Hybrid hajtású járművek

Átírás

1 Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései 19. EA. Hybrid hajtású járművek Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens ÓE - Mechatronikai és Autótechnikai Intézet

2 Alternatív lehetőségek napjainkban A környezetbarát autó Hidrogén Biodízel Kombinált Közvetlen befecsk. Common rail CNG Párhuzamos Villanymotor Szegény keverék Elektr. szabályozás LPG Soros (Akku) Dízelmotor Benzinmotor Alternatív hajtóanyag Villamos és hibridhajtás T.anyagcella

3 Térfogat/ energia Hatásfok Töltési idő Tömeg/energia Biztonság Előfordulás Zajkibocsátás Ezeken kívül: Infrastruktúra Előállítási költségek Környezetszennyezés hatósugár üzembiztonság divat stb. Alternatív lehetőségek értékelési szempontjai

4 Mi lenne az ideális kombináció? Hajtóanyag: HIDROGÉN előállítás: vízből nap-, szélenergiával (?) égéstermék: víz Energiaátalakítás: TÜZELŐANYAG-ELEM jó hatásfok (~60 %) kis hőmérséklet (~80 C) Járműhajtás: VILLANYMOTOR nulla szennyezés visszatáplálás

5 Hidrogén ideális körfolyamata forrás:

6 A Hidrogén előállítás folyamata

7 Miért nem jó a hidrogén gáz állapotban? a gáznemű tüzelőanyagok tárolása nehézkes: gáz: nagy nyomás bar folyadék: kis hőmérséklet -150 C alatt (földgáz), -250 C alatt(h2) fémhidridek

8 Hibrid autók

9 Owen Magnetic, 1914 A hibridhajtású járművek régen és ma 1900 Bécs: Lohner-Porsche Mixte, az első hibridautó Villamos kerékagymotor + 2 db 2 kw teljesítményű benzinmotor+generátor 1970-től:egyre fokozódó mértékben fejlesztik a hibridhajtást. 1997: első modern sorozatgyártású hibridautó

10 Jól kiépített infrastruktúra mellett egy villamos modell napi 160 kilométert is meg tudott tenni egyetlen feltöltéssel Az akkori benzineseknek gyakran meg kellett állni, hogy lehűtsék a motort, kb. 30 kilométereként. Sok helyre be se hajthattak, mivel a zaj megijesztette a lovakat. A benzines járművek sokáig nem voltak képesek nagyobb emelkedő leküzdésére A gőzhajtású járművek labdába se rúghattak, max. 20 kilométer után vizet, kilométerenként pedig fűtőanyagot kellett vételezni. Az elektromos áram a századfordulón sokkal drágább volt, mint a benzin. Kanadában 1 kwh energia 20 centbe került, egy gallon benzin csak 5-be. Az elektromos autó végét az olcsón előállított Ford T-Modell jelentette. Elektromos, külső-, vagy belső- égésű?

11 A járművekkel szembeni elvárások Amerikában a XX. század fordulóján Legyen olcsó, hogy a vidéki farmer és a városi munkás is megvehesse Legyen elegendő nyomaték - teljesítmény az induláshoz és a hegymenethez (az emelkedők komoly kihívást jelentettek!) Minél kisebb zaj (akkoriban sok volt a ló vontatású jármű) Könnyű kezelhetőség és üzemeltetés Megbízható elindítás, megállítás, fordulatszám szabályozás Alacsony és magas fordulaton is stabil üzem A korabeli terepviszonyoknak megfelelő futómű Utazási kényelem a rázós út nélküli terepen is Tartalék alkatrész ellátás egyszerű házilagos javíthatóság Az időjárásnak ellenálló karosszéria Az utazáson kívül más gép (szivattyú, fűrész, stb) hajtása

12 Amit kevésbé fontos szempontnak tekintettek Környezetvédelem Biztonság Sebesség Gyorsulás Üzemanyag fogyasztás A tulajdonos egyéniségének ego.??? -jának társadalmi helyzetének kifejezése Amint látjuk éppen azok a szempontok, amelyek a mai járműtervezőket a legtöbb kompromisszumra kényszerítik.

