خودروی هیبریدی چگونه کار می کند
خودروی هیبریدی چگونه کار می کند
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
حتما برایتان پیش امده که زمان زیادی را د رپمپ بنزین بگذرانید.شاید به خاطر شلوغی و شاید هم بخاطر کند بودن پمپ،این مشکلات بدلیل بنزینی بودن خودروی شماست.البته نه فقط بنزین بلکه کلیه سوخت های فسیلی مشکلات مخصوص به خود را دارند. یکی از راههایی که خودروسازان به آن رو آورده اند(برای کم شدن مشکلات و آلودگی هوا) ساخت خودروی هیبریدی است.
خودروی هیبریدی چیست و چرا این نام را بر ان نهاده اند؟خودروهای هیبریدی چگونه کار می کنند؟ چرا 20 تا 30 مایل در هر گالون نسبت به خودروهای بنزینی بیشتر می روند؟ و نیز چرا آودگی کمتری نسبت به خودروهای بنزینی یا دیزلی دارند؟
جواب این پرسش ها را در طول این مقاله خدمت شما عرض خواهم کرد .
تعداد زیادی از مردم خودروهای هیبریدی را در مکان هایی دیده اند. مثلا در لوکوموتیو ها . بیشتر لوکوموتیو ها از سیستم هیبریدی دیزل – الکتریکی بهره می برند.و یا در شهرهایی مانند سیاتل اتوبوس هایی با همین سیستم دیزل – الکتریک وجود دارند.
این اتوبوس ها یا بهتر بگوییم تراموا وقتی که به سیم های بر ق بالای سقف خود دسترسی دارند از نیروی پیشرانه الکتریکی خود بهره می برند. و زمانی که به این کابلهای برق دسترسی ندارند با پیشرانه دیزل خود به حرکت ادامه می دهند. زیر دریایی ها نیز نوعی ماشین های هیبریدی هستند که معمولا با یکی از سیستم های هسته ای – الکتریکی و یا دیزل –الکتریکی کار می کنند.
به طور کلی تمامی وسایل نقلیه ای که از ادغام دو و یا چند پیشرانه انتقال نیرو که بطور مستقیم یا غیر مستقیم به سیستم انتقال قدرت وابسته هستند را ماشین های هیبیریدی گوییم .
بیشتر خودروهای هیبریدی تولید شده تاکنون از نوع بنزینی – الکتریکی هستند گرچه بعضی شرکتهای خودروسازی مانند پژو-سیتروئن خودروهای هیبریدی از نوع دیزل- الکتریکی نیز تولید کرده اند.در این مقاله بیشتر به خودروهای بنزینی –الکتریکی می پردازیم.
انرژی الکتریکی و انرژی بنزین
خودروهای بنزینی – الکتریکی از نظر کارکرد بین خودروهای بنزینی و الکتریکی هستند.به کمک شکلهایی که در ادامه نشان داده می شود به تفاوتهای بین این دو نوع خودرو خواهیم پرداخت.
خودروهای بنزینی شامل یک باک بنزین می باشند که منبع ذخیره کننده بنزین موتور است وموتور نیز به وسیله سیستم انتقال قدرت نیروی تولیدی را به چرخ ها می رساند.
در مقابل در خودروهای الکتریکی یک مجموعه از باتری ها وجود دارد که الکتریسیته مورد نیاز موتور الکتریکی را فراهم می کند و موتور الکتریکی نیز به وسیله سیستم انتقال قدرت نیروی تولیدی خود را به چرخ ها می رساند.
برای شما و من یک خودروی مفید خودرویی است که حداقل نیاز های ما را برآورده کند که این نیاز ها می توانند چنین باشند:
1- از یک سوخت گیری اولیه حداقل 300 مایل یا 482 کیلومتر تا یک سوخت گیری مجدد.
2- هر بار سوخت گیری اسان و سریع باشد.
یک موتور بنزینی اکثر این نیازها را برآورده می کند اما در عوض آلودگی زیادی دارد و یک موتور برقی با اینکه آلودگی خیلی کمی (یا اصلا) ایجاد نمی کند اما این موتور حداکثر بین 50 تا 100 مایل(80 تا 161 کیلومتر ) می تواند بین دو شارژ خود برود و مشکل دیگر موتور الکتریکی این است که شارژ شدنش سخت و خیلی زمانبر است.
یک خودروی هیبریدی بنزینی – الکتریکی ترکیبی از دو پیشرانه است که به نوعی می توانند مکمل همدیگر باشند.
هیبرید بنزین – الکتریسیته
سیستم هیبریدی بنزینی – الکتریکی شامل اجزا زیر است:
● موتور بنزینی:موتور بنزینی که در این خودرو وجود دارد شباهت زیادی به موتورهای بنزینی خودروهای بنزینی دارد. ولی این موتور کوچکتر و نیز دارای تکنولوژی بالاتری نسبت به خودروهای معمولی است که باعث کاهش آلودگی و افزایش کارایی می شود.
●باک بنزین : باک بنزین در این نوع خودروها محل ذخیره انرژی برای موتور بنزینی است.بنزین چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری دارد به عنوان مثال 1000 پوند باتری معادل 1 گالون (7 پوند) بنزین انرژی دارد.
● موتور الکتریکی : موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی خیلی پیشرفته هستند این موتور پیشرفته هم به عنوان یک موتور قادر به انجام کار است و هم به عنوان ژنراتور به عنوان مثال زمانی که به این موتور نیاز است موتور با استفاده از باتری 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 باتری ها بر می گرداند(با استفاده از سرعت در سراشیبی )
● 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 ادامه توضیح داده خواهد شد.
● باتری : باتری ها در خودروی هیبریدی یک وسیله ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی هستند. برخلاف بنزین موجود در باک بنزین که میتواند فقط به موتور بنزینی سوخت برساند(یک انتقال یک طرفه از باک بنزین به موتور بنزینی). موتورهای الکتریکی علاوه بر کار فوق می توانند انرژی را به باتری پس دهند. ولی موتور بنزینی نمی تواند چنین کاری را انجام دهد.
●سیستم انتقال قدرت
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
The Mercedes-Benz M-Class HyPer -- a hybrid concept vehicle
دو سیستم پیشرانه در خودروهای هیبریدی را می توان با هم به رو شهای مختلفی ترکیب کرد از جمله : سری و موازی
هیبرید موازی : در هیبرید موازی باک بنزین سوخت را به موتور بنزینی می رساند و باتری ها نیز الکتریسیته را به موتور الکتریکی می رساند و هر دو موتور بنزینی و الکتریکی هم زمان و تواما به سیستم انتقال قدرت متصل می شوند و این قدرت به چرخها می رسد. توجه داشته باشید که باک بنزین و موتور بنزینی به سیستم انتقال قدرت متصل هستند و باتری ها و موتور الکتریکی نیز اغلب به طور مستقل و جداگانه به سیستم انتقال قدرت متصل هستند.
در نتیجه در هیبریدهای موازی هر دو موتور بنزینی و الکتریکی نیرو محرکه مورد نیاز را فراهم می کنند.
هیبریدهای سری : در مقابل هیبریدهای موازی , هیبریدهای سری قرار دارند. در این نوع هیبریدها موتور بنزینی ژنراتور را به حرکت در می اورد و ژنراتور می تواند باتری ها را شارژ کند یا به موتور الکتریکی قدرت بدهد که این موتور نیز به سیستم انتقال قدرت متصل است.بنابراین موتور بنزینی در هیبریدهای سری هرگز به طور مستقیم به سیستم انتقال قدرت نیرو نمی دهد.
عملكرد خودروﻯ هيبريدﻯ:
موتور بنزينى در خودروى هيبريدى معمولا كوچكتر از يك خودروى معمولى است و از اين رو بهره ورى بيشترى دارد.بيشتر خودروها براى توليد نيروى كافى براى ايجاد شتاب سريع نياز به يك موتور نسبتا بزرگ دارند.در موتورهاى كوچك بهره ورى و كارايى ميتواند توسط كوچك كردن , سبك كردن قطعات ونيز با كاهش تعداد سيلندرها بهبود پيدا كند.
