SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE Strojnícka fakulta

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE Strojnícka fakulta Spaľovací motor pre osobné vozidlo s hybridným pohonom Bakalárska práca Študijný program : automobily, lode a spaľovacie motory Študijný odbor: 5.2.4 motorové vozidlá, koľajové vozidlá, lode a lietadlá Školiace pracovisko: Ústav dopravnej techniky a konštruovania Školiteľ/konzultant: Ing. Peter Petrák, CSc. Bratislava 2011 Mário Káčer

Vlož zadanie

Čestné prehlásenie Vyhlasujem, že som záverečnú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Bratislava, 8. júna 2011... Vlastnoručný podpis

Ďakujem vedúcemu záverečnej práce, Ing. Petrovi Petrákovi, CSc., za odbornú pomoc, cenné a inšpiratívne podnety, ktoré mi poskytoval počas tvorby práce. Bratislava, 8. júna 2011 Mário Káčer

Názov práce: Spaľovací motor pre osobné vozidlo s hybridným pohonom Kľúčové slová: hybrid, spaľovací motor, spotreba, emisie Abstrakt: Predmetom práce je popis hybridných pohonov používaných v osobných vozidlách. Cieľom práce je zorientovať sa v danej kategórií motorových vozidiel a analyzovať spaľovacie motory týchto vozidiel. Cieľom je tiež popísať odlišnosti v konštrukcii oproti nehybridným modelom. Zameral som sa hlavne na analýzu spaľovacích motorov použitých v súčasných hybridných automobiloch. Výstupom práce má byť tiež návrh koncepcie motora pre vozidlo strednej triedy. The name of the work: Combustion engine for a personal vehicle with hybrid drive Key words: hybrid, combustion engine, consumption, emission Abstract: Purpose of this work is a description of hybrid drive systems used in personal vehicles. The aim of this work is to take a look at vehicles within this category of vehicles and analyze the combustion engines of vehicles. The aim is also to describe the differences in structure compared to non-hybrid model. I have focused mainly on analysis of internal combustion engines used in current hybrid cars. This work should also be a draft concept of the motor vehicle for the middle class.

Obsah 1 Úvod...8 2 Základné charakteristiky hybridov...9 2.1 História vývoja...9 2.1.1 Historický prehľad vývoja hybridných automobilov...10 2.2 Činnosť hybridných systémov...11 2.3 Rozdelenie podľa usporiadania...13 2.3.1 Sériové usporiadanie...13 2.3.2 Paralelné usporiadanie...14 2.3.3 Sériovo-paralelné usporiadanie...15 3 Požiadavky na spaľovací motor pri hybridných pohonoch...16 3.1 Toyota Prius...16 3.2 Honda CR-Z...19 3.3 Volkswagen Touareg Hybrid...22 3.4 Lexus RX 450h...25 4 Návrh koncepcie motora pre vozidlo strednej triedy...29 5 Záver...31 Použitá literatúra...32 7

1 Úvod Na počiatku deväťdesiatych rokov sa začalo v médiách vážne diskutovať o tom, že zásoba fosílnych palív nie je nevyčerpateľná a posledné kvapky ropy môžeme vyťažiť už v polovici tohto storočia. Zákonite prišla aj otázka: Na čo budú potom jazdiť autá? Automobilky sa ešte pred pár rokmi rozhodovali, akou cestou ísť. Dnes však v tom majú jasno a kríza, ktorá praje takmer len úsporným autám, ich rozhodnutie popohnala vpred. Alternatívne palivá zrazu prestali byť doménou úzkej skupiny odborníkov a začala sa o ne zaujímať široká verejnosť. Byť zelený je in. Áno ekológia je v kurze a patrí k tomu aj jazdenie na hybridných automobiloch. Hybridy sa stali úspornejšou, lacnejšou a ekologickejšou variantom auta. Hybridné autá sú síce skoro také staré ako auto samo, ale sú aj eko-hitom poslednej sezóny. Každá silnejšia automobilová spoločnosť sa snaží svoje portfólio doplniť o automobil s nízkou spotrebou v meste, s nízkymi emisiami a s čo najväčším percentom zrecyklovania a znovupoužitia materiálov z ktorých je automobil zostavený. Cieľom mojej práce je analyzovať aktuálne používané spaľovacie motory v hybridných automobiloch. 8

