خودروهای هیبریدی

سیستم های هیبریدی

امروزه با توجّه به آلودگی های ناشی از خودروها و محدودیت های سوختهای فسیلی، کارخانه های خودروسازی گام مهمّی در مقابله با این امر برداشته اند که از جمله آنها می توان به خودروهای هیبریدی (Hybrid Vehicle)، تکنولوژی پیل سوختی (Fuel Cell)، موتورهای با پاشش مستقیم بنزینی (GDI)، موتورهای (HCCI) و خودروهای دو گانه سوز (Bi-fuel) اشاره كرد.
بازده بالا، آلایندگی کم، مسافت قابل پیمایش بالا، ایمنی مطلوب و قیمت قابل رقابت با خودروهای متداول از جمله ویژگی های حائز اهمّیت برای خودروهای هیبریدی است. بسیاری از خودرو سازان بزرگ مبادرت به تولید این خودروها در سطحی گسترده نموده اند. در قسمت های بعدی به شمای کلی از نحوۀ عملکرد، حالتهای کارکردی، مزایا، معایب و تقسیم بندی قسمت های مختلف خودروی هیبریدی خواهیم پرداخت.
تاریخچه:
یک مهندس امریکایی به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 یک ماشین هیبریدی ساخت که قادر بود در طی 10 ثانیه تا 25 مایل شتاب بگیرد. موتور این خودرو ترکیبی از موتور بنزینی و موتور الکتریکی بود که امروزه به عنوان موتور هیبریدی شناخته می شود. Piper در سه سال و نیم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ امّا پیشرفت سریع موتورهای احتراق داخلی با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنین قابلیت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پایین بودن قیمت سوخت های فسیلی و مطرح نبودن آلودگی محیط زیست، سبب عدم توجّه به این نوع خودروها شد. در پی بحرانهای نفتی سالهای 1970 دوباره این خودروها مورد توجّه قرار گرفتند ولی تا سال 1990 که کار اصولی با مشارکت (Partnership for a New Generation Vehicle) PNGV در امریکا آغاز گردید، این خودروها به طور جدّی پیگیری نشدند.
امروزه خودروهای هیبریدی مورد توجّه کمپانی های بزرگ جهان قرار گرفته که از آن جمله می توان به شرکتهایی مانند: تویوتا، هوندا، میتسوبیشی، فورد، فیات، جنرال موتورز، دایملر/کرایسلر، نیسان، پژو و ... اشاره نمود. توفیق این محصولات به حدی چشمگیر بوده که از دسامبر 1997 تا ابتدای سال 2000 بیش از چهل هزار محصول پریوس کمپانی تویوتا به فروش رسیده است.
شناخت خودروی هیبریدی:
خودروی هيبريدی ماشينی است كه حداقل از دو نوع منبع انرژی برای حركت بهره می گيرد. در نسل جديد خودروهای هيبريدی دو موتور سوختی و برقی، نيروی محركه لازم برای حركت را فراهم می كنند. اما چرا از دو موتور برای به حرکت در آوردن این خودروها استفاده شده است؟
یکی از معایب موتورهای بنزینی یا گازوئیلی امروزی این است که در دورهای پایین که بازده و راندمان آنها بیشتر است، توان کمی تولید می کنند. اما بر خلاف موتورهای درونسوز، موتورهای برقی در دورهای کم، گشتاور زیادی را با راندمان بالا تولید می کنند. بنابراین با در کنار یکدیگر قرار دادن این دو موتور، می توان ضمن دستیابی به توان کافی برای حرکت و شتاب گیری، مصرف سوخت را نیز کاهش داد. یکی از ویژگی های مهم و جالب خودروهای هیبرید برقی در این است که باطری های آن، در مواقعی که موتور درونسوز بیش از میزان مورد نیاز برای به حرکت در آوردن خودرو، نیرو تولید می کند یا با به کار گیری مستقیم قدرت موتور، هنگام ترمز گیری و یا حرکت در سراشیبی ، شارژ شده و برق مورد نیاز خود را تأمین می کنند. این یکی از مهمترین ویژگی خودروهای هیبریدی می باشد. آنچه در تمام خودروهای هیبرید برقی جلوه می کند، مدیریت و موازنۀ الکترونیکی و هوشمند ارتباط دو موتور با یکدیگر است.
خودروهی هیبریدی، نوع تعمیم یافتۀ خودروهای برقی خالص هستند که معایب خودروهای برقی خالص تا حدود زیادی در آنها برطرف گردیده است و می توان گفت معایب خودروهای احتراق داخلی نیز تا حدودی در آنها برطرف شده است. از مزایای مهم این خودروها نسبت به خودروهای احتراق داخلی، کارکرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطۀ بهینۀ خود کار می کنند که این امر باعث بالا رفتن بازده موتور و کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می گردد و دیگر اینکه به هنگام ترمز گیری و یا شتاب منفی، انرژی به صورت الکتریکی در باطری ها ذخیره می شود و همین امر باعث کارکرد کمتر موتور احتراقی خواهد شد و در نتیجه منجر به کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می گردد. به عنوان مثال تویوتا پریوس ( Toyta Prius ) با موتور 4 سیلندر 1500 سی سی مصرف سوختی معادل 4/2 لیتر در 100 کیلومتر دارد! مزیت دیگر این خودروها نسبت به خودروی برقی خالص، قابلیت پیمودن مسیرهای طولانی در هر بار شارژ کردن باطری می باشد.