چندين دليل مبنى بر اينكه چرا موتورهاى كوچكتر كارايى بالاتر و بهره ورى بيشترى نسبت به موتورهاى بزرگتر دارند وجود دارد:
● موتورهاى بزرگتر سنگينتر از موتورهاى سبكتر هستند و انرژى زيادترى در واحد زمان مصرف مى كنند (براى حالت شتاب گرفتن و بالا رفتن از يك سر بالايى)
● پيستون و ديگر اجزاى داخلي سنگين هستند و نيز انرژى زيادترى در واحد زمان نياز دارند تا در سيلندر بالا و پايين بروند.
● تغيير مان و جابه جايى در داخل سيلندرها بزرگتر است در نتيجه سوخت بيشترى براى هر سيلندر مورد نياز است.
● موتورهاى بزرگتر معمولا سيلندرهاى بيشترى دارند و هر سيلندر نيز سوخت زيادى مصرف ميكند. حتى اگر خودرو در حال حركت نباشد.
دلايل فوق توضيح مى دهد كه چرا دو مدل خودروى مشابه با وتورهاى متفاوت در ازمون سنجش نتايج متفاوتي را بدست مى اورند.اگر هر دو خودرو در حال حركت در يك اتوبان باشند و در يك سرعت برابر و معين , خودرويى كه موتور كوچكترى دارد انرژى كمترى مصرف ميكند و هر دو موتور خروجى يكسانى از قدرت را توليد ميكنند.ولي موتور كوچكتر از سوخت كمترى استفده ميكند كه به ان سرعت برسد.
اما چطور اين موتور كوچك ميتواند قدرت مورد نياز خودروى شما را در مقابل خودروهاى پر قدرت در جاده فراهم كند؟
اجازه بدهيد مقايسه اى بين خودروى مانند چوى كامارو با يك موتور v-8 بزرگ با خودروى هيبريدى ما با يك موتور گاز سوز و يك موتور الكتريكى انجام دهيد.
موتور گاز سوز در خودروى هيبريدى قدرت كافى براى حركت ماشين در يك بزرگراه دارد و موتور خودروى كامارو قدرتى بيشتر از قدرت مورد نياز براى وضعيتهاي مختلف دارد.
اما زماني كه خودروى هيبريدى نياز به شتاب داشته باشد و يا نياز به قدرت بيشترى داشته باشد(بسته به شرايط) اين موتور نياز به كمك پيدا ميكند كه اين كمك از يك موتور الكتريكى و باترى تامين مي شود.اين سيستم در صورت نياز نيروى اضافى ضرورى را فراهم ميكند. موتورهاى گاز سوز در خودروهاى معمولى براى حداكثر قدرت ممكن ساخته شده اند.درحالى كه رانندگان اين خودروها در كمتر از 1 درصد از زمان رانندگى از حداكثر قدرت موتور استفاده ميكنند.خودروهاى هيبريدى از موتورهاى كوچكترى استفاده ميكنند كه سايز اين موتورها فقط براى مقدار متوسط" حداكثر قدرت نامى" ساخته شده اند تا ماكزيمم مقدار ممكن.
در كنار كوچك بودن و كارايى بيشتر موتور در خودروهاى هيبريدى امروزه براى خودروهاى هيبريدى يك سرى فوت وفن به كار ميبرند تا بهره ورى سوخت بالا رود.بعضي از اين فوت و فن ها براى همه نوع خودرو اعم از هيبريدى و غير هيبريدى است كه به انها كمك ميكند تا كارايى بهترى داشته باشند.
ولى بعضى از اين فوت وفن ها فقط براى خودروهاى هيبريدى به كار ميرود.
يك خودروى هيبريدى ميتواند:
●انرژى را بازيابى ودر باترى ذخيره نمايد:
هنگاميكه شما پدال ترمز را فشار ميدهيد, شما در حال تلف كردن انرژى در خودرو هستيد.هر چه خودرو سريعتر رود انرژى جنبشى بيشترى دارد.ترمز كردن اين انرژى را هدر ميدهد و به شكل گرما در مى آورد.در خودروهاى هيبريدى مى توان مقدارى از اين انرژى را بازگرداند و در باترى براى استفاده مجدد ذخيره كرد.اين كار با سيستم" ترمز احياء كننده" انجام ميگيرد.در اين حالت موتور الكتريكى به مانند يك ژنراتور رفتار ميكند و ضمن كند شدن حركت ماشين اين انرژى جنبشي را صرف شارژ كردن باترى مى كند.
● بعضى وقتها موتور بنزينى خاموش ميشود:
يك خودروى هيبريدى هميشه نياز به بودن وتور نزينى ندارد.زيرا يك موتور الكتريكى و باترى نيز دارد.بنابراين بعضى وقتها مى توان موتور بنزينى خودروى هيبريدى را خاموش كرد.براى مثال زمانى كه خودرو در مقابل چراغ قرمز توقف كرده است.
● به كار بردن اصول ايروديناميك براى كاهش نيروى درگ:
وقتى كه شما در يك اتوبان رانندگى ميكنيد بيشترين نيروى موتور شما صرف مقابله با نيروى فشارى هوا ميشود.كه اين نيرو به نيروى درگ ايروديناميك موسوم است.اين نيروى درگ ميتواند به چندين روش كاهش يابد.يك راه مطمئن براى كاهش اين نيرو, كاهش ناحيه جلوى اتومبيل وبه كار بردن اصول ايروديناميك در ان است.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
همانطور كه در شكل زير مى بينيد يك suv چقدر بيشتر از يك خودروى sport فشار هوا را تحمل ميكند(ناحيه جلوى خودروى suv بيشتر از يك خودروى sport است).
كاهش اشياء خارجى روى بدنه خودرو و نيز حذف بعضى از انها ميتواند در بهبود ايروديناميك خودرو موثر باشد.براى مثال بعضى وقت ها جايگزينى ايينه ها با دوربين هاى كوچك ميتواند مفيد باشد.
● به كار بردن تايرهاى خاص : تايرهاي اكثر خودروها بهينه سازى شده اند براى سطوح صاف با كمترين نويز و چسبندگى خوبى نيز در اكثر شرايط محيطى دارند.ولى اين تايرها موجب به وجود آمدن نيروى درگ مى شوند.
خودروهاى هيبريدى از يك تاير مخصوص استفاده مى كنند كه سفت تر و پربادتر و نيز فشار زيادترى نسبت به تايرهاى معمولي دارد.نتيجه اين كار باعث كاهش نيروى درگ به نصف نسبت به تايرهاى معمولى ميشود.
● به كار بردن مواد سبك وزن: كاهش وزن كل خودرو يكي از راه هاى ساده براى افزايش راندمان و كارايى خودرو است.خودروهاى سبكترزمانى كه در حال شتاب گيرى هستند يا در حال بالا رفتن از يك سر بالايى انرژى كمترى نسبت به خودروهاى سنگينترمصرف مى كنند.مواد كامپوزيت مانند فيبر كربن يا فلزات سبك وزن مانند الومينيوم و منيزيم مى توانند در كاهش وزن خودرو به كار روند.
اكنون به تكنولوژى هيبريدى در دو خودروى هوندا insight و تويوتا پريوس ميپردازيم.
اگرچه هر دو اين خودروها جزء هيبريدهاى موازى هستند ولى تفاوتهايى با هم دارند.هر دو اين خودروها داراى موتور بنزينى و موتور الكتريكى و باترى هستند.
اجازه بدهيد از هوندا insight شروع كنيم
هوندا insight:
اين خودرو كه در اوايل سال 2000 در ايالات متحده معرفي شد.طراحى ان بر اساس بهترين كاركرد ممكن انجام شد.insight كوچك است و كم وزن و جاى 2 سرنشين و يك صندلى كودك دارد.و داراى موتور با بازدهى بالا است.insight داراى برترين رتبه سنجش EPA در ميان خودروهاى هيبريدى شد.
هوندا خودروى هيبريدى موازى است .موتور الكتريكى به موتور بنزينى متصل است.هوندا اين سيستم را "جمع كننده كمك موتور" مى نامد. Insight به صورت 5 سرعته دستى يا cvt (انتقال قدرت پيوسته اتوماتيك) است.