2 Základné charakteristiky hybridov 2.1 História vývoja Myšlienka hybridného pohonu pre automobily nie je žiadnou novinkou. Na prelome 19. a 20. storočia mal elektrický pohon oproti spaľovaciemu motoru vo svojich parametroch dokonca jednoznačne navrch, avšak karta sa už čoskoro obrátila. Niektoré veľké automobilky sa k myšlienke hybridného pohonu vrátili vo svojich experimentálnych štúdiách hlavne v 70. a 80. rokoch, kedy začínalo byť zrejmé, že si ochrana životného prostredia vyžiada zmenu celkového prístupu ku konštrukcii automobilu a jeho hnacieho ústrojenstva. Obr. č. 1 Patent hybridného automobilu (1905 Henri Pieper) 9

2.1.1 Historický prehľad vývoja hybridných automobilov 1905 Americký inžinier Henri Pieper podal patent na hybridné vozidlo. Jeho myšlienkou bolo použiť elektrický motor na pomoc na pomoc spaľovaciemu motoru, čo mu umožňovalo dosiahnuť rýchlosť 40 km/h. Jeho konštrukcia je do dnešného dňa vystavená v múzeu Henryho Forda. 1916 Dvaja významní výrobcovia elektromobilov - Baker z Clevelandu a Woods z Chicaga ponúkali hybridné automobily. Firma Woods tvrdila, že jej hybridné vozidlo dosiahlo najvyššiu rýchlosť 56 km/h pri spotrebe 4,9 litra na 100 kilometrov. Woods Dual Power bol však drahší a menej výkonný model ako benzínová konkurencia, a preto sa zle predával. 1920 1965 Toto obdobie nazývame aj spiacim, keďže v týchto rokoch zažívali azda najväčší boom automobily poháňané motorom, ktorý spaľoval benzín. 1976 Kongres USA prijali zákon, ktorý podporoval spomínaný výskum a vývoj elektrických a hybridných vozidiel. Cieľom zákona bolo spolupracovať s priemyslom na zlepšenie batérií, elektromotorov, regulátorov a ďalších elektrických komponentov. 1980 Briggs a Stratton, známa firma na výrobu motorov do kosačiek na trávu, vyvinula hybridný automobil poháňaný dvojvalcovým 12 kw benzínový motorom, ktorému pomáhal elektrický motor. Spolu táto kombinácia dosahovala výkon celkom 20 kw. 1997 Toyota Prius bola predstavená na japonskom trhu, dva roky pred jej pôvodným plánovaným predstavením. Prvý rok predaja bolo predaných 18000 kusov. Toyota Prius bol prvý sériovo vyrábany hybrid, ktorého sa od roku 1997 predalo viac ako 2,5 milióna kusov. 10

Obr. č. 2 Toyota Prius tretej generácie 2.2 Činnosť hybridných systémov Aj keď v skutočnosti existuje celý rad hybridných systémov, pre každé hybridné vozidlo platí, že má aspoň dva priame alebo nepriame zdroje hnacej sily. V praxi to znamená spravidla klasický spaľovací motor poháňaný benzínom alebo naftou a elektromotor. Tieto dva motory spolupracujú a dopĺňajú sa. Elektromotor sa využíva najmä pri pomalej prerušovanej jazde v meste a v dopravných zápchach, kde je nielen efektívnejší, ale navyše znižuje hladinu smogu v mestách, čím zlepšuje kvalitu ovzdušia. Na druhej strane klasický spaľovací motor je využívaný pri rýchlych plynulých jazdách na diaľnici. Výhodou hybridného pohonu je takzvané rekuperačné brzdenie. Pri spomaľovaní a brzdení totiž elektromotor pracuje ako efektívny generátor. Zachytí kinetickú energiu auta, premení ju na elektrickú a dobíja ňou batériu, zatiaľ čo pri bežných autách sa táto energia stráca a je nevyužitá. Ak vozidlo stojí, spaľovací motor je vypnutý a spotreba paliva je nulová. Tento systém sa nazýva štart-stop. Motor sa zapína v okamihu, keď je potrebná jeho pomoc pri rozjazde alebo zrýchlení. Skupina automobilov ktoré využívajú tento systém radíme do triedy tzv. mikrohybridov. 11