خودروهای هیبریدی از ساختارهای مختلفی برخوردارند. اما الزاماً یک خودروی هیبریدی از یک سيستم ذخيره ساز انرژی، يک واحد توليد قدرت و يک سيستم انتقال قدرت تشکیل شده است. انتخاب های اولیه برای سیستم ذخیره ساز انرژی باطری ها، و خازن ها و فلايويل ها هستند. اگرچه باطری ها عمده ترین انتخاب در این زمینه می باشند اما تحیق بر روی زمینه های دیگر ذخیره سازی انرژی آغاز شده است. باطری ها، بدلیل ارزان بودن و تجاری بودن و نداشتن قسمت های متحرک اولین وسیلۀ ذخیرۀ انرژی و همانطور که گفته شد متداولترین است اما بزرگترین عیبشان عمر کوتاهشان می باشد. البته باطری ها با تکنولوژی جدید بسیار گران می باشند و امروزه تعداد زیادی از باطری های جدید در حال توسعه هستند. اجزای یک خودروی هیبریدی در شکل نشان داده شده است.

اجزای سیستم هیبریدی بنزینی- الکتریکی :
1- موتور بنزینی :
موتور بنزینی که در این خودرو وجود دارد شباهت زیادی به موتورهای بنزینی خودروهای بنزینی دارد. ولی این موتور کوچک تر و نیز دارای تکنولوژی بالاتری نسبت به خودروهای معمولی است که باعث کاهش آلودگی و ا فزایش کارایی می شود.
2- موتور الکتریکی :
موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی خیلی پیشرفته هستند این موتور پیشرفته هم به عنوان یک موتور قادر به انجام کا ر است و هم به عنوان ژنراتور به عنوان مثال زمانی که به این موتور نیاز است موتور با استفاده از باطری ها قادر خواهد بود شتاب مورد نظر را ایجاد کند و زمانی که خودرو نیازی به موتور الکتریکی ندارد مثلا در یک سراشیبی در حال حرکت است این موتور الکتریکی به عنوان یک ژنراتور نیرو را به باطری ها برمی گرداند.
3- ژنراتور :
ژنراتور بسیار شبیه به موتور الکترکی است با این تفاوت که ژنراتور فقط وظیفه تامین الکتریسیته مورد نیاز موتور را بر عهده دارد
نه کار دیگر. ژنراتور بیشتر در خودروهای هیبریدی سری به کار می رود. خودروهای هیبریدی سری در بخش قبلی توضیح داده شد.
4- باطری:
باطری ها در خودروی هیبریدی یک وسیله ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی هستند . برخلاف بنزین موجود در باک بنزین که می تواند فقط به موتور بنزینی سوخت برساند (یک انتقال یک طرفه از باک بنزین به موتور بنزینی). موتورهای الکتریکی علاوه بر کار فوق میتوانند انرژی را به باطری پس دهند. ولی موتور بنزینی نمی تواند چنین کاری را انجام دهد.
5- سیستم انتقال قدرت
خودروهای هيبريدی و كاربرد باطريهای دوقطبی در آنها :
در خودروهای هیبرید برقی، برق مصرفی موتور برقی از طريق نسل جديد باطريها، يعنی باطريهای دوقطبی حاصل می شود. موتور سوختی منبع اصلی انرژی محركه ماشين بوده و باطری به عنوان يك منبع كمكی عمل می كند و در مواقعی كه خودرو به انرژی بالايی برای حركت و يا شتاب گرفتن نياز دارد، موتور برقی نيز به صورت خودكار به كار می افتد. در مواقع عادی، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی از طريق دينام در باطری ذخيره می شود و به اين طريق اتلاف انرژی موتور سوختی به شدت كاهش يافته، مصرغ سوخت كمتر شده و آلودگی هوايی ناشی از خودروها كاهش می يابد.
فكر استفاده از برق برای تأمين انرژی حركت خودروها به چند دهه قبل بر می گردد. برق لازم برای خودروهای برقی می تواند از برق شهر (برای خودروهای داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقی)، باطری و يا پيلهای سوختی تأمين شود. به عنوان مثال در سال 1964 ميلادی در كشور ژاپن، كل نيروی محركه يك كشتی از طريق پيل سوختی تأمين می شد.
باطريهای قابل شارژ يكی از منابع بسيار مورد علاقه برای تأمين انرژی در خودروهای برقی هستند. مشكل اصلی استفاده از باطری در خودروهای برقی، وزن بالای باطری جهت فراهم ساختن انرژی لازم برای حركت می باشد. بنزين چگالی انرژی بسيار بالاتری نسبت به باطری دارد.
