Hybrydowe ciężarówki

Najważniejsze cele związane z wprowadzeniem napędów hybrydowych w samochodach ciężarowych to obniżenie zużycia paliwa oraz emisji toksycznych składników spalin, niższy poziom hałasu oraz poprawa własności dynamicznych samochodu podczas ruszania z miejsca.

Skuteczny rozwój technologii hybrydowej wiąże się jednak z koniecznością rozwiązania pewnych kluczowych problemów technicznych. Do ciężarówek wprowadzane są nowe – często pionierskie – technologie w zakresie nośników energii elektrycznej (akumulatory, ultra-kondensatory) oraz elektrycznych systemów wysokonapięciowych (większa wydajność układów elektrycznych). Dużym wyzwaniem jest także konieczność zapewnienia jak najniższej masy własnej pojazdu, niezawodnego działania w całym okresie eksploatacji, oraz efektywnego „upakowania” układu hybrydowego w pojeździe (ograniczona przestrzeń). Nadal barierę stanowi także akceptowalny koszt produkcji hybrydowej ciężarówki.

Elementy napędu hybrydowego w amerykańskim Oskohsu

rys. Motocaina

Zastosowanie napędów hybrydowych w ciężarówkach ma nieco inne podłoże niż w przypadku pojazdów osobowych i wiąże się z:

– korzystnymi charakterystykami momentu obrotowego silników elektrycznych – czyli chodzi o mobilność,

– znacznie zmniejszonym zużyciem paliwa (nawet do 30 – 40%) – innymi słowy logistyka,

– podwójnym źródłem napędu (silnik elektryczny
i akumulatory lub silnik spalinowy) – czyli zdolność przetrwania,

– mniejszą emisją hałasu, toksycznych składników spalin i mniejszym śladem cieplnym – idealne w sytuacji maskowania,

– możliwością elastycznego rozmieszczania zespołów układu napędowego w pojeździe – co świadczy o ergonomii.

Jednym z najważniejszych problemów, ograniczających rozwój napędu hybrydowego w ciężarówkach są efektywne i pojemne urządzenia do akumulacji energii, która może być magazynowana w akumulatorach:

• elektrochemicznych i elektrycznych (kondensatorach),
• mechanicznych (koła zamachowe),
• hydraulicznych (gazowych).

Przypomnijmy, że napęd hybrydowy to układ, gdzie współdziałają dwa różne źródła energii lub po prostu różne źródła napędu. Nadwyżka energii generowana przez silnik spalinowy jest wykorzystywana do ładowania akumulatorów (elektrochemicznych, hydraulicznych, mechanicznych, itp.). Zgromadzona energia jest wykorzystywana do pokrycia zapotrzebowania napędu dodatkowego współpracującego z głównym źródłem napędu.

Zastosowanie tego układu umożliwia użycie silnika spalinowego o mniejszej mocy, czyli tańszego niż w przypadku klasycznego układu napędowego. Silnik spalinowy pracuje w zestawieniu hybrydowym przy większych obciążeniach, dlatego jednostkowe zużycie paliwa jest mniejsze, silnik elektryczny jest wykorzystywany w zakresie obciążeń częściowych np.: w ruchu ulicznym, przy których silniki spalinowe wykazują większe zużycie paliwa niż w optymalnych warunkach spalania.

W segmencie samochodów ciężarowych istnieje przepływ technologii pomiędzy pojazdami „wojskowymi” oraz „cywilnymi”, dlatego nie można wykluczyć, że w ciężarowych samochodach ogólnego przeznaczenia w armii, czy też pojazdach o podwyższonej mobilności będziemy wkrótce mogli napotkać napęd hybrydowy. Rozwiązanie to przynosi szczególne korzyści podczas jazdy z częstymi hamowaniami, rozpędzeniami i postojami – typowej dla samochodów dostawczych poruszających się po mieście. Silnik (silniki) elektryczny, dzięki wysokiemu momentowi obrotowemu potrafi już od chwili jego uruchomienia skutecznie rozpędzić wielotonowy pojazd, a podczas hamowania pracuje jak generator, uzupełniając energię zgromadzoną w akumulatorach. Silnik spalinowy, niezależnie od rodzaju hybrydy, pracuje najczęściej w optymalnym dla siebie zakresie obrotów, czyli tak jakby pojazd stale jechał długą, płaską prostą bez przyspieszeń i hamowań. Procentuje to oczywiście niskim zużyciem paliwa i mniejszym zanieczyszczeniem spalin.

Przykłady samochodów ciężarowych z napędem hybrydowym

DAF LF45 Hybrid

DAF LF45 Hybrid

Fot. DAF

Od 2005 r. DAF Trucks dysponuje hybrydową wersją modelu LF45. W samochodzie zastosowano system równoległy, w którym współdziałają ze sobą: silnik wysokoprężny Paccar FR Euro 4 (4,5 dm³; 136 kW/185 KM) oraz silnik elektryczny o mocy 44 kW, który może również pracować jako prądnica (generator). Silnik elektryczny umieszczono pomiędzy sprzęgłem, a skrzynią biegów. Samochód może być napędzany wyłącznie przez silnik spalinowy, elektryczny lub przez oba jednocześnie.

Ponieważ dodatkową moc dostarcza silnik elektryczny, możliwe było zastosowanie jednostki spalinowej o mniejszej pojemności skokowej – rozwiązanie to jest szczególnie przydatne w dystrybucji miejskiej. W konwencjonalnych ciężarówkach serii LF45 stosowane są silniki 6-cylindrowe – w wersji hybrydowej silnik 4-cylindrowy gwarantuje utrzymanie osiągów na dotychczasowym poziomie. Mniejsza masa silnika spalinowego (ok. 150-200 kg) kompensuje dodatkowy ciężar komponentów układu hybrydowego (ok. 200-250 kg).