Ďalšou skupinou hybridov sú mild-hybridy. Mild-hybrid nemá elektromotor dostatočne silný, aby poháňal úplne sám celé auto, ale vie ho podporiť pri akcelerácií a v situáciách, keď je spaľovací motor nehospodárny. Elektromotor teda len vypomáha spaľovaciemu motoru v určitých prevádzkových režimoch. Výsledkom je menšia spotreba paliva a redukcia emisií. Typickým príkladom mild-hybridu je automobil HONDA CR-Z, ktorá tento hybridný systém označuje ako IMA (Integrated Motor Assist). Najsofistikovanejšou skupinou hybridov sú full-hybridy. Tieto jediné umožnia používať vozidlo v čisto elektrickom režime EV (Electric Vehicle), bez produkcie priamych emisií. Dojazd týchto automobilov je ale zatiaľ dosť obmedzený. Príkladom full-hybridu je Toyota Prius a jej systém nazývajú HSD(Hybrid Synergy Drive). Toyota udáva dojazd v režime EV maximálne 2 kilometre. Najväčším problémom týchto hybridov predstavuje hmotnosť, rozmery a ceny aktuálnych generácií akumulátorových batérií. Aby bolo možné dosiahnuť dostatočnú kapacitu s využitím dnešných technológií, je nevyhnutné použiť veľké batérie, zvyšujúce hmotnosť vozidla. Obr. č. 3 Full-hybrid verzus Mild-hybrid 12

2.3 Rozdelenie podľa usporiadania 2.3.1 Sériové usporiadanie Sériová hybridná sústava má spaľovací motor, ktorý poháňa len generátor, ale s poháňanými kolesami nie je nijako mechanicky spojený. Takto vyrábaná elektrická energia napája priamo trakčný elektromotor, zatiaľ čo prebytky elektrickej energie sa ukladajú do akumulátorov pre neskoršie využitie. Z toho je zrejmé, že vozidlo je poháňané len elektromotorom a spaľovací motor sa na pohone podieľa len nepriamo. Výhodou je možnosť prevádzkovať spaľovací motor v úzkom rozsahu otáčok, kedy dosahuje najvyššiu účinnosť, a vypínať ho v prípadoch, kedy je dostatočne nabitý akumulátor. Nevýhodou sériového usporiadania je okrem strát z viacnásobnej premeny energie (znižuje celkovú účinnosť sústavy) skutočnosť, že systém s vysokým výkonom by musel byť tvorený veľkým a výkonným spaľovacím motorom, ktorý by zaistil dostatočné napájanie elektromotora. Jeho rozmery a hmotnosť by pri zodpovedajúcom výkone taktiež neboli skromné. Je to teda riešenie vhodné len pre relatívne malé vozidlá s menšími nárokmi na výkon. Obr. č. 4 Diagram sériového usporiadania 13

2.3.2 Paralelné usporiadanie Lepším systémom je paralelné usporiadanie. V paralelnom hybridnom systéme je motor a elektromotor usporiadaný tak, aby sa obidva tieto zdroje mohli spoločne priamo podieľať na pohone vozidla. Na pohon kolies sa používa síce benzínový motor, ale elektromotor mu pomáha svojou hnacou silou na miestach, kde je najviac namáhaný. Pri rozjazde (hlavne za studena), pri prudkej akcelerácií, pri jazde do kopca a podobne. Paralelný hybrid môže mať oproti sériovému s rovnakým výkonom menší spaľovací motor i elektromotor. Aj tak však paralelný hybridný systém neponúka všetky možné kombinácie pohonu, ani takú efektivitu prevádzky, ako sériovoparalelný systém. Obr. č. 5 Diagram paralelného usporiadania 14

2.3.3 Sériovo-paralelné usporiadanie Technicky najnáročnejšie, avšak z hľadiska minimalizácie spotreby paliva a škodlivých emisií najúčinnejšie, sú sériovo-paralelné hybridné sústavy. Pri tomto systéme rozdeľuje hybridná prevodovka, pozostávajúca z planétového prevodu a dvoch elektromotorov, výkon z jednotlivých zdrojov energie (spaľovací motor, elektromotory). Vďaka tomu môže pohonná sústava fungovať len v režime spaľovacieho motora, respektíve samotných elektromotorov alebo ako spojenie oboch. V situáciách, kedy spaľovací motor beží nehospodárne, napríklad pri rozjazde a pomalej jazde, poháňa vozidlo len elektromotor a spaľovací motor je vypnutý. Pri normálnej jazde väčšou rýchlosťou optimalizuje riadiaca jednotka účinnosť systému reguláciou podielu výkonu spaľovacieho motora a elektromotora. Prebytok výkonu spaľovacieho motora sa ukladá do akumulátorov pre neskoršie použitie, napr. pri akcelerácii, kedy je činnosť spaľovacieho motora podporená točivým momentom elektromotora. Kedykoľvek nie je pre beh vozidla spaľovací motor potrebný, elektronická riadiaca jednotka ho okamžite vypne. Obr. č. 6 Diagram sériovo-paralelného usporiadania 15