برای مثال از لحاظ توليد انرژی هر يك كيلو گرم بنزين معادل يك باطری سرب-اسيد با وزن 142 كيلوگرم عمل می كند. مسأله ديگر در كاربرد باطری، زمان لازم برای شارژ آنهاست كه در اين مدت ماشين بايد در يك مكان متوقف شود تا باطری آن شارژ شود. برای خودروهای برقی معمولی كه از باطری استفاده می كنند، زمان شارژ بسيار بيشتر از زمانی است كه خودرو در حال حركت است گاهی برای تأمين انرژی يك ساعت حركت، زمان شارژ به بيش از 10 ساعت می رسد. به خاطر اين مشكلات استفاده از باطری به عنوان نيروی محركه خودروهای برقی معمولی توسعه چندانی پيدا نكرده است. موتورهای برقی در خودروهای داخل شهری مثل قطار و اتوبوس برقی و به ويژه در خودروهای صنعتی نظيز ليفتراك كاربرد دارد. خودروهای برقی صنعتی مزايای متعددی دارند كه از جمله می توان به تمييزی، بی سروصدايی و قيمت كمتر نسبت به انواع مشابه سوختی اشاره كرد. تا چند سال اخير فقط يك راه براي شارژ مجدد ماشين برقی به كمك يك شارژر استاندارد وجود داشت كه خودرو مجبور بود تا برای مدت طولانی در يك فضای خاص توقف كند. ولی در حال حاضر با پيشرفت تكنولوژی، شارژرهايی توليد شده اند كه بسيار كوچكتر بوده و می تواند توسط خود ماشين حمل شده و در جايی كه لازم است ماشين توقف كرده و باطری را شارژ كند.
مزيت ديگر اين شارژرها توانايی آنها در كاهش زمان شارژ است. اين نوع از شارژرها تك خروجی بوده و در يك زمان می توانند فقط يك ماشين را شارژ كنند ولی نوع جديدتر آنها دارای چندين خروجی هستند كه می توانند همزمان چند باطری را شارژ كنند.
برای كاهش وزن باطری، بايد از مواد فعال با چگالی انرژی بالا استفاده شود. ولی تهيه چنين مواد فعالی چندان ساده و عملی نيست. از جمله باطريهايی كه بيشترين مصرف را در اين زمينه دارند باطريهای سرب-اسيد هستند كه با توجه به ماهيت مواد فعال آنها، اين باطريها وزن بالايی دارند.
در يك خودروی معمولی، سوخت تنها منبع انرژی برای حركت آن است. در اين خودروها بخش عمده انرژی سوخت تلف می شود. توليد گرما يكی از راههای اتلاف انرژی در اين خودروها است. اما مسأله كيفيت سوختن در اين خودروها بويژه در مواقعی كه دور موتور افزايش می يابدبايدمدنظرقرارداد.
در حالت عادی ، احتراق در خودروهای معمولی ، ناقص بوده و بخش عمده انرژی سوخت هدر می رود و با افزايش دور موتور و افزايش ميزان سوخت ورودی به موتور، كيفيت سوختن به شدت پايين آمده و اتلاف انرژی بيشتر می شود. اين مسأله در خودروهای قديمی بسيار جدی است.
در خودروهای هيبريدی سوختی-برقی، كيفيت سوختن از طريق استفاده از موتورهايی با حجم كمتر و تكنولوژی برتر بهبود يافته و برای تأمين انرژی زياد در مواقع ضروری به جاي افزايش شديد در دور موتور سوختی، موتور برقی به صورت خودكار به كار افتاده و انرژی لازم برای شتاب خودرو را فراهم می آورد. و در حالت عادی كه انرژی كمتری برای حركت نياز است، انرژی اضافی حاصل از موتور سوختی در باطری ذخيره می شود تا در مواقعی كه نياز به انرژی بالا وجود دارد، از طريق موتور برقی مصرف شود.
يك خودروی هيبريدی يك موتور بنزينی و يك موتور برقی دارد. موتور بنزينی آن مشابه موتور بنزينی در خودروهای معمولی عمل می كند ولی موتور بنزينی در خودروهای هيبريدی كوچكتر بوده و از تكنولوژی پيشرفته ای برای كاهش خروجی و افزايش كارآيی برخوردارند. موتور برقی در خودروهای هيبريدی بسيار پيشرفته است. الكترونيك پيشرفته اجازه می دهد كه آن به عنوان يك موتور مولد خوب عمل كند. وقتی كه نياز باشد انرژی را از باطری گرفته و به ماشين شتاب مي دهد. و از مصرف زياد سوخت و ايجاد آلودگی ناشی از سوختن ناقص جلوگيری می كند. خودروهای هيبريدی ساخت شركتهای هوندا و تويوتایِ ژاپن به ازای هر ليتر بنزين 8/04 تا 10/73 كيلومتر بيشتر از خودروهای معمولی راه می روند. در سری جديد خودروهای هبيريدی شركت هوندا با نام Insight ميزان طی مسير به ازای هر ليتر بنزين 7/37 كيلومتر است به عبارت ديگر ميزان مصرف بنزين به ازای هر 100 كيلومتر در اين خودروها فقط 2/65 ليتر می باشد.
سيستم هيبريدي سري :
در اين دسته از خودروها موتور احتراق داخلي يك ژنراتور را مي‌چرخاند و اين ژنراتور، هم باطري را شارژ مي كند و هم يك موتور الكتريكي را به حركت درمي‌آورد و بدين صورت انتقال قدرت صورت مي گيرد. در اين ساختار موتور احتراقي مستقيم به سيستم انتقال قدرت وصل نمي‌شود.
اين سيستم به خاطر اين سري ناميده مي‌شود كه قدرت، به صورت سري به چرخ‌ها منتقل مي‌گردد و از آن براي رانش موتورهاي با قدرت كم و با رنج كاركرد بهينه استفاده مي شود.