موتور الكتريكى insight به سه روش به موتور بنزينى كمك مى كند كه به قرار زيرند:
● به موتور بنزينى كمك مى كند و نيروى اضافى را در زمان شتابگيرى و يا بالا رفتن از سر بالايى تامين مى كند.
● سيستم"ترمز احياء كننده" را در زمان كاهش سرعت خودرو به منظور بازيابى انرژى فعال نمايد.
● موتور بنزينى را روشن می كند(حذف نياز به استارتر)
ولى موتور الكتريكى به تنهايى نمى تواند نيروى مورد نياز براى حركت خودرو را فراهم نمايد و موتور بنزينى نيز بايد روشن باشد تا موجب حركت خودرو شود.(يكي از تفاوتهاي insight با پريوس همين است, پريوس تنها با كمك موتور الكتريكي نيز ميتواند حركت كند)
هوندا براى كسب بهترين كارايى كارهايى را انجام داده كه مهمترين انها 3 كارى است كه در زير به انها اشاره مى شود.
● كاهش وزن: insight از بدنه و ساختار آلومينيومى سبك وزن ساخته شده است براى هر چه کمتر شدن وزن،وزن اين خودرو كمتر از 1900 پوند (862 كيلوگرم) است كه اين مقدار 500 پوند يا 227 كيلوگرم كمتر از سبكترين هوندا سيويك است.
● استفاده از موتور كوچك و پر بازده:
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
موتور insight كه در شكل زير مشاهده مى كنيد تنها 124 پوند (56 كيلوگرم) وزن دارد.سه سيلندر و 1 ليتر حجم دارد كه 67 اسب بخار را ر 5700 rpm توليد مى كند.اگر نيروى اضافى ناشى از موتور الكتريكى را نيز در نظر بگيريد.اين خودرو قادر خواهد بود از 0 تا 60 مايل بر ساعت را در 11 ثانيه بپيمايد.با در نظر گرفتن موتور الكتريكى نيروى موتورها به 73 اسب بخار مى رسد.(در 5700 rpm) .اگر مقايسه اى بين موتور بنزينى به تنهايى با مجموع موتور بنزينى والكتريكى انجام دهيم.به اين نتيجه ميرسيم كه موتور الكتريكى تنها 6 اسب بخار به قدرت موتور مى افزايد. در حالى كه تاثير واقعى موتور الكتريكى بيش از اين مقدار است.موتور الكتريكى در خودروى insight 10 كيلو وات است (13 اسب بخار ) در 3000 rpm .
مقدار تاثير واقعى موتور الكتريكى را مقدار ماكزيمم گشتاور روشن مى سازد:
بدون موتور الكتريكي , insight به ماكزيمم گشتاور 66 پوند – فوت در 4800 rpm مى رسد.وبا موتور الكتريكى ماكزيمم گشتاور به 79 پوند – فوت در 1500 rpm مى رسد.كه 13پوند – فوت نيز كه اختلاف اين دو گشتاور است همان تاثير واقعى موتور الكتريكي است.
● به كار بردن ايروديناميك: هوندا insight به شكل قطره اشك طراحى شده است .پشت خودرو باريكتر از جلوى ان است. چرخ هاى عقب توسط جزيى از بدنه پوشانده شده است تا شكلى صاف را تشكيل دهد و بعضي از قطعات زيرين ماشين توسط پانلهاى پلاستيكى پوشانده شده است.اين كارها باعث كاهش ضريب درگ به 0.25 مى شود. و اين خودرو جزء ايروديناميك ترين خودرو در بازار است .زماني كه شما در حال حركت در اتوبان هستيد موتوربنزينى با تمام قدرت كار مى كند .وقتى كه سرعت خود را كاهش مى دهيد(توسط ترمز كردن يا پدال گاز را شل كردن ) موتور الكتريكى مانند ژنراتور مقدارى الكتريسيته را براىشارژ باترى استفاده مى كند.
نكته ديگر در مورد insight اين است كه سيستم انتقال قدرت از موتور به وسيله كلاچ جدا شده است (مانند ساير خودروها) و اين بدين معنى است كه اگر شما در حال كم كردن سرعت خود باشيد و كلاچ را نگه داريد و يا با دنده خلاص سرعت خود را كاهش دهيد در اين صورت موتور الكتريكى و سيستم "ترمز احياء كننده" نخواهد توانست انرژى الكتريكى ناشى از اين كم شدن سرعت را به باترى بدهد.پس زمانى اين سيستم مى تواند بازيابى انرژى داشته باشد كه كم شدن سرعت خودرو در حالتى صورت گيرد كه خودرو در دنده قرار دارد.
اكنون اجازه دهيد كه نگاهى به تكنولوژى تويوتا پريوس بيندازيم كه سيستمى به كلى متفاوت از insight دارد .
مزاياى يك خودروى هيبريدى :
شما ممكن است تعجب كنيد كه چرا اشخاص به اين سيستم پيچيده علاقه دارند علیرغم اينكه بيشتر مردم با خودروهاى بنزينى خيلى راحت هستند.
دليل اين علاقه دو چيز است:
1- كاهش الايندگى
2- بهبود بهره ورى و كارايى
حال اجازه دهيد مثالى از استانداردهاى آلودگى كاليفرنيا بزنيم.كه تعيين مى كند چه مقدار از هر نوع الودگى در يك خودرو مى تواند وجود داشته باشد.اين مقدار معمولابر حسب گرم بر مايل (g/mi) بيان مى شود.براى مثال اين استاندارد بيان مى كند كه مقدار مونو اكسيد كربن در هر مايل نبايد از 3.4 گرم بيشتر باشد.
تويوتا پريوس:
تويوتا پريوس در ژاپن در اواخر سال 1997 توليد شد.تويوتا سيستم موتور و انتقال قدرت را به صورت هيبريد موازى طراحى كرده است كه تويوتا ان را سيستم هيبريدى تويوتا ناميده است كه بعضى از مزاياى هيبريدهاى سرى را نيز داراست.
يك سدان 4 در 5 نفره كه موتور و سيستم انتقال قدرت ان طورى است كه توانايى رسيدن به سرعت 15 مايل بر ساعت (24 كيلومتر بر ساعت) را فقط با موتور الكتريكى داراست.پريوس در سال 2004 در امريكاى شمالى به عنوان خودروى سال برگزيده شده است.
وزن پريوس 2900 پوند (1315 كيلوگرم) است و فضاى درونى و فضاى صندوق عقب آن از تويوتا كرولا بيشتر است.
تويوتا براى رسيدن به بهره ورى و كاهش الايندگى 2 كار را انجام داد:
● موتور بنزينى فقط زمانى كار مى كند كه به يك سرعت مشخص برسد:به عبارت ديگر براى كاهش الودگى پريوس مى تواند به سرعت 15 مايل بر ساعت (24 كيلومتر بر ساعت) بدون استفاده از موتور بنزينى برسد.موتور بنزينى فقط زمانى روشن مى شود كه خودرو از يك سرعت معين بگذرد.
● به كار بردن يك دستگاه تقسيم قدرت بى همتا:موتور بنزينى مى تواند طورى تنظيم شود تا در يك سرعت معين بيشترين بهره ورى را داشته باشد ."دستگاه تقسيم قدرت" در پريوس اجازه مى دهد كه موتور در همه زمانها در حالت بيشترين كارايى در يك رنج سرعتى خاص باشد.
پريوس داراى موتور 1.5 ليترى است كه 76 اسب بخار را در بيشينه دور 5000 دور بر دقيقه بدست مى اورد.موتور الكتريكى در پريوس داراى 67 اسب بار قدرت براى 1200 تا 1540 دور بر دقيقه است. وگشتاور 295 پوند – فوت را از 0 تا 1200 دور بر دقيقه توليد مى كند كه نيروى كافي را براى حركت خودرو بدون دخالت موتور بنزينى فراهم مى كند , موتور الكتريكى در پريوس خيلى قويتر از موتور الكتريكى در هوندا insight است.