13 Járműhajtások lehetséges rendszerei Hajtás a. felső-vezeték b. akkumulátor (csere) c. belsőégésű motor d. felsővezeték+ akkumulátor e. akkumulátor (töltés) f. soros hibrid g. párhuzamos hibrid

14 Hibridhajtások csoportosítása

15 Soros hibridhajtás A belsőégésű motor nincs közvetlen kapcsolatban a hajtott kerekekkel

16 Párhuzamos hibridhajtás Mind a villanymotor, mind a belsőégésű motor mechanikus kapcsolatban van a hajtott kerekekkel

17 Vegyes hibridrendszerek Kombinált: olyan soros elrendezés, melyben a belsőégésű motor egy tengelykapcsoló zárásával közvetlenül is hajthatja a kerekeket. Teljesítményelágazásos: A belsőégésű motor nyomatéka bolygóműben kettéágazik; az egyik ág mechanikusan, a másik ág generátor-villanymotor áttételen keresztül hajthatja a járművet.

18 A belsőégésű motor és a villanymotor teljesítményaránya

19 Villamos energiatárolók A benzin fajlagos energiasűrűsége: > W h/kg

20 Belsőégésű motor optimális tartományai Kedvezőtlen üzemmódok: alapjárat, kis teljesítmény, dúsításos gyorsítás, dúsításos nagy teljesítmény

21 Mikrohibrid Törpefeszültségű hibrid: 14( 42) V feszültség Szerkezeti jellemzők Üzemmódok CO 2 és fogyasztáscsökkenés 5 10 % Károsanyagkibocsátás-csökkentés Menettulajdonságok Másodlagos előnyök Példák -ékszíjhajtású villamos gép az indítómotor és a generátor helyett -a jármű és a motor gyakorlatilag változatlan -az ékszíjhajtás korlátozza a villamos gép teljesítményét -start-stop üzemmód, gyorsindítással -kismértékű fékenergia-visszatáplálás -esetleg klimatizálás álló motornál -rövidebb indítási folyamat -álló járműnél a katalizátor kevésbé hűl ki, mert nincs a katalizátorban gázáramlás -változatlanok, álló helyzetben zajtalan a jármű -nagyobb generátorteljesítmény a fedélzeti fogyasztók részére -érintésvédelem szempontjából kedvező -Citroen C3 Stop & Start -GM-Saturn BAS -Toyota Crown THS-M

22 Mildhibrid Kisfeszültségű hibrid: 42 V feszültség Szerkezeti jellemzők Üzemmódok a főtengellyel közvetlen kapcsolatban álló villamos gép (integrált indítómotor és generátor) nagyobb indítónyomaték, erősebb visszatápláló fékhatás a villamos gép csavarólengéslengés-csillapítóként is működhet kismértékű gyorsítássegély (az akkumulátor kapacitásától függően) CO 2 és fogyasztás-csökkenés % Károsanyagkibocsátáscsökkentés Menettulajdonságok Másodlagos előnyök Példák mint a mikrohibridnél a jármű jobban gyorsul csendesebb motor ékszíj nélküli motor lehetséges a hibridérzés kifejezettebb GM Silverado/Sierra Hybrid Dodge Ram HEV

23 Mediumhibrid Középfeszültségű hibrid: 144 V feszültség Szerkezeti jellemzők Üzemmódok szerkezetileg a mildhibriddel azonos -nagyobb teljesítményű villamos motor -nagyobb kapacitású akkumulátor -optimális fékenergia-visszatáplálás a nagyobb akkumulátor és az esetleg csökkentett motorfékhatás miatt -erős rövididejű gyorsítássegély (> 30 s) -erős tartósteljesítmény-kiegészítés (min. 10 perc) CO 2 és fogyasztás-csökkenés % Károsanyagkibocsátás-csökkentés a belsőégésű motorok gyorsításai és teljesítménydúsításai elmaradnak Menettulajdonságok Másodlagos előnyök Példák -nagyon jó dinamikai tulajdonságok a gyorsan reagáló és túlterhelhető villanymotornak köszönhetően -nagyobb generátorteljesítmény a fedélzeti fogyasztók részére -Honda IMA (Insight, Civic, Accord) -VW Touran, BMW X5 prototípusok