3 Požiadavky na spaľovací motor pri hybridných pohonoch 3.1 Toyota Prius Tretia generácia Toyoty Prius, najznámejšieho hybridu na svete, prichádza s novým štvordobým benzínovým motorom, ktorý je podporovaný synchrónnym elektromotorom (60kW). Objem motora oproti predchádzajúcej verzii narástol z 1,5-litra na 1,8-litra a vytvára výkon 73kW pri 5200 min -1. V kombinácii s elektromotorom dosahuje celkový výkon 100kW. Zväčšením objemu motora sa zvýšila aj hodnota krútiaceho momentu na 142 Nm pri 4000 min -1 u a došlo k zlepšeniu spotreby paliva pri vyšších rýchlostiach dosahovaných na diaľnici. S elektrickým vodným čerpadlom motor Priusu nevyžaduje žiadne remene, keďže aj rozvod ventilov je riešený bez rozvodových remeňov. Obr. č. 7 Motor Toyoty Prius 16

Motor pracuje v Atkinsonovom cykle, v ktorom sací ventil zostáva otvorený dlhšie ako zvyčajne aj počas začiatku kompresného zdvihu (približne 20 až 30 %). To umožní spätný tok náplne do sacieho potrubia. Preto sa kompresia nezačína v dolnej úvrati, ale až po uzatvorení sacieho ventilu následkom čoho sa znižuje skutočný kompresný pomer a relatívne k nemu potom zostáva expanzný pomer väčší. Motor s Atkinsonovým cyklom je účinnejší ako porovnateľný motor s Ottovým cyklom. Je však rozmernejší a ťažší. Efektivita výmeny náplne motora je zvýšená tiež vďaka použitiu technológie VVT-i, čo je systém variabilného časovania ventilov. Obr. č. 8 Znázornenie Atkinsonovho cyklu s predĺženou expanziou v p-v diagrame. Plocha napravo od červenej čiary je úmerná práci navyše získanej predĺženou expanziou. Spoluprácu s elektromotorom riadi systém HSD Hybrid Synergy Drive, ktorý pri tomto sériovo-paralelnom usporiadaní zabezpečuje spolu s automatickou variátorovou prevodovkou e-cvt maximálnu pružnosť a účinnosť motora v každom okamihu jazdy. Motor Toyoty Prius sa stal víťazom v kategórii Green Engine of the Year 2010 - Ekologicky šetrný motor roka 2010. Podľa testu poruchovosti automobilov, ktoré zabezpečuje nemecká inšpekčná spoločnosť TÜV Report, sa 17

najspoľahlivejším autom planéty v roku 2011 stal hybrid Toyota Prius. Tento výsledok je jasným dôkazom vysokej úrovne vývoja hybridných automobilov. Pohon Hybrid Synergy Drive ponúka spotrebu paliva iba 3,9 l/100 km pri emisiách CO2 len 89 g/km. Motor spĺňa emisné normy Euro 5 a očakáva sa, že taktiež splní požiadavky normy Euro 6. Prínosom tejto pohonnej jednotky je zvýšenie kvality výfukových plynov s obmedzeným obsahom NOx a nulovým obsahom pevných častíc (PM). Tabuľka 1. Technické parametre motora Toyota Prius Typ motora Rozvodový mechanizmus radový zážihový štvorvalec 16 ventilov DOHC, VVT-i Zdvihový objem [cm 3 ] 1798 Vŕtanie x zdvih [mm x mm] 80,5 x 88,3 Kompresný pomer [-] 13,0:1 Maximálny výkon [kw/min -1 ] 73/5200 Maximálny krútiaci moment [Nm/min -1 ] 142/4000 Emisie CO2 [g/km] 89 Kombinovaná spotreba [l/100 km] 3,9 18

3.2 Honda CR-Z Honda CR-Z (Compact Renaissance Zero) je prvý športový hybrid vyrábaný sériovo a prvý so šesťstupňovou manuálnou prevodovkou a s karosériou typu kupé s 2+2 sedadlami. Spaľovaciemu motoru asistuje paralelný hybridný systém IMA, ktorý pracuje v troch režimoch Sport, Econ a Normal, ktoré upravujú charakteristiku riadenia škrtiacej klapky. Systém vodiča nabáda na ekologickú jazdu asistentom správneho radenia aj zmenou podsvietenia otáčkomeru. Obr. č. 9 Honda CR-Z Hybridný pohon Hondy CR-Z kombinuje zážihový atmosférický radový štvorvalec so zdvihovým objemom valcov 1497 cm 3, ktorý vyvinie 84 kw (114k) pri 6100 min -1, resp. 145 Nm pri 4800 min -1, a elektromotorom s výkonom 10 kw (14k) pri 1500 min -1, resp. 78,4 Nm pri 0-1000 min -1. Kombinovaný výkon hybridného systému je 91 kw (124k) pri 6100 min -1 a krútiaci moment 174 Nm pri 1000 1500 min -1. Hodnoty kombinovaného výkonu a krútiaceho momentu nie sú 19