دستگاه"تقسيم كننده قدرت" قلب پريوس است.آن يك جعبه دنده هوشمند است كه به موتور بنزينى متصل است.اين جعبه دنده به خودرو اجازه مى دهد كه مانند يك خودروي هيبريدى موازى باشد كه در آن موتور الكتريكى مى تواند به تنهايى به سيستم انتقال قدرت نيرو وارد كند و موتوربنزينى نيز مى تواند به تنهايى و يا با متور الكتريكى نيروى مورد نياز خودرو را تامين كند.
همچنين اين دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اغلب اجازه مى دهد كه خودرو مانند يك خودروى هيبريدى سرى باشد كه در آن موتور بنين مى تواند مستلا باترى ها را شارژ كند و يا نيروى مورد نياز براى چرخ ها را فراهم كند.كه اغلب مى تواند به صورت انتقال قدرت پيوسته يا cvt عمل كند كه باعث حذف نياز به انتقال قدرت دستى يا اتومات مى شود. و سرانجام چون دستگاه"تقسيم كننده قدرت" اجازه مى دهد كه ژنراتور موتور را روشن كند و اين باعث حذف نياز به استارتر مى شود .
دستگاه تقسيم قدرت يك مجموعه دنده خورشيدى است (شكل زير) موتور الكتريكى به چرخ دنده حلقه ای از مجموعه دنده متصل است و اغلب به صورت مستقيم به ديفرانسيل متصل مى گردد. بنابراين سرعت موتور الكتريكى و چرخش دنده حلقه ای سرعت خودرو را تعيين مى كند.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
ژنراتور به چرخ دنده خورشيدى از مجموعه دنده ها متصل است و موتور بنزينى يا گاز سوز نيز به حامل خورشيدى(planet carrier) متصل است.سرعت چرخ دنده حلقه ای به سه جزء گفته شده بستگى دارد.بنابراين همه اين اجزاء با هم در تمام زمانها كار مى كنند تا سرعت خروجى را كنترل كنند.وقتى شما شتاب مى گيريد ابتدا موتور الكتريكى و باترى ها تمام نيروى مورد نياز را تامين مى كنند.چرخ دنده حلقه ای كه متصل به موتور الكتريكى است همزمان با حركت كردن موتور الكتريكى مى چرخد.حامل خورشيدى كه به موتور بنزينى متصل است ثابت است زيرا موتور بنزينى هنوز روشن نشده است.زمانى كه چرخ دنده حلقه ای شروع به چرخيدن كند باعث ميشود كه ژنراتور و چرخ دنده خورشيدى نيز شروع به چرخيدن كنند.زمانى كه شتاب بيشترى مى گيريد ژنراتور با سرعتى مى چرخد كه بتواند نيروى مورد نياز براى موتور الكتريكى را فراهم كند.
هنوز موتور بنزينى فعال نشده است. وقتى به سرعت 40 مايل بر ساعت يا 64 كيلومتر بر ساعت مى رسيد موتور بنزينى نيز روشن مى شود.در حالى كه موتور بنزينى روشن است ژنراتور سرعت موتور الكتريكي را طورى تغيير مى دهد كه با سرعت موتور بنزينى تطبيق پيدا كند و در خروجى سرعت با هم برابر باشند.
همانند هوندا insight , تويوتا پريوس هرگز نياز به شارژ دوباره ندارد.زيرا ژنراتور هميشه و به طور اتوماتيك سطح شارژ در باترى ها را كنترل مى كند و در صورت كم بودن شارژ مى كند.
هم هوندا و هم تويوتا گارانتي هاى طولانى براي قطعات هيبريدى خود وضع كرده اند.هوندا 8 سال يا 80000 مايل گارانتى بيشتر قسمتهاى انتقال قدرت و موتور وتجهيزات هيبريدى را داراست و تويوتا نيز 8 سال يا 100000 مايل گارانتى باترى و سيستمهاى هيبريدى را دارد.موتور و باترى در اين خودروها نياز به هيچگونه نگهدارى وبازنگرى ندارد(اگرچه در صورت اتمام گارانتى اگر نياز به تعويض باتري ها گرفتيد ڇندين هزار دلار خرج بر مى دارد).
كسب نيروى هيبريدى مطمئنا پيچيده تر از تنها نيروى بنزينى و يا تنها نيروى الكتريكى است. در بخش بعدى بررسى خواهيم كرد كه چرا تكنولوژى هيبريدى مورد علاقه همه مشتريان و هم خودروسازان قرار گرفته است.
منبع : كانون توسعه پژوهش و فناوري مكانيك ايران
ترجیح موتور دیزل بر موتور بنزینی در خودروهای سواری
ترجیح موتور دیزل بر موتور بنزینی در خودروهای سواری
متعاقب بحران‌هاي انرژي و زيست‌محيطي به وجود آمده در ارتباط با آلودگي خودروها، بيشتر كشورهاي دنيا بويژه در اروپا و امريكا، با هدف وضع قوانين سختگيرانه مصرف سوخت و كاهش آلودگي هوا خودروسازان را در زمينه طراحي موتورهاي مناسب مجبور به تكاپو كرده‌اند. اين تلاش‌ها در مسيرهاي زير پررنگ بوده است:
الف- بهينه‌سازي موتورهاي فعلي از لحاظ سوخت و بهسوزي
ب- استفاده از سوخت‌هاي جايگزين (هيدروژن، گاز طبيعي، الكل و ...)
پ- ارتقاي موتورهايي كه مورد استقبال كمي قرار گرفته‌اند (موتورهاي ديزل).
ت- طراحي و ساخت موتورهاي هيبريدي و ارتقاي آنها
يكي از عمده مواردي كه خودروسازان، فعاليت‌هاي زيادي در ارتباط با آن انجام داده‌اند، توليد خودروهاي ديزل است.
موتورهاي ديزلي و بنزيني عمده‌ترين انواع موتورهاي درونسوز بوده و در سطحي وسيع مورد استفاده قرار مي‌گيرند. امروزه موتورهاي ديزل كه از آنها به عنوان خودروهاي سبز ياد ميشود، پيشرفت فراواني كرده‌اند. به طوري‌كه اين نوع خودروها افزون بر 50 درصد از خودروهاي اروپا را دربرمي‌گيرند. اين مقاله، شرح مختصري است از اين نوع موتورها در مقايسه با موتورهاي بنزيني.
موتورهاي چهار زمانه درونسوز اعم از موتور بنزيني و ديزلي، چهار مرحله را در هر چرخه پشت سر مي‌گذارندكه عبارتند از:
1.مكش: به داخل كشيدن هوا يا مخلوطي قابل احتراق در سيلندر
2.تراكم: متراكم ساختن مخلوط وارده به سيلندر توسط پيستون
3.احتراق يا انفجار: شعله‌ور ساختن مخلوط متراكم‌شده، انبساط گازهاي سوخته شده و توليد قدرت
4.تخليه: خروج پسماند احتراق
تفاوت موتور بنزيني و ديزل از لحاظ مراحل چهارگانه بالا، در مرحله احتراق است. در موتور بنزيني، سيستم تغذيه و تنظيم سوخت، مخلوط هوا و ماده سوختني را فراهم ميكند و به داخل محفظه سيلندر مي‌فرستد. اين كار بر اثر ايجاد خلأ در سيلندر به واسطه پايين رفتن پيستون انجام ميشود. پس از ورود مخلوط، پيستون آن را فشرده ميكند. اين مخلوط در لحظه‌اي مناسب به وسيله جرقه‌اي الكتريكي مشتعل ميشود. اين امر، باعث آزاد شدن انرژي و راندن پيستون به سمت پايين ميشود. به همين دليل، موتور بنزيني، موتور احتراق جرقه‌اي نيز ناميده ميشود.
در موتور ديزل، هواي خالص در سيلندر موتور متراكم ميشود. سپس به منظور جلوگيري از اشتعال پيش‌رس، سوخت به داخل هواي متراكم تزريق ميشود. زماني كه سوخت تزريق ميشود، به دليل فشار و دماي بالا، خودبه‌خود محترق ميشود. تا زماني كه پاشش سوخت ادامه مي‌يابد عمل احتراق نيز ادامه دارد. به همين دليل، موتور ديزل، موتور احتراق تحت فشار نيز ناميده ميشود.