Napęd na koła jest przenoszony przez sterowaną elektronicznie, 6-biegową skrzynię Eaton Autoshift. Energia odzyskiwana podczas hamowania gromadzona jest w akumulatorach litowo-jonowych. Bateria akumulatorów waży ok. 100 kg i składa się z ok. 100 ogniw o napięciu 3,4 V. Gdy akumulatory są całkowicie naładowane, ciężarówka może przejechać ok. 2 km wyłącznie korzystając z napędu elektrycznego.

Volvo FM9 Hybrid

Volvo FM9 Hybrid

Fot. Volvo

W marcu 2006 r. firma Volvo zaprezentowała hybrydową wersję modelu FM 380, przeznaczonego głównie do lokalnej dystrybucji towarów, w którym uzyskano 30-procentową redukcję zużycia paliwa. Gdy pojazd stoi lub porusza się z niewielką prędkością, wykorzystywany jest tylko silnik elektryczny: nie ma emisji spalin, a jego praca jest bardzo cicha. Aktualnie rozwijana w Volvo Trucks konstrukcja stanowi rozwinięcie wcześniejszych prac badawczych dotyczących seryjnego napędu hybrydowego, w którym koła samochodu były napędzane bezpośrednio przez silnik elektryczny zasilany z baterii akumulatorów. Akumulatory z kolei były doładowywane przez silnik spalinowy.

Z myślą o pojazdach cięższych zdecydowano się na zastosowanie hybrydowego napędu równoległego, w którym z wysokosprawnym silnikiem elektrycznym zintegrowano alternator oraz rozrusznik pojazdu. Współpracuje z nim silnik spalinowy o pojemności skokowej mniejszej niż w przypadku napędu szeregowego. Jednostka elektryczna służy do ruszania z miejsca i rozpędzania samochodu  do prędkości ok. 20 km/h; podczas normalnej jazdy główną rolę pełni silnik spalinowy, doładowując jednocześnie akumulatory. Po zatrzymaniu eliminowana jest bezproduktywna praca na biegu jałowym – silnik zostaje wyłączony. Po ruszeniu z miejsca następuje jego automatyczny rozruch. W fazach hamowania odzyskiwana jest energia i doładowywane akumulatory. Odzysk energii hamowania zwiększa trwałość elementów układu hamulcowego.

Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid

Mitsubishi Fuso Canter Hybrid

Fot. Mercedes

Serce hybrydowego napędu spalinowo-elektrycznego stanowi 3-litrowy, turbodoładowany silnik diesla o mocy 125 KM, wyposażony w układ recyrkulacji spalin i filtr cząstek stałych. Jednostka spalinowa współpracuje z silnikiem elektrycznym o mocy 35 kW. Napęd na koła przekazywany jest przez automatyczną skrzynię biegów Mitsubishi Fuso Inomat-II. Układ elektryczny zasilany jest z baterii akumulatorów litowo-jonowych.

Zgodnie z zasadą równoległego układu hybrydowego silnik spalinowy i elektryczny mogą działać samodzielnie lub równocześnie – w zależności od sytuacji drogowej.Jednostka elektryczna wykorzystywana jest do ruszania z miejsca, silnik spalinowy – podczas jazdy ze stałą prędkością. Gdy konieczne jest intensywne przyspieszanie – uruchamiane są oba silniki. W trakcie hamowania, silnik elektryczny działając jako prądnica, odzyskuje energię hamowania i doładowuje akumulatory.

MAN TGL EDA

Silnik elektryczny stosowany w hybrydach szeregowych do napędu kół

Fot. Qinetiq

Interesującym pojazdem z równoległym napędem hybrydowym jest MAN TGL EDA, w którym zastosowano elektrodynamiczny moduł sprzęgający EDA opracowany wspólnie z ZF. Moduł ten pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa typowe dla napędów hybrydowych oraz ma zalety elementu nie zużywającego się i łączącego silnik z resztą układu napędowego. Charakterystyczną cechą EDA jest to, że napęd elektryczny zlokalizowany pomiędzy silnikiem spalinowym, a skrzynią biegów, jest włączony w układ napędowy za pośrednictwem jednostopniowej przekładni planetarnej. Dzięki zastosowaniu modułu EDA rozrusznik, alternator, sprzęgło lub hydrodynamiczny przetwornik momentu stają się zbędne – co w pewnym zakresie uwalnia koszty niezbędne do jego zastosowania. Konstrukcja ta jest na tyle zwarta, że wszystkie komponenty mogą być umieszczone w standardowej obudowie sprzęgła bez konieczności rozbudowy skrzyni biegów.

Elektrodynamiczny moduł sprzęgający jest na stałe połączony z kołem zamachowym silnika diesla przez tłumik drgań skrętnych. Jednostka elektryczna oraz spalinowa mogą być wykorzystywane oddzielnie lub równocześnie. Po zatrzymaniu samochodu oba silniki są wyłączane, tak więc stojąc w miejscu hybrydowy TGL EDA nie hałasuje ani nie emituje żadnych spalin. Gdy kierowca załączy bieg aby ruszyć z miejsca, silnik elektryczny uruchamia ten spalinowy i równocześnie powoduje ruch pojazdu. Ponieważ pracą jednostki elektrycznej można łatwo sterować, uzyskuje się doskonałe możliwości ruszania z miejsca, porównywalne z napędami wykorzystującymi przetwornicę momentu. Moduł EDA pełni jednocześnie rolę synchronizatora – manualna skrzynia biegów nie posiada własnych synchronizatorów.