kombinacija motorja z notranjim zgorevanjem (agregata) in elektromotorja. Vendar zakaj bi v eno vozilo vgradili dva pogona? Razloga sta zgolj dva, protislovna – zaradi nižje porabe goriva ali zaradi višje zmogljivosti.

Prvo hibridno vozilo je v davnem letu 1901 razvil Ferdinand Porsche, ki je iskal povečanje moči svojega vozila, njegove ideje pa so že nekaj let vodilo razvoja izredno zmogljivih športnih vozil ter recimo dirkalnikov v segmentu Formula 1, kajti prav vsak F1 bolid ima vgrajen izredno zmogljiv 1,6-litrski agregat s hibridno tehnologijo.

Kljub dolgi bradi kombinacije dveh pogonov širša raba hibridnih vozil ni bila navzoča vse do prihoda Toyote Priusa skoraj stoletje kasneje. Slednji je na domač japonski trg zapeljal v letu 1997 in tri leta kasneje napolnil Toyotine salone širom sveta. Danes je Prius, katerega ime v latinščini pomeni »prvi« oziroma »izvirnik«, na voljo v 90-ih državah sveta in velja za najbolj prodajano hibridno vozilo ta hip. Nastal je pod pomenljivo tovarniško oznako G21, kot Toyotina globalna študija prihodnosti oziroma 21. stoletja. Vozilo je moralo biti kompaktno, a prostorno z dolgo medosno razdaljo ter predvsem varčno s ciljno porabo približno 5 litrov na sto kilometrov. Razvoj hibridnih sistem praktično ni obstajal, zato so morali japonski inženirji začeti z ničle in pri osnovnih a ključnih odločitvah (očitno pravih), vse ostalo je danes zgodovina in bogato 25-letno znanje Toyotinega razvojnega oddelka.

Postavitev hibridnega pogona

Pri postavitvi pogona se opis nanaša na način prenosa moči na kolesa. Pri zaporedni (serijski) postavitvi je elektromotor tisti, ki vedno poganja kolesa, medtem ko (navadno manjši) agregat opravlja izključno vlogo električnega generatorja in s tem polnjenja baterije. Agregat tako deluje zgolj kot »podaljševalec avtonomije« (ang. range extender) in ne poganja koles. Prednosti serijske postavitve pogona so optimizacija obratovanja agregata, enostavna izvedba in možnost vožnje zgolj na elektriko, medtem ko med pomanjkljivosti štejemo izgube pri pretvorbi energije ter višjo maso zaradi vseh komponent (moč pogona je omejena z močjo elektromotorja). Njegova uporaba je najbolj smiselna v gostem mestnem prometu.

Pri paralelni (vzporedni) postavitvi, kot že ime pove, lahko tako agregat kot elektromotor poganjata kolesa. Oba sta spojena na pogonsko os in se tako dopolnjujeta. Pri paralelnem hibridu so sprva uporabljali manjši elektromotor, ki je zgolj pomagal bencinskemu agregatu pri speljevanju in pri počasni vožnji. Bencinski motor je bil vedno v pogonu in vožnja v EV načinu ni bila možna.

Kasneje so paralelni pogon opremili s posebnimi sklopkami in razvili zelo kompleksen sistem, ki je omogočil večjo učinkovitost, a postal tudi precej dražji.

Nenazadnje je tu še serijsko-paralelna kombinacija, ki združuje prednosti obeh zgornjih različic, ki jo imenujemo tudi hibrid z razdelilnikom moči.

Računalnik kompleksno uravnava delovanje obeh elektromotorjev in agregata in tako kljub zelo preprosti mehanski povezavi omogoča izjemno fleksibilnost in učinkovitost pogona.

Stopnja elektrifikacije

Pri razlikovanju glede deleža električne energije kot pogonske ločimo mikro oziroma blage hibride, kot tiste z najmanj pomoči elektrike, ter nato še delne in polne hibride. Pri blagih hibridnih izvedbah se električna energija uporablja za pomoč pri speljevanju, pospeševanju in podaljšuje t. i. jadranje, torej podaljša zaustavljanje vozila ob popuščeni stopalko za plin. Sledijo delni hibridi, kjer sta elektromotor in baterija zmogljivejša, vendar še vedno ne omogočata samostojne vožnje zgolj na elektriko, medtem ko polni hibridi nudijo možnost kombinacije ali samostojnega pogona na elektriko kot na bencin.