اصول ترموديناميكي
چرخه‌هاي قدرت استاندارد هوا، شامل چرخه برايتون (توربين گاز)، چرخه اتو (موتور بنزيني)، چرخه ديزل (موتور ديزل) و چرخه استرلينگ (مشابه اتو) است. از چرخه‌هاي ديزل و اتو در خودروهاي ديزل و بنزيني استفاده ميشود.
چرخه‌هاي ترموديناميكي ايده‌ال
در چرخه اتو، هوا در فشار اوليه P1 و دماي T1 طي فرايند آيزنتروپيك (آنتروپي ثابت) متراكم ميشود تا پيستون به نقطه مرگ بالا (TDC) برسد. در نمودار 1 اين نقطه با شماره 2 نمايش داده شده است.
عمل احتراق طي فرايند حجم ثابت، از نقطه 2 به 3 صورت ميگيرد و انرژي حرارتي، براي انجام كار به سيستم منتقل ميشود.
در مرحله انبساط (3 به 4) هوا طي فرايند آنتروپي ثابت، منبسط شده و پيستون به سمت نقطه مرگ پايين (BDC) حركت ميكند. در اين مرحله، پيستن كار انجام ميدهد.
در مرحله تخليه كه همان مرحله 4 به 1 است، اتلاف حرارتي صورت ميگيرد.
نمودار 1: چرخه ترموديناميكي اتو
اين چرخه، داراي بازدهي است كه به صورت نسبت كار انجام شده به حرارت دريافت شده توسط سيستم تعريف ميشود و از رابطه زير به دست مي‌آيد:
rc نسبت تراكم (نسبت حجم سيلندر زماني كه پيستون در نقطه مرگ بالاست به حجم آن زماني كه پيستون در نقطه مرگ پايين مي‌باشد)
چرخه ديزل مشابه چرخه اتو است با اين تفاوت كه در مرحله احتراق، مطابق شكل 1 (نقطه b به c) فرايند فشار ثابت است. در شكل 1، روابط ترموديناميكي حاكم بر فرايندها، نوشته شده و قابل استفاده براي محاسبه بازده است.
شكل 1: چرخه ترموديناميكي ديزل
در چرخه ديزل، بازده از رابطه زير به دست مي‌آيد:
كه در آن:
نسبت حجم بين پايين و شروع احتراق است.
در مقايسه چرخه‌هاي اتو و ديزل، ميتوان گفت كه رواب فوق نشان مي‌دهند با توجه به اينكه
بزرگتر از يك است، براي نسبت تراكم يكسان بازده چرخه ديزل كمتر از چرخه اتو بوده، اما براي كار خروجي و فشار ماكزيمم يكسان، بازده چرخه ديزل بيشتر است.
ناگفته نماند كه روابط و بازده به دست آمده از روابط فوق، تخميني بسيار خوش‌بينانه و نسبتا دور از واقعيت از موتورهاي واقعي است. دلايل اين امر عبارتند از:
الف- در اين روابط برخلاف شرايط واقعي از حرارت تلف‌شده در مرحله تراكم و انبساط صرف نظر شده است.
ب- سيال چرخه‌هاي فوق، هواي خالص است، در صورتي‌كه در شرايط واقعي، سيال مخلوطي از هوا و سوخت بوده و گرماي ويژه آن تابعي از فشار سيلندر، دما، نسبت هوا به سوخت و ديگر عوامل است.
پ- در شرايط واقعي، به‌رغم چرخه ايده‌آل، احتراق در فشار ثابت (چرخه ديزل) يا حجم ثابت (چرخه اتو) اتفاق نمي‌افتد.
ت- در موتور واقعي، تغيير مخلوط سوخت و هوا به محصولات شيميايي متفاوت، توان خروجي را كاهش ميدهد و فرايند دريافت حرارت در حجم ثابت صورت نمي‌گيرد.
ث- در چرخه‌هاي ايده‌آل موتورهاي چهارزمانه، كار تلف شده هنگام مكش سيال به داخل سيلندر و راندن دود به خارج آن، مدنظر قرار نمي‌گيرد.
ج- در حالت واقعي چرخه اتو، احتراق به صورت لحظه‌اي رخ نمي‌دهد.
چ- در روابط فوق، هيچ اثري از اتلافات اصطكاكي مشاهده نمي‌شود.
با وجود اين خطاها، استفاده از روابط ياد شده براي تخمين‌هاي كلي و مقايسه دو چرخه، كاري مناسب است.
چرخه واقعي موتور بنزيني، مشابه چرخه اتو بوده، اما چرخه موتور واقعي ديزل را نمي‌توان كاملا با چرخه ديزل (احتراق فشار ثابت) مشابه‌سازي كرد. چرخه ديزل بيشتر مشابه چرخه احتراق دوگانه يا چرخه تركيبي است. نمودار فشار- حجم اين چرخه كه تركيبي از چرخه‌هاي اتو و ديزل است، به صورت شماتيك در نمودار 2 نشان داده شده است.
نمودار 2: نمودار فشار- حجم چرخه دوگانه يا تركيبي استاندارد هوا
چرخه‌هاي ترموديناميكي واقعي
در نمودار 3، دياگرام چرخه‌هاي واقعي موتور بنزيني و ديزل نشان داده شده است. براساس اين نمودار، نسبت تراكم موتور بنزيني از موتور ديزل كمتر است. اين نمودارها را ميتوان با چرخه‌هاي ايده‌آل استاندارد هوا، مقايسه كرد.
نمودار 3: دياگرام فشار- حجم نمونه‌اي از موتورهاي واقعي بنزيني: (الف) و ديزل (ب)
احتراق در موتور ديزل، يكي از فرايندهاي اساسي بوده و عامل اصلي تفاوت آن با موتور بنزيني است. به همين علت نيازمند شرحي دقيق‌تر در زمينه فرايندهاي چرخه موتور ديزل و بويژه فرايند احتراق در آن خواهيم بود.
مطابق نمودار 3، فرايند احتراق به صورت اسمي از نقطه C يعني زمان پاشش سوخت به داخل سيلندر شروع شده و تا نقطه D ادامه مي‌يابد. سوخت، پس از پاشيده شدن در محفظه احتراق، به علت دماي بالاي سيلندر، خودبه‌خود مشتعل شده و عمل احتراق انجام ميشود. براي احتراق كاملتر، سوخت به صورت ذره‌اي تزريق ميشود. يعني تمامي سوخت در يك لحظه به سيلندر پاشيده نمي‌شود. به‌علاوه، زماني نيز براي عمليات اختلاط سوخت با هوا، تبخير و شروع به احتراق، صرف ميشود. بنابراين، عمل سوختن در مدتي طولاني ادامه دارد، به‌طوري كه به پايين رفتن پيستون و ازدياد حجم، از فشار احتراق كاسته نمي‌شود. به بياني ديگر، ادامه احتراق در زمان طولاني‌تر بزرگ شدن حجم را جبران ميكند. لذا از نظر تئوري، موتور ديزل را موتور فشار ثابت مي‌گويند. به علت تداوم تزريق سوخت، فشار زمان قدرت تقريبا ثابت بوده و پيستون تا مدت بيشتري تحت تاثير فشار احتراق باقي مي‌ماند. اين حالت در نمودار 3 از نقطه مرگ بالا تا نقطه D ادامه دارد. از آنجا كه در موتور ديزل، احتراق به صورت خودبه‌خودي يعني بدون جرقه شمع يا منبعي ديگر انجام ميشود، سيستم سوخت‌رساني بايد
داراي شرايط زير باشد:
الف- سوخت، به مقدار كاملا دقيق نسبت به بار موتور، ارسال شود.
ب- شروع تزريق، كاملا صحيح تنظيم شود
پ- مدت تزريق، كاملا حساب شده باشد
ت- سوخت به شكل كاملا ذره‌اي يا به صورت گرد تزريق شود
ث- ذرات سوخت در تمام فضاي اتاق احتراق پخش شوند
ج- كيفيت سوخت و احتراق به گونه‌اي تنظيم گردد كه بازده حرارتي، حداكثر شود. يعني دود خروجي از اگزوز داراي حداقل هيدروكربور نسوخته باشد.
