A hibrid hajtásról

A tudomány, a technika és a technológia fejlődése részben emberi kíváncsiságból, részben felvetődő problémák megoldásából, majd újabb kérdések létrejöttéből táplálkozik. A motorizáció kezdeti időszakában az érdeklődés, később a nagyobb haszon elérése, majd a megtörtént balesetek miatti megelőző gondolkodás adták a fejlődés motorját. Manapság pedig a környezetterhelés csökkentése és a fenntarthatóság biztosítása jelentik a legnagyobb kihívást.

A légszennyezéshez – az iparon túl – a közlekedésben használt fosszilis üzemanyagok használata jelentősen hozzájárul. A CO_² kibocsátás csökkentésére a járműgyártók egyrészt a belső égésű motorok fejlesztéseivel (Miller-, Atkinson-ciklusú motorok), másrészt alternatív hajtási módok kialakításával foglalkoznak (villamos, hibrid, üzemanyagcellás).

A hagyományos benzin vagy dízel hajtóanyag helyett és/vagy mellett egyéb energiaforrást állítanak be a jármű hajtásába: gáz (autógáz, CNG, LNG), elektromos, hidrogén, bioüzemanyagok (etanol, RME: repce-metiléter). Törekednek a megújuló energiaforrások használatára.

Hibrid hajtásnak azt nevezzük, amikor több, egymástól eltérő elven működő erőforrása van az autónak. Ilyenkor legalább két különböző energiaforrással és energia-átalakítóval rendelkezik egy jármű. Legelterjedtebben a belső égésű motor mellett egy elektromotor is segíti az autó mozgását. Ilyenkor a fosszilis energiahordozó inkább a benzin (Atkinson ciklusú motorok), bár közvetlen befecskendezésű dízel vagy egyéb alternatív üzemanyagú motorral működő hibrid is létezik. Ezeknek kevesebb a káros anyag kibocsátása és kedvezőbb az autó fogyasztása is (változatlan teljesítmény mellett), esetleg a teljesítmény nő (azonos üzemanyag fogyasztás mellett).

További tüzelőanyag fogyasztás csökkentő megoldásnak alkalmazzák a belső égésű motor leállítását üresjáratban, a légellenállás csökkentését és a hibridekre optimalizált kis gördülési ellenállású gumiabroncsok használatát. Ez utóbbiak merevebbek, keményebb rugózásúak.

A hibrid autók főbb részei: belső égésű motor, villanymotor, hajtómű, villamos hálózat, energiatároló(k) – legtöbbször nagyfeszültségű akkumulátor(ok).

A hibridek mindkét (belső égésű és villany) motorja kisebb méretű, mint a hagyományos járművekben. Mivel a forgatónyomatékot a villanymotor egyenletesen adja le, ez kiváltja a benzinmotor alacsony fordulatszámon megmutatkozó kedvezőtlen és kevésbé hatékony üzemi körülményeit.

A villamos hajtású járművek töltésenkénti hatótávolsága elmarad a belső égésű motorokhoz képest az akkumulátorok üzemanyaghoz képest kisebb energiasűrűsége miatt. A hibrideket így átmeneti megoldásnak tekintik, amíg a tisztán elektromos autók hatótávolsága számottevően meg nem nő. A fejlődés robbanásszerű: a villanyautók akkupakk kapacitása évente akár 30%-ot is fejlődhet.

A sebességváltók főleg automaták, illetve félautomaták, de lehet automatizált fokozatváltású fogaskerekes is, továbbá a fokozatmentes (CVT) váltók is kedveltek.

A villamos hálózatnak kell a terheléseket elviselni és a fogyasztókat ellátni. Régebben a benzinmotor által termelt veszteséghő alkalmas volt az utastér fűtésére és a páramentesítésre. A mai korszerű motorok magasabb hatásfoka miatt ezt a feladatot is a villamos hálózat látja el. Az eddigi belső égésű motor által hajtott segédberendezéseket, sőt a komfortot növelő (pl. klíma) berendezéseket ma már villamos motor hajtja. Az elektromos rendszer tagjai váltakozó áramú gépek, az energiatároló akkumlátorok viszont egyenáramú berendezések. Az AC/ DC átalakítást az inverterek végzik.