سيستم هيبريدي موازي :
در اين نوع سيستم، موتور احتراقي و موتور الكتريكي به صورت موازي چرخها را به حركت درمي‌آورند. در اين سيستم موتور الكتريكي توسط باطري و موتور احتراقي توسط منبع سوخت فسيلي مستقيما" تغذيه مي‌گردند. در اين حالت ژنراتور حذف شده و باطري با تغيير حالت موتور الكتريكي به ژنراتور شارژ مي‌گردد. از آنجائيكه ين سيستم فقط يك موتور دارد موتور الكتريكي نمي‌تواند همزمان هم باطري را شارژ كند و هم باعث رانش چرخها گردد. يك تصوير ساده از اين سيستم در ذيل نشان داده شده است.

سيستم هيبريدي سري ـ موازي:
اين طرح بگونه ي است كه مي‌توان از آن در شرايط مختلف به صورت هيبريد سري يا موازي استفاده نمود. در اين سيستم با بهره‌گيري از فن‌آوري پيشرفته امكان استفاده از سيستم احتراقي و سيستم الكتريكي بطور جداگانه و همزمان وجود دارد. به اين ترتيب در مواقع شهري كاملا" الكتريكي و بدون آلودگي و در سرعتهاي بالا و در محدودة برون شهري مي‌تواند بطور مستقل احتراقي و يا تركيبي از دو سيستم باشد. در مواقعي چون شتابگيري سريع، هر دو سيستم با هم عمل مي‌كنند. چنين ايده‌اي فقط بكمك يك فن‌آوري مدرن در يك خودرو سواري قابل اجراست. معمولا" چنين سيستمهايي از نوع تركيبي هستند و با بهره‌گيري از يك استراتژي كنترلي مناسب عملا" همراه با فراهم آوردن عملكرد مناسب، سطح شارژ باطريها نيز در حد خوبي نگهداري مي‌شود بدين ترتيب اين خودرو مي‌تواند چه در شهر و چه در جاده به يك خودروي متداول تبديل گردد. در اين سيستم دو موتور الكتريكي وجود دارد كه بسته به شرايط مي‌تواند تركيبي از آنها به كار آيند و قابليت تبديل به ژنراتور را نيز دارند.
اين سيستم در خودرو Prius و Estima شرکت تويوتا استفاده شده است.