چ- مقدار تزريق سوخت با توجه به مدت پاشش و نحوه احتراق، به‌گونه‌اي هماهنگي داشته باشد كه زمان احتراق نسبتا طولاني بوده و با ازدياد حجم موتور به هنگام پايين رفتن پيستون، فشار ثابت بماند.
احتراق و پاشش سوخت در موتور ديزل، داراي سه مرحله ذيل است:
1. مرحله تاخير احتراق: در اين زمان، سوخت به صورت بخار درآمده و با هوا مخلوط ميشود. ميل‌لنگ در شروع پاشش، حدود 22 تا 30 درجه قبل از نقطه مرگ بالاست. البته در موارد جديدتر، اين مقدار به حدود 15 درجه كاهش يافته است.
2. مرحله شروع احتراق: به علت وجود نقاط گرم محترق‌كننده، بخار سوخت مخلوط‌شده با هوا به سرعت مي‌سوزد. احتراق، اندكي قبل از نقطه مرگ بالا شروع ميشود (حدود 5 درجه زاويه ميل‌لنگ نسبت به نقطه مرگ بالا) و وقتي پيستون به نقطه مرگ بالا مي‌رسد، احتراق اوليه كامل شده و فشار سيلندر به حداكثر مقدار خود مي‌رسد.
3. مرحله ادامه احتراق: سوخت‌هايي كه ديرتر تزريق ميشود، با ذرات سوختي كه هنوز كاملا نسوخته و نيز اكسيژن هوا مخلوط شده و عمل احتراق را تا مدتي طولاني ادامه مي‌دهند.
برتري‌هاي موتور ديزل به موتور بنزيني
امروزه، خودروهاي سواري ديزلي بر خودروهاي بنزيني پيشي گرفته‌اند. اين موضوع ناشي از مزاياي قابل توجه اين نوع موتورهاست كه برخي از آنها عبارتند از:
1. در موتور ديزل، به علت متراكم شدن هوا، احتراق به صورت خودبه‌خودي صورت ميگيرد، اما در موتور بنزيني، به علت متراكم شدن مخلوط سوخت و هوا، افزايش فشار سيلندر در مرحله تراكم با محدوديت مواجه است. نسبت تراكم در موتور ديزل حدود 1:18 و در موتور بنزيني حدود 1:10 است.
2. موتور ديزل، با مصرف سوخت و آلودگي كمتر، توان و گشتاور بيشتري توليد ميكند (نمودار 4).
همانطور كه در نمودار4 ديده ميشود، خودروهاي سواري ديزلي با وزن حدود 1300 كيلوگرم، در مقايسه با خودروهاي بنزيني حدود 28 درصد كاهش مصرف و آلايندگي دي‌اكسيد كربن دارند. هر چه وزن خودروها بيشتر شود، اين اختلاف چشمگيرتر است.
نمودار 4: مقايسه مصرف سوخت و انتشار CO2 ودروهاي بنزيني و ديزل براساس وزن آنها
در شكل 2، مقايسه‌اي بين دو نوع خودروي مرسدس بنز مشابه با مدل‌هاي E240 (بنزيني) و E270CDI (ديزل) انجام شده است. در نمودار ميله‌اي شكل 2، قسمت‌هاي تيره‌تر مربوط به خودروي ديزل و قسمت‌هاي روشن‌تر مربوط به خودروهاي بنزيني است. شكل ظاهري اين دو و، تقريبا يكسان است. همانطور كه در نمودار شكل 2 ديده ميشود، با توان يكسان، خودروي ديزلي گشتاور بيشتري توليد ميكند. همچنين ميزان مصرف سوخت و آلايندگي در خودروي ديزلي برتري قابل‌توجهي دارد. تنها سرعت حداكثر و شتاب‌گيري موتور بنزيني، بهتر است كه البته ميزان اين اختلاف بسيار اندك است.
شكل 2: مقايسه فني خودروي بنز با مدل‌هاي E240 (بنزيني) و E270CDI (ديزل)
در موتور ديزل، نيازي به شمع براي ايجاد جرقه نيست.
3. موتور ديزل، قابليت تطابق با سوخت‌هاي بيشتري را دارد. از جمله اين موارد، Biomass است كه نمونه‌اي از آن روغن‌هاي خوراكي مصرف شده است.
4. سوخت ديزل به علت سنگين بودن، با نسبت سوخت به هواي بسيار كم (حدود 04/0) نيز احتراق كامل صورت ميگيرد.
5. ديزل، ارزانتر از بنزين است. در كشور ما اين موضوع به وضوح مشهود بوده و در كشورهاي اروپايي نيز مورد توجه است. نمودار 5، مقايسه قيمت بنزين و سوخت ديزل را نشان ميدهد.
نمودار 5: مقايسه قيمت سوخت ديزل و بنزين در اروپا و امريكا
امروزه مفهوم استفاده از موتورهاي ديزل آن‌طور كه بايد جا نيفتاده است. نه‌تنها مزاياي موتور ديزل زياد است بلكه دقت ساخت اين نوع موتورها نيز بسيار بالاست. از سوي ديگر، نگهداري از موتورهاي ديزل مشكل بوده و در صورت صدمه ديدن اجزاي موتور، هزينه‌هاي تعمير آن زياد مي‌باشد. اين موارد، قيمت اوليه موتور را بالا مي‌برد. به‌رغم اذعان استفاده‌كنندگان موتور ديزل كه از كاركرد موتور، مصرف كم و هزينه‌هاي اندك آن بسيار راضي هستند، اين موضوع به طور چشمگيري بر ديدگاه مشتريان براي ترجيح در خريد خودروي ديزلي يا بنزيني، تاثير مي‌گذارد.
در اين زمينه به جاي موضوع فوق، چند موضوع زير را بايد در ديدگاه مشتريان پررنگ‌تر كرد:
الف- قيمت اوليه موتور ديزل، بيشتر از موتور بنزيني است.
ب- مزاياي استفاده از سوخت ديزل در مقايسه با بنزين در راستاي منافع اقتصادي كشور، قابل توجه است.
پ- قيمت سوخت ديزل بسيار كمتر از بنزين است.
ت- با سوخت ديزل مسافت بيشتري را ميتوان با خودرو طي نمود.
ث- موتور ديزل، پتانسيل بيشتري براي استفاده از سوخت‌هاي تجديدپذير نظير Biomass دارد.
تمامي موارد فوق نشان مي‌دهند كه به‌رغم تعبير اوليه مشتريان از قيمت بالاي خودروهاي ديزلي، اين نوع خودروها اقتصادي‌تر هستند. مثال زير نيز اين موضوع را به‌خوبي نشان ميدهد. براي دو مدل مقايسه شده در شكل 2 مقايسه‌اي قيمتي نيز انجام شده است.
خودروي ديزل مرسدس بنز E270CDI حدود 700 يورو گران‌تر از خودروي بنزيني مرسدس بنز E240 است. مصرف سوخت مدل ديزلي 5/6 ليتر در 100 كيلومتر بوده، اما مصرف سوخت مدل بنزيني 7/10 ليتر در 100 كيلومتر است. قيمت سوخت در اروپا به ازاي هر ليتر براي سوخت ديزل 89/0 يورو و براي بنزين 03/1 يورو است. با فرض اينكه اين دو خودرو در سال 15 هزار كيلومتر مسافت طي كنند. مبلغ 700 يورو پس از يك‌سال جبران شده و از سال دوم، خودروي ديزل به صرفه‌تر خواهد بود.