A legmegfelelőbb energiatároló legyen kicsi, könnyű, de jól viselje a töltési-kisütési folyamatok dinamikus változását. Ez függ a hajtástípustól, a hibridizáció fokától és a villanymotor teljesítményétől. Elsődlegesen elektrokémiai akkumulátorokat alkalmaznak, melyek kémiai úton elektromos energiát állítanak elő. Két fontos mutatójuk a teljesítménysűrűség, ami a jármű teljesítményét; és az energiasűrűség, ami az autó hatótávolságát befolyásolja. Az akku több cellából épül fel, egy-egy cella független és teljes egység: elektrolit, benne két elektródával (+,-). Régi típusok az ólom (Pb-Fe), nikkel-vas (Ni-Fe), de a fejlődés, fejlesztés folyamatos. Vannak nikkel-kadmium (Ni-Cd), nikkel-fémhidrid (Ni-MH), nátrium-nikkelklorid, lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorok. A hibrid járművekben legtöbbször a Ni-MH-et használják, aminek környezetterhelése csekély és teljesen újrahasznosítható (Toyota). A hibrid rendszer soha nem teszi lehetővé az akku túlterhelését, 20-80% tartományban működik. A tartósság további titka, hogy folyamatosan használni kell, rendszeresen tölteni és kisütni. Emellett nem igényel karbantartást sem. Továbbá a gyártók hosszú (8-10 év) garanciaidőt adnak az akkumulátorokra, s kicserélik, ha 80% alá csökken a kapacitásuk.

Az elektromos és hibrid járműveknél a motor gyakori leállítása és elindítása (stop-start) miatt az energiafelhasználásban gyakori csúcsok jelentkeznek, amit ultrakapacitások – mint energiaforrások – használatával is kezelhetnek, mert azok rövid idő alatt nagy töltésmennyiséget tudnak raktározni. A nagysebességű lendkerekek is alkalmasak a kinetikus energia tárolására, meghajtásukhoz (egy) fokozatmentesen változtatható váltómű (CVT: continuous variation transmission) kell.

A vezetési körülmények függvényében egy intelligens vezérlőegység szabályozza, hogy a meghajtást melyik motor végezze: a belső égésű, az elektromotor vagy mindkettő. A motorvezérlő egység a nyomatékelosztást alapvetően négyféle üzemmódban szabályozhatja.

1. Tisztán villamos hajtás: Álló helyzetből induláskor és enyhe gyorsításkor a hibrid rendszer teljesen az elektromotor teljesítményére támaszkodik.

2. Hibrid üzemmód: A nyomatékelosztásról a káros anyag kibocsátásnak, az akkumulátor töltöttségi szintjének és az üzemanyag fogyasztásnak a függvényében a vezérlőegység dönt és vált a hajtásmódok közt. Kisebb tempós városi autózáskor elsődlegesen a villanymotor hajt, lakott területen kívüli utazósebességnél pedig főleg a benzinmotor.

3. Villamos rásegítés: Intenzív gyorsításkor vagy emelkedőn a két hajtás együttesen dolgozik a megnövekedett nyomatékigény kielégítésére.

4. Generátor üzemmód: A nagyfeszültségű akkumulátor(ok) töltésére szolgál. Egyik lehetőségként a benzinmotor a jármű hajtásához szükségesnél több forgatónyomatékot ad, másrészt visszatápláló fékezéskor (rekuperálás, regeneratív/ regeneráló fékezés) a villanymotor működése megfordul és generátorként tölti az akku(ka)t. A mozgási (mechanikai) energiát elektromossá alakítja. Ekkor a villamos gép fékezőnyomatéka lassítja a járművet.