súčtom maximálnych hodnôt spaľovacieho motora a elektromotora, pretože oba motory dosahujú maximálne hodnoty spomínaných parametrov v rôznom rozpätí otáčok. Elektromotor v žiadnom režime nepracuje osamotene, len vypomáha spaľovaciemu motoru. Jedná sa teda o mild-hybrid. Honda zvolila cestu downsizingu, keď namiesto turbodúchadla použila elektromotor. Motor je navrhnutý pre spaľovanie chudobnej zmesi ako dôkaz, že aj športové auto dokáže byť úsporné a efektívne. A to má dôsledky. Výkonové čísla nie sú celkom typické pre vozidlo, ktoré by malo byť označované ako športový model. Samotný motor vychádza z 1,5 litrového agregátu modelu Honda Jazz, určeného pre japonský trh. Využíva štvorventilovú techniku a variabilné časovanie sacích ventilov i-vtec, ktoré umožňuje deaktivovať jeden z dvojice sacích ventilov v každom valci. To sa využíva pri nízkych otáčkach, keď nesúmerné prúdenie čerstvej náplne do valcov vytvorí v nich väčšie vírenie. V konečnom dôsledku sa tak lepšie premieša zmes a urýchli spaľovanie. Obr. č. 10 Motor Hondy CR-Z 20

Zároveň variabilné časovanie sacích ventilov umožňuje meniť prekrytie ventilov a v nízkych otáčkach a čiastočnom zaťažení realizovať vnútornú recirkuláciu výfukových plynov. Cieľom je znížiť množstvo emisií a zlepšiť spotrebu paliva. Pri vyšších otáčkach a vyššom zaťažení systém otvorí súmerne oba sacie ventily. Tým sa zabezpečí rýchle naplnenie valcov. Pôvodný motor z modelu Jazz by sa pre svoju výšku nezmestil do športovej karosérie a preto došlo k úprave tvaru sacieho potrubia a znížila sa výška umiestnenia katalyzátora. Pre implementáciu elektromotora systému IMA došlo tiež k úprave olejovej vane a aj toto riešenie znížilo celkovú výšku motora. V porovnaní s modelom Civic s motorom 1,8 l sú emisie CO2 o 35 g/km nižšie a dosahujú len 117 g/km pri priemernej spotrebe podľa NEDC 5,0 l/100 km. Vďaka elektromotoru má CR-Z maximum krútiaceho momentu k dispozícii už pri 1 500 min -1, čo je na atmosferický motor neobyčajne nízka hodnota. Tabuľka č. 2 Technické parametre motora Honda CR-Z Typ motora Rozvodový mechanizmus radový zážihový štvorvalec 16 ventilov SOHC, i-vtec, Zdvihový objem [cm 3 ] 1497 Vŕtanie x zdvih [mm x mm] 73 x 89,4 Kompresný pomer [-] 10,4:1 Maximálny výkon [kw/min -1 ] 84/6100 Maximálny krútiaci moment [Nm/min -1 ] 145/4800 Emisie CO2 [g/km] 117 Kombinovaná spotreba [l/100 km] 5,0 21

3.3 Volkswagen Touareg Hybrid Volkswagen Touareg Hybrid pracuje s paralelným hybridným pohonom, ktorý umožňuje jazdu na spaľovací motor, elektromotor alebo kombináciu oboch motorov. Samotný elektromotor s výkonom 34,3 kw (46 k) je vložený medzi benzínový motor a automatickú prevodovku. Počas brzdenia rekuperuje kinetickú energiu a dobíja ňou akumulátor pracuje ako generátor elektrickej energie. Ako spaľovací motor slúži trojlitrový benzínový šesťvalec TSI s priamym vstrekovaním paliva a dvojstupňovým sekvenčným preplňovaním. Pri nižších otáčkach vyvíja plniaci tlak kompresor, v stredných sa pridáva turbodúchadlo až kým vo vyšších preberie na seba všetku prácu. Motor využíva elektronicky odpájateľné vodné čerpadlo, ktoré znižuje energetickú spotrebu. Samotný motor vyvinie 245 kw (333 k) pri 5 500 6 500 min -1, resp. 440 Nm pri 5 000 6 500 min -1. Obr. č. 11 Koncernový motor VW Touareg Hybrid vyvinutý automobilkou Audi 22

