Hydrauliczna technologia hybrydowa została zaprojektowana głównie z myślą o samochodach ciężarowych, jednak można ją również stosować w przypadku mniejszych pojazdów
Firmy Hybra Drive Systems i Gates wspólnie pracowały nad skonstruowaniem Hummer H1 z w pełni hydraulicznym układem napędowym.
Co by było, gdyby istniała technologia hybrydowa, która umożliwiałaby w najgorszym wypadku o połowę korzystniejsze zużycie paliwa w samochodach osobowych, pojazdach sportowo-użytkowych (SUV) i małych ciężarówkach? A co, jeśli gwarantowałaby ona redukcję emisji o co najmniej 50 procent lub mogłaby sprostać naszym oczekiwaniom w zakresie przebiegu pojazdu poprzez zaoferowanie korzystniejszego zużycia paliwa w mieście aniżeli na autostradzie?
Co by było, gdyby ta hybrydowa technologia szczególnie istotna z punktu widzenia konstrukcyjnego i produkcyjnego, nie opierała się na drogich technologiach wykorzystujących ciężkie i obszerne pod względem objętościowym baterie. Tym bardziej, że nie są one przygotowane do masowego zastosowania. Zamiast nich wykorzystałaby przetestowaną metodę magazynowania energii? Tak, istnieje już taka właśnie technologia hybrydowa, która zamiast stosowania elementów elektrycznych całkowicie bazuje na rozwiązaniach hydraulicznych.
Pod wieloma względami te hydrauliczne hybrydy przypominają w swej koncepcji swoich elektrycznych kuzynów. Jednak w tym przypadku magazynowanie energii odbywa się nie w samej baterii, lecz w wysokociśnieniowych akumulatorach hydraulicznych, które zwykle ładują się przy ciśnieniu ponad 210 barów. Zdaniem Jim’a O’Brien, założyciela i głównego technologa w Hybra Drive Systems, firmie zajmującej się konstruowaniem napędów hydraulicznych, najlepsze spośród tego rodzaju akumulatorów charakteryzują się gęstością mocy około 500 kW/kg.
Koncepcje projektowe hybryd hydraulicznych różnią się, lecz zasadniczo technologia polega na tym, że silnik diesel lub silnik gazowy pojazdu napędzają motor pompy hydraulicznej, która ładuje akumulator wysokociśnieniowy. Akumulator, z kolei, napędza jeden lub kilka dodatkowych silników pompy przymocowanych do kół. Drugi dolny akumulator zazwyczaj uzupełnia obwód hydrauliczny. W zależności od projektu może występować jeden silnik pompy napędzający parę kół z zastosowaniem mechanizmu różnicowego lub jeden silnik pompy na jedno koło dla wersji pojazdu z napędem na wszystkie koła, z niezależnym sterowaniem momentem obrotowym. Podczas hamowania silniki pompy na kołach odwracają się, ładując akumulator i przechwytując energię, która w przeciwnym razie zostałaby utracona w formie wydzielanego ciepła.
Aktualnie powstające hybrydy hydrauliczne komunikują się z nowoczesnymi silnikami i w rzeczywistości posiadają pewne elementy elektronicznego układu sterowania. Jednak w swojej najczystszej postaci elektronika nie jest niezbędnym warunkiem ich funkcjonowania. Hybra Drive, na przykład, zastosowała prototypowy hydrauliczny układ napędu w samochodzie Volkswagen Beetle z roku 1968. Jedynym elementem elektrycznym wykorzystanym w tym samochodzie jest świeca zapłonowa – twierdzi O’Brien.
Hybrydy hydrauliczne nie są dla wszystkich zaskakującą nowością. Operatorzy flot ciężarówek wykazali ostatnio zainteresowanie. Firmy FedEx, UPS i Waste Management dokonują oceny hybryd hydraulicznych opracowanych przez takich graczy w dziedzinie napędu hydraulicznego, jak Parker Hannifin czy Eaton. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska również zaangażowała się w konstrukcję i testowanie tego typu pojazdów, a nawet wystawiła napędzaną hydraulicznie ciężarówkę UPS na międzynarodowej wystawie International Fluid Power Exposition, która dwie odrębne sesje techniczne poświęciła ostatnio w Las Vegas hybrydom hydraulicznym.