A hibrid rendszerek hatékonysága függ a villanymotortól, az akkumulátor kapacitásától, illetve a rendszer programozásától. Annak függvényében, hogy a villamos teljesítménynek a járműtömeghez képest milyen az aránya, eltérő feladatokat tud ellátni a villamos rendszer, s ez meg is fogja határozni a hibridizáció fokát. Az egyre növekvő teljesítmény egyre többféle feladat ellátását tudja biztosítani. Ez egyben összetettebb rendszereket is jelent. Természetesen a bonyolultabb rendszerek az egyszerűbbek összes funkcióját képesek ellátni. Amikor a villamos teljesítmény/ járműtömeg arány a legkisebb, 3-5 kW/t, akkor a villamos fogyasztók áramellátása biztosítható, 42 V-nál kisebb feszültséggel. Már 4-7 kW/t-nál gyorsítássegély, start-stop üzemmód és fékenergia visszanyerés is lehetséges, itt a rendszer teljesítménye 42-96 V. A 6-14 kW/t aránytól teljesítmény-kiegészítésre is van már mód, 96-192 V feszültségtartományú rendszerrel. A 13-20 kW/t tartományban valamennyi önálló villamos hajtás is lehetséges, 144-288 V közötti középfeszültséggel. 20 kW/t felett teljesen önálló, hosszabb távú villamos hajtást tudnak biztosítani 192 V feletti nagyfeszültséggel.

A hibrid járművek több szempont szerint is csoportosíthatók. Osztályozhatók a hibridizáció foka, más szóval a villamos hálózatok teljesítménye alapján.

Mikrohibrid: kisfeszültségű hibrid 14-42 V közötti feszültséggel. Az önindítót és a generátort ékszíjjal hajtott villamos gép helyettesíti. Gyorsindítású start-stop üzemmel rendelkezik, üresjáratban leállítja a benzinmotort, álló helyzetben a jármű hangtalan. Visszatáplálja a fékenergiát és álló motornál is van klimatizálás. 5-10%-os fogyasztáscsökkenést tud elérni. Ilyen a Smart Fortwo.

Mildhibrid/ lágy hibrid/ enyhén hibrid: kisfeszültségű hibrid, 14V-os és 42 V-os kettős feszültségű rendszert alkalmaznak. A villamos gép a főtengellyel közvetlen kapcsolatban áll. Nagyobb indítónyomatékú, jobb gyorsulású, emelkedőn vagy előzéskor a villanymotor segít a benzinesnek. Csendesebb üzemű, 10-15%-os fogyasztáscsökkenést tud elérni. Ilyen a Mercedes S400 (BlueHybrid), a BMW X6 Active Hybrid.

Médium hibrid/ Strong hibrid: középfeszültségű hibrid, 144-200 V-os rendszerrel. A mildhibridnél nagyobb teljesítményű villanymotorja van, ami rövid idejű erős hajtásrásegítést, valamint hosszan tartó teljesítmény-kiegészítést tud adni, akkuja is nagyobb. A fékenergia visszatáplálás hatékonyabb, optimálisra szabályozott. Kiemelkedő menettulajdonságú a nagy villanymotor miatt, sőt a benzinmotor igénybevétele számottevően csökken. 15-20%-os fogyasztáscsökkenést tud elérni.

Fullhibrid/ teljesen hibrid: nagyfeszültségű hibrid 200-650 V közötti feszültséggel. Lehetséges a tisztán villamos hajtás, energiatárolásra szuperkondenzátort is alkalmazhatnak, hajtástípusa lehet soros vagy párhuzamos, de a megosztott hajtáslánc tudja leginkább biztosítani, hogy a mechanikai és elektromos energia könnyebben egymásba alakítható legyen. Jó manőverezhetőségű jármű, dinamikus gyorsulásra, gyorsításra képes. A fedélzeti számítógép nem csak a meghajtómotorok működését és azok arányát szabályozza, hanem figyeli az akku töltöttségi fokát is. Ezt 40 és 60% közötti értéken tartja, így maximálja az élettartamát, ami elérheti ekkor a jármű élettartamát is. A belső égésű motor, a villamos gép és az akkumulátor megfelelő kombinálásával a részegységek előnyei nem csak összeadódnak, hanem „többszöröződnek”, eredőjük nő. Ez a hibrid szinergia-hajtás (Toyota). A bonyolult felépítés hátrányai pedig kompenzálhatók. 25-30%-os fogyasztáscsökkenést tud elérni.

Plug-in hibrid/ tölthető fullhibrid/ konnektoros hibrid/ PHEV: háztartási elektromos hálózatról vagy saját benzinmotorjával tölthető. Általában Li-ionos akkuja van, ami gyorsabban feltölthető és hatszoros feltöltési-kisütési ciklust bír ki. Lehetséges tisztán elektromos hajtás, de tartós teljesítmény-kiegészítésre is képes. Ilyen a Toyota Prius.