Tabuľka č. 3 Technické parametre motora Volkswagen Touareg Typ motora Rozvodový mechanizmus zážihový V6 90, FSI 24 ventilov, 2xDOHC Zdvihový objem [cm 3 ] 2995 Vŕtanie x zdvih [mm x mm] 84,5 x 89 Kompresný pomer [-] 10,5:1 Maximálny výkon [kw/min -1 ] 245/5500-6500 Maximálny krútiaci moment [Nm/min -1 ] 440/3000-5250 Emisie CO2 [g/km] 193 Kombinovaná spotreba [l/100 km] 8,2 Chladenie stláčaného vzduchu má svoj vlastný okruh s dvoma samostatnými sériovo zapojenými výmenníkmi. Pre zníženie spotreby paliva má motor mäkšie ventilové pružiny, piestne krúžky aj napínače reťaze a remeňa s menším predpätím. Kľuková skriňa bola prispôsobená vyšším tlakom, a všetky komponenty sú navrhnuté pre minimálne trenie. Do sacích kanálov sú vložené tzv. bubnové klapky, ktoré zlepšujú privádzanie vzduchu a podporujú optimálnu prípravu zmesi. Vstrekovací systém Common rail je v hrote vstrekovacej injekcie zakončený šiestimi otvormi pre optimálne rozprášenie zmesi paliva až na tlak 150 bar priamo do spaľovacej komory, pričom v jednom cykle prebehnú až tri injekcie. Nikel-metal-hydridový akumulátor je umiestnený pod batožinovým priestorom v priestore pre rezervné koleso. Sústava pozostáva z 240 článkov s menovitým napätím 288 V a energetickou kapacitou 1,7 kwh. Chladenie akumulátorov zabezpečujú dva samostatné ventilátory, ktoré ho ochladzujú vzduchom z kabíny vozidla. V prípade kolízie je akumulátor chránený špeciálnym boxom. Energia uložená v akumulátore stačí (samozrejme s využívaním 23

rekuperačného brzdenia) na dojazd zhruba 2 km. Vozidlo dokáže jazdiť na čisto elektrický pohon do rýchlosti 50 km/h. Systém pracuje s osemstupňovou automatickou prevodovkou, ktorá je na 85 % totožná s prevodovkou ostatných (nehybridných) modelov. Zmenená je príruba za hydrodynamickým meničom. Pod ňou je totiž elektromotor hybridného modulu a rozpojovacia spojka. Modifikovaný však musel byť manažment prevodovky, špeciálne pre zabezpečenie komfortu pri podraďovaní počas rekuperačného brzdenia a počas štartovania motora TSI. Obr. č. 12 Otáčková charakteristika motora VW Touareg Hybrid Keďže musí byť zabezpečená činnosť všetkých potrebných systémov aj pri vypnutom motore, Volkswagen používa elektrohydraulický posilňovač riadenia (potrebný hydraulický tlak posilňovača vytvára elektromotor), elektrické vákuové čerpadlo pre podtlakový posilňovač bŕzd či elektromotoricky poháňaný kompresor klimatizácie. 24

Hybridný Touareg spotrebuje v kombinovanej prevádzke NEDC v priemere 8,2 l/100 km, čomu zodpovedá tvorba CO2 193 g/km. V porovnaní s podobne veľkým a podobne výkonným SUV je to úspora 17 % a v mestskej prevádzke dokonca 25 %. Spaľovací motor spolu s elektromotorom vyvinú maximálne 279 kw (380 k), resp. 580 Nm. Volkswagen sa rozhodol použiť bežný koncernový motor ktorý sa používa v modeloch Audi A6 a Audi S4. Oproti týmto nehybridným automobilom sa na motore v podstate nič nezmenilo. Automobilka teda veľmi neinvestovala do vývoja motorov pre hybridné modely ako napríklad Toyota alebo Honda. Treba ale zohladniť, že Touareg je prvý hybrid od automobilky Volkswagen. 3.4 Lexus RX 450h Lexus RX 450h používa plne hybridní systém (tzv. full hybrid ) schopný samostatnej prevádzky so zážihovým motorom alebo elektromotorom, ale i s obomi jednotkami súčasne. Hnacie ústrojenstvo RX 450h so sériovo paralelným usporiadaním ponúka celkový výkon 220 kw pozostávajúci zo zážihového motora V6 s objemom 3,5 litra a dvoch elektromotorov. Výsledkom je elektronicky riadený pohon všetkých kolies so zapojením elektromotorov, označovaný ako E- FOUR. Samotný motor poskytuje výkon 183 kw (249 k) pri 6000 min -1 a krútiaci moment 317 Nm pri 4800 min -1. Oproti bežným spaľovacím motorom používaným v nehybridných modeloch má tento motor tri špecifické zmeny: Atkinsonov cyklus, recirkulácia výfukových plynov (EGR) s chladením a rekuperácia tepla z výfukových plynov (EHR). Jedná sa o hlavné optimalizačné opatrenia pre úsporu paliva. 25