مقايسه چند نوع سيستم هيبريدي:
در شكل(1) مقايسه‌اي كلي از سه نوع سيستم هيبريدي صورت گرفته است

شکل (۱)

با توجه به جدول فوق مي توان خصوصيات زير را بري خودروهي هيبريد سري- موازي برشمرد:
۱- كاهش اتلاف انرژي: سيستم بطور اتوماتيك در حالت idle (درجا) خاموش مي‌شود و بدين ترتيب از به هدر رفتن انرژي جلوگيري مي شود.
۲- ذخيره‌سازي و برگرداندن انرژي: انرژيي كه در هنگام شتاب منفي و ترمزگيري هدر مي‌رود را به انرژي الكتريكي تبديل نموده و از اتلاف آنها جلوگيري مي‌كند.
۳- كمك به كاركرد موتور احتراقي: موتور الكتريكي در زمان شتابگيري به كاركرد موتور احتراقي كمك مي‌كند.
۴- كاركرد با بازدهي بالا: اين سيستم با يک استراتژي کنترلي مناسب، بازدهي کلي خودرو را در تمام شرايط کاري در حالت بيشينه نگه مي دارد؛ بدين صورت که موتور الکتريکي مانند يک جبران ساز در شرايطي که قدرت موتور احتراق داخلي کافي نيست وارد عمل مي گردد و در مواقعي که قدرت موتور احتراق داخلي بيشتر از نياز خودرو است، انرژي مازاد در باطريها ذخيره مي گردد.
حالتهاي عملكردي موتور هيبريدي سري-موازي:
حالتهاي عملكردي يك موتور هيبريدي سري-موازي را مي‌‌توان به شش قسمت تقسيم نمود:

حالت روشن شدن و دورهاي پايين و متوسط:

در اين حالت موتور احتراقي كه بازدهي مناسبي ندارد كاملا" خاموش است و فقط موتور الكتريكي توان مورد نياز خودرو را تأمين مي‌نمايد (A)

حركت در حالتهاي معمولي:
قدرت ناشي از موتور احتراقي توسط تقسيم كنندة قدرت (Power split device) به دو بخش تقسيم مي‌گردد قسمتي از قدرت آن به ژنراتور مي‌رود كه منجر به حركت در آوردن موتور الكتريكي مي‌گردد (B) و مابقي چرخها را مستقيما" به حركت درمي‌آورد (C) قدرت موتورا حتراقي در اين مرحله در حداكثر بازدهي است.

شتابگيري سريع:
در حاليكه قدرت يكنواختي از مسيرهاي B و C به چرخها منتقل مي گردد توان اضافي توسط باطري نيز جهت افزايش توان موتور الکتريکي (A) تامين مي گردد.

شتاب كندشونده و يا ترمزگيري:
موتور با قدرت بالا به ژنراتور با قدرت بالايي تبديل مي‌گردد كه توسط چرخها به حركت درمي‌آيد. در اين حالت انرژي جنبشي به انرژي مكانيكي تبديل شده و در باطري ذخيره مي‌گردد. (D)

شارژ شدن باطري:
براي اينكه باطريها هميشه در حد قابل قبولي انرژي داشته باشند. در حالت ضروري كه احتياج باشد توسط موتور احتراقي شارژ مي‌گردد.(E)

حالت استراحت:
موتور به حالت اتوماتيك خاموش مي‌گردد

خودروهای هیبریدی

مطالب مشابه :

کتاب مبانی موتورهای احتراق داخلی

دانلود کتاب اصول مهندسی موتور احتراق داخلی Internal Combustion Engine

جزوه موتور های احتراق داخلی (زبان اصلی)

محفظه احتراق موتور

خودروهای هیبریدی

دانلود کتاب و حل المسائل طراحی اجزای مکانیکی شیگلی ویرایش 9

احتراق HCCI چیست ؟