W symulacji pojazdu bazującego na Passacie transmisja hydrauliczna Hybrydy INNAS odnotowała całkowitą wydajność 95%. Biorąc pod uwagę optymalizację silnika, jak i możliwości działania przy wyłączonym silniku, poziom oszczędności paliwa znacząco wzrasta.
To, co faktycznie stanowi novum, to fakt, że coraz to większa liczba badaczy akademickich, małych przedsiębiorstw i dostawców napędu hydraulicznego zaczyna dokonywać oceny możliwości zastosowania hydraulicznej technologii hybrydowej w mniejszych pojazdach, takich jak samochody osobowe czy pojazdy sportowo-użytkowe SUV. Nikt z nich nie twierdzi jednak, że hybrydy hydrauliczne miałyby w najbliższym czasie przewyższyć Priusa czy inne pojazdy tego typu. Hybrydy elektryczne wzbudzają bardzo duże zainteresowanie – stwierdza Simon Baseley, dyrektor ds. strategii mechanicznej i zarządzania programem hydrauliki mobilnej w firmie Bosch Rexroth. Mimo faktu, że technologia hydrauliczna rozwinęła się w wielu aplikacjach, by mogła być wykorzystana w wielkoseryjnej produkcji motoryzacyjnej, wymaga ona dalszych prac rozwojowych. Na chwilę obecną główną potrzebą w zakresie dalszego rozwoju jest silnik pompy o wysokiej wydajności i przy jednoczesnej małej pojemności – twierdzi James Van de Ven, profesor inżynierii mechanicznej na Politechnice Worcester, który bada hydrauliczne pojazdy hybrydowe. Akumulatory również wymagają prac w zakresie zmniejszenia swej wagi i wielkości, jak również redukcji kosztów produkcji. Jest już jednak zauważalny istotny postęp w obu tych dziedzinach.
Mimo tego, zastosowania hybryd hydraulicznych w pojazdach o wielkości samochodu osobowego mogą się już pojawiać. Baseley stwierdza, że Bosch Rexroth bierze udział w projekcie oszacowania możliwości zastosowania hydraulicznych taksówek i limuzyn hybrydowych na ulicach Nowego Jorku. W programie sponsorowanym przez Urząd Badań i Rozwoju Energetycznego Stanu Nowy Jork (NYSERDA) i Amerykański Wydział ds. Energii wzięła udział firma Sure Power, która ma skonstruować hydrauliczną limuzynę hybrydową – znaną w Nowym Jorku pod nazwą „czarna limuzyna” i często bazującą na limuzynie Lincoln Town Car. Sal Graven, rzecznik NYSERDA, stwierdza, że faza produkcji pojazdu dobiega końca, a jego ocena zostanie dokonana na ulicach miasta w roku 2009.
Pozostałe projekty hybryd hydraulicznych znajdują się wciąż w fazie prototypowej lub nawet symulacyjnej. Te najbardziej radykalne to zazwyczaj hybrydy pełnoseryjne, które całkowicie odrzucają transmisję mechaniczną. I w tym właśnie tkwi cały sens. Największy potencjał zysków z oszczędności paliwa i redukcji emisji jest możliwy do osiągnięcia dzięki projektom układu napędowego, który byłby w stanie przerwać mechaniczne połączenie pomiędzy silnikiem a kołami – jest to zaleta, jakiej hybrydy takie jak Toyota Prius nie mają. Dzięki rozdzieleniu obciążenia silnika od obciążenia drogi, silnik może w trybie ciągłym pracować na maksymalnym poziomie swojej wydajności. Tak stwierdził Carsten Breitfeld, kierownik ds. rozwoju układu napędowego w BMW, na zeszłorocznym przemówieniu podczas Sympozjum CTI Innovative Transmission w Berlinie. Jeśli dorzucić do tego potencjalne możliwości hybryd pełnoseryjnych przechwytywania strat hamowania i umożliwianie działania przy wyłączonym silniku przez jakiś czas, hybrydy te staną się jeszcze bardziej atrakcyjne zarówno z punktu widzenia oszczędności, jak i emisji.
Teoretycznie każdy projekt hybrydy pełnoseryjnej mógłby gwarantować te korzyści. Debata ta nie dotyczy tak naprawdę kwestii elektryka kontra hydraulika – stwierdza Peter Achten, dyrektor INNAS BV, holenderskiej firmy inżynieryjnej, która opracowała nową klasę wydajnych mobilnych elementów hydraulicznych. Debata ta dotyczy całkowitego pozbycia się tradycyjnej transmisji mechanicznej. A hydraulika okazuje się obiecującym sposobem, aby ten cel osiągnąć.