Način polnjenja baterije

Vsa sodobna hibridna vozila svojo baterijo polnijo preko regeneracije zavorne energije, večina jih je opremljena tudi z zgoraj opisanim serijskim načinom delovanja pogona, ko agregat namensko polni baterijo. Ker baterije ni možno polniti preko zunanjega vira lahko tak pogon označimo za samopolnilni hibrid, saj ga polni sistem sam. V kolikor pa lahko baterijo polnite iz zunanjega vira, kot je to značilno za popolnoma električna vozila, pa tak tip imenujemo priključni hibrid. Kot ime pove, se baterija napaja iz polnilne postaje oziroma hišne vtičnice. Priključni hibridi imajo zmogljivejši električni del pogona, z večjo baterijo in elektromotorjem po moči skoraj primerljivim z bencinskim agregatom. Nudijo nekaj deset kilometrov električne avtonomije in možnost vožnje le na elektriko vse do avtocestnih hitrostnih omejitev. So pravcata zmes električnega in klasičnega vozila, vendar po drugi strani sled tega tudi najbolj kompleksna in posledično najdražja hibridna vozila.

Toyotin hibridni pogonski sklop HSD

Toyotin pionir kombiniranega bencinsko-električnega pogona je model Prius, katerega serijsko-paralelno hibridno tehnologijo smo v letu 1997 imenovali Toyota Hybrid System (THS). Toyota se je odločila za kombinacijo dveh elektromotorjev-generatorjev in posebnega bencinskega agregata povezanih preko preprostega planetnega gonila. Manjši elektromotor opravlja funkcijo alternatorja in zaganjača, večji pa je fiksno vezan na prednja kolesa in služi za pogon in regenerativno zaviranje.

Takšna zasnova se je ohranila do danes in je zagotovila Toyoti vodilno mesto glede na prodajne številke kakor tudi glede na prihranek pri emisijah CO2.

Ključna novost druge generacije Priusa je poleg nove 5-vratne karoserije tudi uporaba precej višje napetosti, ki je omogočila zmanjšanje ključnih komponent ob hkratnem povečanju moči in učinkovitosti. Novi pogon so poimenovali Hybrid Synergy Drive (HSD).

Z naslednjimi generacijami je Toyota dodatno izboljšala hibridni pogon in ga razširila v številne modele in segmente svoje ponudbe. Pri modelu RAV 4 so vgradili dodatni elektromotor in tako ustvarili prvi hibridni štirikolesni pogon. Leta 2012 pa so predstavili prvega Priusa s povečano hibridno baterijo in možnostjo zunanjega polnjenja (plug-in)

Glavne prednosti Toyotinih hibridnih pogonov:

• Vsi modeli nudijo tudi električno vožnjo brez delovanja agregata
• Nižja poraba goriva (bencina) in s tem nižje emisije
• Brez skrbi glede polnjenja baterije, tudi v primeru priključnega hibrida
• Izjemna zanesljivost in trajnost

Hibridna vozila tako nudijo udobje obeh avtomobilskih svetov – električnega in klasičnega in združujejo prednosti obeh pogonov. Bencinski motor deluje manj časa in vselej v najbolj učinkovitih pogojih. Pri hladnem zagonu električni pogon pripomore z zmanjšanju obremenitve bencinskega agregata. Njegova moč se glede na trenutne potrebe uporablja za pogon koles in/ali polnjenje baterije v poljubnem razmerju. Bencinski motor tudi poskrbi, da se hibridna baterija ne preobremeni in da se preveč ne izprazni.

Več o popolnoma električnih vozilih prihodnjič, ko bomo preverili prednosti in pomanjkljivosti izbire tovrstnega pogona ter ovrednotili vpliv na okolje že od prvih zametkov vozila naprej.

Blaž Likovič
foto: caranduser.com, Toyota