Különböző irodalmakban egyéb más kifejezésekkel is találkozhatunk.

A rásegítő hibrid/ power assist hybrid elsődlegesen a belső égésű motorból nyeri az energiát, a villanymotor plusz nyomatékkal támogatja. Nem tud csupán villanymotorral üzemelni. Például a Honda Insight.

Az elektromos autók irányából közelítve pedig találkozhatunk a hatótávnövelős (elektromos) autó, a range extender foglamával. Ez kis benzinmotorral is rendelkezik, ami az akkuk töltéséért felelős, közvetlenül sosem hajtja a járművet. Az akku méretének függvénye szerinti tisztán elektromos hatótávot némi benzin elégetésével 500 kilométerre lehet növelni. Például Opel Ampera.

Másféle csoportosítási lehetőség a hajtástípus szerinti osztályozás.

Soros hibridhajtás: konstrukciójuk a villanyautóéra hasonlít. Itt a belső égésű motor generátort hajt, ami áramot termel a kerekeket meghajtó villanymotor számára. Nincs mechanikai kapcsolat a belső égésű motor és a meghajtott kerekek közt. A motorból érkező energia kétszer is átalakításra kerül, így jelentős lehet a veszteség. Pl. Daimler Orion hibrid busz.

Párhuzamos hibridhajtás: mindkét motor (benzin, villany) mechanikusan csatlakozik a kerekekhez. A két kiindulási hajtáslánc differenciálmű segítségével egyesül. Összetettebb rendszerű, precízebben szabályozható, így nagyobb üzemanyag megtakarítás lehetséges, a soros hibridhez képest jobb hatásfokú. Minél nagyobb a villanymotor és az akkumulátor, annál több energia nyerhető vissza fékezéskor. Pl. Honda Civic IMA, Honda Accord, Toyota, Lexus.

Vegyes hibridhajtás/ megosztott soros-párhuzamos hibrid: a két alapváltozat (soros, párhuzamos) megfelelő összehangolásával hozzák létre. Miller- vagy Atkinson-ciklusú motort alkalmaznak, amit kis teljesítménysűrűség, alacsony fordulatszámon kisebb forgatónyomaték, és jobb hatásfok jellemez. Pl. Mitsubishi Outlander PHEV.

A hibrid autók vezetése nem csak a modern technológia használatához kötődő felemelő élmény, hanem – az érzelmeken túl – rengeteg racionális érv is szól mellettük. Környezettudatos szemlélettel egyénileg is tehetünk a fenntarthatóságért, hiszen CO₂ kibocsátásuk akár 75 g alatt is lehet kilométerenként. Emellett zsebbe vágó szokott lenni egy jármű fogyasztása. Egy kiskategóriás autónál 1,5-2 liter megtakarítás is van száz kilométeren a hagyományos benzinmotoroshoz képest. Ezek az autók értékállók, mert megbízhatók, hiszen kimagasló minőségű a hajtásláncuk. Mivel a belső égésű motorokat a nagyobb terhelésnél a villanymotor segíti (elindulás, gyorsítás), ezért ez az elhasználódásukat akár 30%-kal is csökkenti. A karbantartás alacsonyabb fenntartási költségekkel jár: a hibrid hajtásláncban nincsenek nagy kopásnak kitett elemek, a háromfázisú szinkronmotor nem igényel karbantartást. A fékbetétek és a féktárcsák is kevésbé kopnak a regeneratív fékezésből fakadóan. Élettartamuk háromszor hosszabb, tartósságuk 150 ezer kilométer a belső égésű motorúak 50 ezer kilométeréhez képest.

A hibrid autó praktikus a rövid távokat autózóknak: városban közlekedőknek és elővárosból ingázóknak. Dinamikusan, a mai kor követelményeinek megfelelően használható, rugalmas a két teljesen eltérő karakterisztikájú erőforrás miatt. Így az elindulás pillanatától rendelkezésre áll az elektromotor maximális forgatónyomatéka. Bátran támaszkodhatunk rá, hiszen a hibrid technológia intenzív fejlesztése 1993-tól egyre gyorsuló ütemű, rengeteg mérnöki tapasztalat áll mögötte.