Dlaczego właśnie hydraulika?
Kwestia hydrauliki sprowadza się do pogodzenia sprzecznych celów: poprawy działalności środowiskowej i redukcji kosztów. Oszczędność paliwa i redukcja kosztów tak naprawdę nie pasują do siebie – dodaje Achten.
Pod względem fundamentalnej koncepcji elektryczne i hydrauliczne hybrydy pełnoseryjne nie różnią się w sposób znaczący.
Pełnoseryjne hybrydy hydrauliczne mogą przyczynić się do pogodzenia tych celów dzięki radykalnym ulepszeniom w zakresie zużycia paliwa i obniżeniu poziomu emisji przy kosztach i obciążeniu porównywalnym, jak w przypadku tradycyjnej transmisji. Rozważmy przykładowo najnowszą symulację konceptu hybrydy hydraulicznej INNAS stosowaną w Volkswagenie Passat w wersji z napędem na cztery koła. Symulacja przeprowadzona przez inżynierów z Uniwersytetu Aachen w Niemczech połączyła przewidywania komputerowe z danymi pobranymi z rzeczywistych elementów hydraulicznych.
Wyniki symulacji pokazały, że napęd hydrauliczny Passata po dodaniu energii hamowania regeneracyjnego był wydajny na około 95 procent. Wydajność ta stanowi wynik jedynie o 4 procent lepszy aniżeli ten osiągany przez konwencjonalny napęd mechaniczny. Jednak dzięki optymalizacji silnika hybrydy i możliwości działania przy wyłączonym silniku, całkowita wydajność konwersji paliwa skoczyła z 18 procent w przypadku tradycyjnych pojazdów do 38 procent w przypadku hybrydy hydraulicznej. Silnik zawsze pracuje przy wysokim obciążeniu, gdzie jest on najbardziej wydajny – nadmienia Achtel. W symulacjach europejskiego cyklu jezdnego NEDC silnik musi być włączony jedynie przez 9 procent czasu. Achten mówi, że zwiększenie wydajności może zmniejszyć zużycie paliwa do 2,9 l/100 km dla hybrydy z 6,6 l/100 km dla konwencjonalnych pojazdów, jak również prowadzić do redukcji emisji spalin o ponad 50 procent.
Krajowe Laboratorium Pojazdów i Emisji Paliw EPA również dostrzegło w hybrydach hydraulicznych ulepszenia w zakresie oszczędności paliwa, jak również inne ich zalety. Badacze agencji badali przez lata wszystkie rodzaje zaawansowanych silników, jak i elektryczne technologie hybrydowe, dokonując ich oceny pod względem redukcji emisji, oszczędności paliwa i kosztów. Szybko doszliśmy do wniosku, że hybrydy hydrauliczne mają w sobie największy potencjał – stwierdza John Kargul, dyrektor laboratorium ds. transferu technologii.
Ostatnimi czasy EPA skupia się na hybrydowych ciężarówkach dostawczych z napędem hydraulicznym, jednak Kargul przekonuje, że laboratorium skonstruowało i przetestowało również mniejsze pojazdy, włącznie z tym bazującym na Fordzie Taurus. Podczas wystąpienia na ostatnim pokazie IFPE Show, Kargul stwierdził, że dla ciężarówki hybrydowej napędzanej silnikiem diesla o ciężarze 1700 kG zużycie paliwa wyniosło 2,8 l/100 km. Inny pojazd oparty na Fordzie Expedition SUV odnotował wzrost wydajności do 82 procent w średnim zużyciu paliwa w mieście i na autostradzie. Kargul podkreślił, że wydajność w cyklu miejskim wzrosła o 130 procent.
Z uwagi na fakt, że hybrydy pełnoseryjne rozdzielają obciążenie silnika od obciążenia drogi, silnik może prawie zawsze pracować na maksymalnym poziomie wydajności.