Obr. č. 13 Motor Lexus RX 450h V6 3,5 VVT-i (2GR-FXE) Motor bežiaci v Atkinsonovom cykle sa v bežných vozidlách nepoužíva kvôli nevhodnému priebehu krútiaceho momentu, ale je výhodný pre spojenie s elektromotorom v hybridnej sústave, kde sa vzájomne doplňujú. V nízkych otáčkach, kde je moment spaľovacieho motora s Atkinsonovým cyklom nízky, je využívaný vysoký krútiaci moment elektromotora, ale málo zaťažený spaľovací motor beží s malými stratami. Naopak vo vyšších otáčkach a rýchlostiach, kde už výkon elektromotora nestačí, je využívaná kapacita konvenčného motoru s upraveným vnútorným spaľovaním. Sacie ventily sa zatvárajú neskôr, a tak sa kompresní zdvih oneskoruje. Týmto sa dosahuje vysoký expanzný pomer pri nižšej kompresii (stláča sa menšie množstvo zmesi ako pri klasickom Ottovom cykle), čím klesá výkon, ale taktiež energetické straty pri saní a výfuku, a účinnejšie sa transformuje energia vznikajúca pri spaľovaní na výkon motora. Teplota výfukových plynov je v dôsledku toho nižšia ako u motorov s bežným spaľovacím cyklom. Systém recirkulácie výfukových plynov (EGR) vedie naspäť ochladené výfukové plyny do spaľovacieho priestoru, čím ďalej znižuje prevádzkovú teplotu motora. Technika používaná bežne aj u konvenčných spaľovacích jednotiek má pre hybridnú sústavu odstrániť situácie, keď je treba 26

využívať chladiaci účinok obohatenia paliva na ochranu katalyzátora pred poškodením z dôvodu prehriatia. Tým sa zlepšujú parametre spotreby paliva i emisií. Obr. č. 14 Schéma recirkulácie výfukových plynov (EGR) Pri rekuperácii tepla z výfukových plynov (EHR) sa zase využíva teplo výfukových plynov k zohriatiu chladiacej kvapaliny motoru bezprostredne po štarte motora. Tým sa skracuje zahrievacia doba motora. Vďaka tomu sa RX 450h podarilo zlepšiť spotrebu paliva o viac ako 30 % oproti svojmu predchádzajúcemu modelu. Obr. č. 15 Schéma rekuperácie tepla z výfukových plynov 27

Obr. č. 16 Konštrukcia systému rekuperácie tepla z výfukových plynov Tabuľka č. 4 Technické parametre motora Lexus RX 450h Typ motora Rozvodový mechanizmus zážihový V6 24 ventilov, VVT-i Zdvihový objem [cm 3 ] 3456 Maximálny výkon [kw/ot.min -1 ] 183/6000 Maximálny krútiaci moment [Nm/ot.min -1 ] 317/4800 Emisie CO2 [g/km] 148 Kombinovaná spotreba [l/100 km] 6,3 28

4 Návrh koncepcie motora pre vozidlo strednej triedy Pri voľbe koncepcie a samotnom návrhu som najskôr urobil analýzu motorov, ktoré sa používajú pre nehybridné vozidlá strednej triedy. Konkrétne som sa zameral na motory so zdvihovým objemom 1,4 litra. Maximálne výkony a krútiace momenty motorov sú zobrazené v grafe č. 1. 250 200 150 100 50 0 Citroen 1.4 16V Fiat 1,4 16V Ford 1,4 Duratec Hyundai Kia Nissan Opel Seat 1,4 TSI Škoda 1,4 16V Toyota 1,4 VVTi VW 1,4 TSI Audi A3 výrobca motora Výkon motora [kw] Krútiaci moment [Nm] Graf č. 1 Výkony a krútiace momenty motorov automobilov strednej triedy Návrh: Navrhujem radový, štvortaktný, štvorvalcový zážihový motor. Pre objem valcov 1390 cm 3 predpokladám výkon približne 75 kw a krútiaci moment 135 Nm. Kompresný pomer volím 11. Rozvod ventilov bude DOHC poháňaný ozubeným remeňom, so štyrmi ventilmi v každom valci. 29