نتيجه‌گيري
پيشتازان خودروي ديزل در دنيا، اروپا، امريكاي شمالي و ژاپن هستند و استفاده از اين خودرو با توجه به مزاياي آن با سرعت چشمگيري رو به افزايش است. با اين تفاسير ديري نمي‌پايد كه ايران نيز به ناچار به اين سمت حركت ميكند. لذا به نظر مي‌رسد از هم‌اكنون بايد مبناهاي حركتي به سمت تكنولوژيهاي خودروي ديزل، فراهم آيند. در كشور ما، گازوئيل به عنوان سوخت ديزل از مرغوبيت بالايي برخوردار نيست. بالا بودن ميزان سولفور در گازوئيل، باعث استهلاك زودرس موتور و بوي نامطبوع خروجي آن است. اين موارد باعث مي‌شوند تا خودروي ديزل پس از مدتي برتري‌هاي خود را در مقايسه با خودروي بنزيني از دست داده و عملكرد بدي پيدا كند. بنابراين، براي استفاده از خودروهاي ديزل در ايران، لازم است زيرساخت‌هايي فراهم شود تا گازوئيل با سولفور بسيار پايين و مطابق با استانداردهاي جهاني توليد شود. از طرفي ديگر، چون خودروهاي ديزل با سوخت CNG نيز همخواني دارند، استفاده از موتورهاي ديزل با ديگر مسائل جاري، تقابلي ايجاد نمي‌كند.
از ديدگاهي ديگر، چون ژاپن از لحاظ تحقيقات تكنولوژيك در زمينه موتورهاي ديزل ژاپن پيشتاز است، به نظر مي‌رسد كه در كنار عمليات صنعتي، بخش تحقيقات دانشگاه و صنعت نيز بايد شروع به فعاليت كرده و از عمليات اجرايي صنعتي پيشي بگيرند.
منبع : ماهنامه صنعت خودرو
خودروهاي هيبريدي و كاربرد باتريهاي دوقطبي
خودروهاي هيبريدي و كاربرد باتريهاي دوقطبي
خودروي هيبريدي ماشيني است كه حداقل از دو نوع منبع انرژي براي حركت بهره مي گيرد. در نسل جديد خودروهاي هيبريدي دو موتور سوختي و برقي، نيروي محركه لازم براي حركت را فراهم مي كنند. در اين خودروها، برق مصرفي موتور برقي از طريق نسل جديد باتريها، يعني باتريهاي دوقطبي حاصل مي شود. موتور سوختي منبع اصلي انرژي محركه ماشين بوده و باتري به عنوان يك منبع كمكي عمل مي كند و در مواقعي كه خودرو به انرژي بالايي براي حركت و يا شتاب گرفتن نياز دارد، موتور برقي نيز به صورت خودكار به كار مي افتد. در مواقع عادي، انرژي اضافي حاصل از موتور سوختي از طريق دينام در باتري ذخيره مي شود و به اين طريق اتلاف انرژي موتور سوختي به شدت كاهش يافته، مصرف سوخت كمتر شده و آلودگي هوايي ناشي از خودروها كاهش مي يابد.
فكر استفاده از برق براي تأمين انرژي حركت خودروها به چند دهه قبل بر ميگردد. برق لازم براي خودروهاي برقي مي تواند از برق شهر (براي خودروهاي داخل شهر مثل اتوبوس وقطار برقي)، باتري و يا پيلهاي سوختي تأمين شود. به عنوان مثال در سال 1964 ميلادي در كشور ژاپن، كل نيروي محركه يك كشتي از طريق پيل سوختي تأمين مي شد. باتريهاي قابل شارژ يكي از منابع بسيار مورد علاقه براي تأمين انرژي در خودروهاي برقي هستند. مشكل اصلي استفاده از باتري در خودروهاي برقي، وزن بالاي باتري جهت فراهم ساختن انرژي لازم براي حركت مي باشد. بنزين چگالي انرژي بسيار بالاتري نسبت به باتري دارد. براي مثال از لحاظ توليد انرژي هر يك كيلو گرم بنزين معادل يك باتري سرب-اسيد با وزن 142 كيلوگرم عمل مي كند. مسأله ديگر در كاربرد باتري، زمان لازم براي شارژ آنهاست كه در اين مدت ماشين بايد در يك مكان متوقف شود تا باتري آن شارژ شود. براي خودروهاي برقي معمولي كه از باتري استفاده مي كنند، زمان شارژ بسيار بيشتر از زماني است كه خودرو در حال حركت است گاهي براي تأمين انرژي يك ساعت حركت، زمان شارژ به بيش از 10 ساعت مي رسد. به خاطر اين مشكلات استفاده از باتري به عنوان نيروي محركه خودروهاي برقي معمولي توسعه چنداني پيدا نكرده است. موتورهاي برقي در خودروهاي داخل شهري مثل قطار و اتوبوس برقي و بويژه در خودروهاي صنعتي نظيز ليفتراك كاربرد دارد. خودروهاي برقي صنعتي مزاياي متعددي دارند كه از جمله ميتوان به تمييزي، بي سروصدايي و قيمت كمتر نسبت به انواع مشابه سوختي اشاره كرد. تا چند سال اخير فقط يك راه براي شارژ مجدد ماشين برقي به كمك يك شارژر استاندارد وجود داشت كه خودرو مجبور بود تا براي مدت طولاني در يك فضاي خاص توقف كند. ولي در حال حاضر با پيشرفت تكنولوژي، شارژرهايي توليد شده اند (Posicharger) كه بسيار كوچكتر بوده و مي تواند توسط خود ماشين حمل شده و در جايي كه لازم است ماشين توقف كرده و باتري را شارژ كند. مزيت ديگر اين شارژرها توانايي آنها در كاهش زمان شارژ است. اين نوع از شارژرها تك خروجي بوده و در يك زمان مي توانند فقط يك ماشين را شارژ كنند ولي نوع جديدتر آنها داراي چندين خروجي هستند كه مي توانند همزمان چند باتري را شارژ كنند.
براي كاهش وزن باتري، بايد از مواد فعال با چگالي انرژي بالا استفاده شود. ولي تهيه چنين مواد فعالي چندان ساده و عملي نيست. از جمله باتريهايي كه بيشترين مصرف را در اين زمينه دارند باتريهاي سرب-اسيد هستند كه با توجه به ماهيت مواد فعال آنها، اين باتريها وزن بالايي دارند. يكي از تكنولوژيهاي روز دنيا براي كاهش وزن باتريها، استفاده از ساختار دو قطبي در باتريها مي باشد. در باتريهاي معمولي هر الكترود يا آند (قطب منفي) باتري بوده و يا كاتد (قطب مثبت) باتري را تشكيل مي دهد. ولي در يك باتري دو قطبي، يك الكترود دوقطبي هم نقش كاتد وهم نقش آند باتري را بازي مي كند به اين صورت كه يك سطح آن آند و سطح ديگر آن كاتد باتري خواهد بود [1].
در يك خودروي معمولي، سوخت تنها منبع انرژي براي حركت آن است. در اين خودروها بخش عمده انرژي سوخت تلف مي شود. توليد گرما يكي ارز راههاي اتلاف انرژي در اين خودروها است. اما مسأله كيفيت سوختن در اين خودروها بويژه در مواقعي كه دور موتور افزايش مي يابد بايد مد نظر قرار داده شود. در حالت عادي ، احتراق در خودروهاي معمولي ، ناقص بوده و بخش عمده انرژي سوخت هدر مي رود و با افزايش دور موتور و افزايش ميزان سوخت ورودي به موتور، كيفيت سوختن به شدت پايين آمده و اتلاف انرژي بيشتر مي شود. اين مسأله در خودروهاي قديمي بسيار جدي است.
سوخت مصرفي خودروها اعم از بنزين، گازوئيل و گاز طبيعي شامل هيدروكربنهاي آلي است كه بخش عمده آنها هيدروكربنهاي آليفاتيك سير شده با فرمول عمومي CnH2n است كه داراي سه نوع واكنش شيميايي سوختن مي باشند.