Kargul twierdzi, że zyski płyną z trzech źródeł – uruchamiania silnika w optymalnym punkcie charakterystyki silnika, obsługi pojazdu przy wyłączonym silniku oraz przechwytywania energii hamowania. Możliwości hamowania regeneracyjnego tych systemów w szczególności przewyższają hybrydy elektryczne dostępne obecnie dla konsumentów. Jest to możliwe dzięki wysokiej gęstości mocy akumulatorów. Kargul nadmienia, że hybrydy hydrauliczne EPA zazwyczaj przechwytują około 70 procent energii hamowania, która w przeciwnym razie zostałaby utracona w postaci ciepła. Szacuje on, że hybrydy elektryczne przechwytują około 20 do 25 procent, ponieważ ich baterie charakteryzują się stosunkowo niską gęstością mocy. Trzeba by było potroić wielkość baterii, ażeby zbliżyć się do poziomu 70 procent – dodaje.
Są to tematy, które praktycznie nonstop pojawiają się podczas omawiania kwestii wydajności hybryd hydraulicznych. Hydra-Drive również radykalnie zmniejszyła zużycie paliwa dla pojazdu wojskowego Humvee i H1 Hummer, które zostały unowocześnione poprzez hydrauliczny napęd hybrydowy będący częścią umowy z firmą Gates. O’Brien twierdzi, że zużycie paliwa dla pojazdu Humvee, na przykład, zmniejszyło się do 4,2 z 9,8 l/100 km.
Kolejny interesujący aspekt hybrydy hydraulicznej związany jest z warunkami, w których zapewniają one największy wzrost oszczędności w zużyciu paliwa. O’Brien twierdzi, że silnik i transmisje mechaniczne już działają skutecznie podczas cyklów jezdnych po autostradzie, zatem korzyści wynikające z oszczędności paliwa są stosunkowo niewielkie na otwartej drodze. Jednak inaczej ma się sprawa w przypadku jazdy po mieście, podczas gdy przerywana jazda oraz niższa moc wymagana sprawiają, że silnik pracuje w mniej wydajnych warunkach. Tutaj hybrydy hydrauliczne oferują większą oszczędność paliwa. Achtel twierdzi podobnie. Po raz pierwszy hybrydy hydrauliczne zapewniają korzystniejsze zużycie paliwa w mieście aniżeli na autostradzie. I tak właśnie powinno być – dodaje.
Akumulatory stanowią ośrodek magazynowania energii w hybrydach hydraulicznych, a ich wielkość różni się w zależności od wielkości pojazdu.
Pod względem wydajności jazdy hybrydy hydrauliczne mają jeszcze coś – potencjał wykorzystywania możliwości magazynowania energii o wysokiej gęstości mocy dla krótkoterminowych przypływów energii, które zdecydowanie przekraczają nominalną moc pojazdu. Ile mocy? O’Brien twierdzi, że konwersja pojazdu Hummer H1 produkcji Hybra Drive wykorzystuje silnik diesla o mocy 190 KM, jednak może zapewnić krótkie wydzielanie energii dochodzące do 600 KM.
Hydraulika błyszczy również, jeśli chodzi o zapewnienie oszczędności paliwa bez dodatkowych kosztów i konieczności zwiększenia wagi. Symulowany pojazd INNAS został skonstruowany tak, by nie wpływał na ewentualne koszty czy zmiany wagi konwencjonalnego napędu na cztery koła, którym charakteryzuje się Volkswagen Passat. Nie ma żadnych kompromisów. Jest to ten sam koszt i ta sama waga – nadmienia Achten. Dodaje również, że transmisja dla nowego pojazdu kosztowałaby około 15 euro/kG, jest to porównywalny koszt, jak w przypadku tradycyjnej transmisji w Europie.
Zdaniem O’Brian, rzeczywiste pojazdy produkcji Hybra Drive mieszczą się „w przedziale kilkuset kilogramów neutralnej wagi” nawet jako prototypy. Zgodnie z jego szacunkami, napędy hydrauliczne zwiększyłyby koszty pojazdu o zaledwie 10 procent. Dla porównania wyobraźmy sobie podobne hybrydy jak Prius, które zwiększają wagę pojazdu o setki kilogramów, a koszty o tysiące dolarów. Twierdzi on, że koszty spadłyby, gdyby hybrydy hydrauliczne weszły do produkcji wielkoseryjnej, a limit wagowy zmalałby wraz z rozwojem lepszych akumulatorów i silników pomp. Jednak możemy być zadowoleni z elementów hydraulicznych, jakie mamy w chwili obecnej – dodaje.
dn