Chladenie motora bude kvapalinové. Zabezpečovať ho bude čerpadlo poháňané tým istým remeňom od kľukového hriadeľa. Mazanie motora bude tlakové, obežné s plnoprietokovou filtráciou oleja. Čerpadlo oleja navrhujem zubové a poháňané reťazou od kľukového hriadeľa. Príprava zmesi bude elektronicky riadená s viacbodovým vstrekovaním paliva priamo do valca. Motor bude sériovo-paralelne usporiadaný so synchrónnym elektromotorom, ktorý by mal byť schopný umožniť jazdu vozidla aj v čisto elektrickom režime. Pri návrhu motora som vychádzal z parametrov ktoré dosahujú motory rovnakej triedy avšak sú použité v nehybridných modeloch a preto odlišnosti na tomto motore by mali byť nasledovné. Navrhujem, aby motor pracoval v Atkinsonovom cykle, čo sa z vývoja Toyoty ukázalo ako výhodné. Zároveň by mal motor obsahovať aj variabilné časovanie sacích ventilov, ktoré nám tiež umožní realizovať vnútornú recirkuláciu výfukových plynov. Ich premiešanie s čerstvou zmesou spomalí spaľovanie a znižuje tak maximálne teploty. Tým sa výrazne zníži podiel emisií dusíkov. Motor by mal tiež obsahovať systém rekuperácie tepla z výfukových plynov, ktorým dosiahneme rýchlejšie zohriatie chladiacej kvapaliny motora. Motor bude potom skôr pracovať v optimálnej prevádzkovej teplote. Cieľom je znížiť množstvo emisií a zlepšiť spotrebu paliva. 30

5 Záver Hybridné autá sa stávajú každodennou súčasťou dopravy v mnohých vyspelých štátoch sveta. Predstavujú automobily, ktoré spĺňajú všetky požiadavky na pohodlnú jazdu a pritom ich spotreba a škodlivé emisie sú výrazne nižšie. Pri opisovaní jednotlivých druhov motorov som zhrnul technické parametre a poukázal na jednotlivé technológie používané v hybridných automobiloch. Toyota zvolila stratégiu vývoja motorov špeciálne určených na tento druh pohonu, a tak ich motory pracujú v Atkinsonovom cykle. Ostatné systémy ako napríklad variabilné časovanie ventilov alebo recirkulácia výfukových plynov sa dnes objavujú v bežných motoroch nehybridných vozidiel. Hybridné vozidlo teda nemá nutné požiadavky na konštrukciu alebo špeciálne systémy, ktoré by musel obsahovať spaľovací motor. Tejto filozofie sa držali konštruktéri Volkswagenu a vo svojom hybridnom Touaregu použili koncernový motor od Audi. Rozdiel medzi hybridným spaľovacím motorom a klasickým teda nemusí byť žiadny. Ekologické prínosy vozidiel s hybridným pohonom sú evidentné na prvý pohľad. Mnohí kritici hybridných automobilov však namietajú, že proti ich ekologickej prevádzke stojí oveľa náročnejšia výroba a následná recyklácia na konci životnosti. Hybridy by sa mali do roku 2025 rozširovať rýchlejšie a budú patriť k základným pohonným jednotkám SUV vozidiel a stredne veľkých vozidiel. Plugin hybridy by sa mali dostať hlavne do malých áut, pretože tie sa využívajú na dopravu na kratšie vzdialenosti. Nepopierateľné však je, že hybridné vozidlá na automobilovom trhu predstavujú významný medzistupeň medzi klasickými benzínovými autami a novými technológiami, ktoré úplne obmedzia využívanie fosílnych palív. 31

Použitá literatúra [1] HUSAIN, I. 2003. Electric and Hybrid Vehicles. Designs Fundamentals. 1. vyd. Washington, D.C. : CRC Press LLC, 2003. 270 s. ISBN 0-203-00939-8 [2] PISTOIA, G. 2010. Electric and Hybrid Vehicles. Power Sources, Models, Sustainability, Infrastructure and the Market. 1. vyd. Oxford : Elsevier B.V.,2010. 652 s. ISBN 978-0-444-53565-8 [3] EHSANI, M. GAO, Y. EMADI, A. 2010. Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles. Fundamentals, Theory and Design. 2. vyd. New York : Taylor and Francis Group, LLC, 2010. 534 s. ISBN 978-1-4200-5398-2 [4] Polóni M., Petrák P. 2011. Spaľovacie motory, Prednášky [5] Profi auto: Prílohy časopisu Automagazín [6] http://www.toyota.sk/ [7] http://auto.honda.sk/ [8] http://www.vw.sk/ [9] http://www.lexus.sk/ 32