(1) سوختن کامل
دی اکسیدکربن می دهد.
nCO2 + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + 3n/2 O2
(2) سوختن ناقص
مونواکسیدکربن می دهد.
nCO + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + 2 O2
(3) سوختن بسیار ناقص
دوده می دهد.
nC + nH2O + Heat
نتیجه می دهد
CnH2n + n/2 O2
در موتورهاي سوختي، هنگام احتراق واكنش سوختن (2) و (3) و به ميزان كمتري واكنش (3) اتفاق مي افتد. هر چه نسبت هواي ورودي به سوخت نامناسب باشد، سهم واكنش (3) غالب شده و آلودگي ناشي از خودرو بيشتر خواهد شد. هنگامي كه دور موتور بالا باشد، سهم واكنش (3) در احتراق افزايش يافته و علاوه بر اتلاف انرژي به صورت گرما، مقدار كل انرژي حاصل از سوخت به علت سوختن ناقص، كاهش خواهد يافت. هنگامي كه يك خودرو به دليل احتراق ناقص دود مي كند ، در حجم برابر از سوخت ، مقدار حجم گاز حاصل از احتراق در سيلندر كمتر است به همين دليل توان حركت پيستونهاي موتور كه ناشي از افزايش حجم محصولات حاصل از احتراق است كاهش مي يابد به عبارت ساده تر ميزان كل انرژي حاصل از احتراق كاهش مي يابد. كاهش ميزان CO و CO2 در خروجي خودروها مسأله بسيار مهمي در سياستهاي آلودگي زدايي از هوا بويژه در شهرهاي بزرگ است. بنابراين بايد شركتهاي خودروسازي اهميت بيشتري به اين مشكل داده و سعي كنند تا در رفع آن تحقيقات بنيادي انجام دهند. هنگامي كه خودرو از انرژي احتراق استفاده مي كند به اجبار بايد يكسري گاز حاصل شود ، از لحاظ آلودگي و سميت بهتر است كه كيفيت احتراق افزايش يافته و سهم واكنش (1) در سوختن بيشتر شود تا گازهاي خروجي بيشتر شامل CO2 باشد وسهم CO در آن كمتر شود چون CO يك گاز سمي و خفه كننده به شمار مي آيد ، به اين دليل كه اين گاز مي تواند از طريق كيسه هاي هوايي شش هاي انسان وارد گردش خون شده و با هموگلوبين گلبولهاي قرمز كه مسئول حمل اكسيژن (O2) هستند تركيب شود و ظرفيت حمل اكسيژن را كاهش مي دهد . ولي CO2 اين سميت را ندارد مطلوب اين است كه ميزان كل خروجي خودرو اعم از CO2 و CO كاهش يابد كه اين مستلزم استفاده از موتورهايي با كارآيي بالا است كه بتواند انرژي بيشتري از فرايند احتراق توليد كنند و ميزان اتلاف انرژي كاهش يابد . يكي از راههاي حل اين مشكل ساخت خودروهاي هيبريدي برقي است كه در آن گازهاي آلاينده خروجي و مصرف سوخت بسيار پايين است.
در خودروهاي هيبريدي سوختي-برقي، كيفيت سوختن از طريق استفاده از موتورهايي با حجم كمتر و تكنولوژي برتر بهبود يافته و براي تأمين انرژي زياد در مواقع ضروري به جاي افزايش شديد در دور موتور سوختي، موتور برقي به صورت خودكار به كار افتاده و انرژي لازم براي شتاب خودرو را فراهم مي آورد. و در حالت عادي كه انرژي كمتري براي حركت نياز است، انرژي اضافي حاصل از موتور سوختي در باتري ذخيره مي شود تا در مواقعي كه نياز به انرژي بالا وجود دارد، از طريق موتور برقي مصرف شود.
يك خودروي هيبريدي يك موتور بنزيني و يك موتور برقي دارد. موتور بنزيني آن مشابه موتور بنزيني در خودروهاي معمولي عمل مي كند ولي موتور بنزيني در خودروهاي هيبريدي كوچكتر بوده و از تكنولوژي پيشرفته اي براي كاهش خروجي و افزايش كارآيي برخوردارند. موتور برقي در خودروهاي هيبريدي بسيار پيشرفته است. الكترونيك پيشرفته اجازه مي دهد كه آن به عنوان يك موتور مولد خوب عمل كند. وقتي كه نياز باشد انرژي را از باتري گرفته و به ماشين شتاب مي دهد. و از مصرف زياد سوخت و ايجاد آلودگي ناشي از سوختن ناقص جلوگيري مي كند. خودروهاي هيبريدي ساخت شركتهاي هوندا و تويوتاي ژاپن به ازاي هر ليتر بنزين 8/04 تا 10/73 كيلومتر بيشتر از خودروهاي معمولي راه ميروند. در سري جديد خودروهاي هبيريدي شركت هوندا با نام Insight ميزان طي مسير به ازاي هر ليتر بنزين 7/37 كيلومتر است به عبارت ديگر ميزان مصرف بنزين به ازاي هر 100 كيلومتر در اين خودروها فقط 2/65 ليتر مي باشد.
نمونه اي از ساختارهاي هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا در شكل 1 ارائه شده است[2]:
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شكل 1. ساختار هيبريدي طراحي شده توسط شركت تويوتا
يكي از اجزاي اصلي و مهم در خودروهي هيبريدي منبع تأمين برق آن است كه بايد بتواند توان لازم براي شتاب دادن به خودرو را فراهم آورد. باتريهاي دوقطبي مهمترين منبع براي تأمين برق اين خودروها مي باشند. باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد و نيكل-نيكل هيدريد بيشترين كاربرد را در موتور برقي خودروهاي هيبريدي دارند. باتريهاي دوقطبي نيكل-نيكل هيدريد كارآيي و چگالي انرژي بالاتري نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد دارند اما به دليل قيمت بالاتر و فناوري پيچيده تر نسبت به باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد كمتر استفاده مي شوند.
سابقه استفاده از باتريهاي سرب-اسيد معمولي به 140 سال پيش بر مي گردد ولي هنوز هم بخش عمده اي از تحقيقات باتري در دنيا به اين نوع از باتريها اختصاص دارد. سابقه تحقيق درباره باتريهاي دوقطبي سرب-اسيد به چند سال اخير مربوط است و از جمله فنآوريهاي روز دنيا به حساب مي آيد. تاكنون در ايران گزارشي در زمينه اين نوع از باتريها ارائه نشده است.
نمونه اي از باتريهاي دوقطبي مورد استفاده در خودروهاي هيبريدي در شكل 2 ارائه شده است اين باتري 75 ولت بوده و توان توليد انرژي آن 1/2 کیلو وات بر ساعت است.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شكل 2. تصوير بيروني يك نوع باتري دوقطبي 75 ولت با توان KWh2/1 براي خودروهاي هيبريدي
ساختار كلي باتريهاي دوقطبي نيز مشابه بقيه باتريها از چند قسمت اصلي تشكيل شده است:
1. ماده فعال آندي
2. ماده فعال كاتدي
3. جمع كننده جريان آندي
4. جمع كننده جريان كاتدي
5. الكتروليت
6. بدنه باتري
قسمت اصلي كه باعث ايجاد اختلاف بين باتري دوقطبي و باتريهاي معمولي مي شود، الكترود دوقطبي است كه در باتريهاي دوقطبي استفاده مي شود. در يك باتري معمولي يك الكترود مي تواند فقط آند يا كاتد باشد ولي الكترودهاي دوقطبي باتريهاي دوقطبي نقش آند وكاتد را بر عهده دارند. يك سطح انها شامل مواد فعال آندي و سطح ديگر آنها شامل مواد فعال كاتدي مي باشد. نكتة مهم در اين باتريها ساختار آنها است كه بسيار پيچيده تر از باتريهاي معمولي است. ساختار آنها بايد به گونه اي طراحي شود كه هيچ گونه ارتباط الكتروليتي بين دو طرف يك الكترود دوقطبي برقرار نشود. ايجاد اين نوع ارتباط باعث از كار افتادن باتري خواهد شد. در حالي كه در يك باتري معمولي مي توان تمام الكترودها را داخل يك ظرف الكتروليت قرار داد. دو نمونه از ساختار باتريهاي دوقطبي در شكل 3 [1] و شكل 4 [3] ارائه شده است .
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شكل 3. ساختار يك نوع باتري دوقطبي با الكترود دوقطبي استيل ضد اسيد برگرفته شده از مرجع [1]
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شكل 4. ساختار يك باتري دوقطبي با الكترود دوقطبي پلي اتيلن دوپه شده با كربن برگرفته شده از مرجع [3]
منبع :
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