24 Fullhibrid Nagyfeszültségű hibrid: >200 V feszültség Szerkezeti jellemzők Üzemmódok -párhuzamos, teljesítményelágazásos vagy soros kialakítás lehetséges -esetleg kapacitív energiatárolás is (szuperkondenzátor) -tiszta villamos hajtás lehetősége -optimális fékenergia-visszatáplálás a belsőégésű motor lekapcsolásával -esetleg brake by wire fékezés -erős tartósteljesítmény-kiegészítés (min. 10 perc) CO 2 és fogyasztás-csökkenés % Károsanyag-kibocsátáscsökkentés Menettulajdonságok Másodlagos előnyök Példák további csökkenést hozhat a soros és a teljesítményelágazásos hibrideknél a belsőégésű motor nélküli üzem nagyon jó manőverezési tulajdonságok a tiszta villamos üzemnek köszönhetően teljes hibrid-imázs a tiszta villamos üzemnek köszönhetően -alkalmas hálózati töltésre (olyan országokban, amelyekben a villamos energia előállítása környezetbarát) -Toyota Prius/Hilander, Lexus RX400h -Ford Escape

25 TOYOTA vegyes fullhibrid hajtás

26 Vegyes fullhibrid

27 Szuperkondenzátoros hibrid

28 Párhuzamos mikrohibrid

29 Dízelmotoros párhuzamos hibrid

30 Összkerék hajtású vegyes fullhibrid

31 AUDI Párhuzamos hibridrendszer

32 Párhuzamos médiumhibrid

33 Tüzelőanyag cellák Elmélete - gyakorlata

34 Előzmények - Szűkössé váló energiahordozók-készletek - Energiatermelés gazdaságosságának növelése versenyképesség - környezetkímélést szolgáló intézkedések szigorítása

35 Alternatívák - Szélenergia - Napenergia - Vízenergia - Biomassza biogáz - Geotermikus energia - Hőszivattyú - Tüzelőanyag-cella

36 Működési elv Elektromos áramot a szabad elektronok áramlása biztosítja Elektromos energiát nyerhetünk olyan kémiai reakcióval, amely elektronátadással és elektronfelvétellel jár Ha az elektronleadás és felvétel egyidejűleg és azonos helyen megy végbe, akkor ilyen esetben csak hő termelődik. A villamos energia előállításához szükséges, hogy az elektronleadást és felvételt azonos időben de a térben elkülönülve menjen végbe.

37 Mi a tüzelőanyag-elem? A tüzelőanyag-elem berendezés, mely képes a kémiai energiát elektromos energiává átalakítani. A kémiai energiát rendszerint oxidációs reakcíó révén alakítjuk más energiafajtává (hő, mechanikai, elektromos) A elektromos/mechanikai energiává alakításban nagyobb hatásfokot tudunk elérni, ha az oxidációt elektrokémiai oxidációként hajtjuk végre. A tüzelőanyag-elem tehát elektrokémiai reaktor, elektrokémiai energia átalakító.

38 A tüzelőanyagelem története 1839: Az angol William Robert Grove felfedezi a tüzelő-anyag-cella elvét. 1945: A második világháború után megkezdődik a tüzelőanyagcellák műszaki fejlesztése. 1954: az angol Francis T. Bacon munkája alapján űrkutatási (Gemini, Apollo, Spacelab) és katonai programok céljára használtak tüzelőanyagcellát. 1970: tüzelőanyag-cellák villamos erőművi blokkok és hőenergia központok részére. 1980: Járműhajtási célú kutatások kezdete. 1998: az első vásárolható tüzelőanyag-cella (1500 US $/kw).

39 A Grove kísérlet Híg sav (H 2 SO 4 ) elektrolit William Robert Grove portréja és a Grove-féle tüzelõanyag-elem rajza az eredeti közleménybõl [W. R. Groove: Proc. Roy. Soc. 4 (1843) 463.] E r = 1,23 V A rajzon öt "gázelem" soros kapcsolása látható, amellyel vizet bont a különálló cellában. Valójában legalább 26 gázcellára volt a vízbontáshoz szükség.

40 Mennyire veszélyes a hidrogén? Néhány adat álljon itt megnyugtatásul: 1. Színtelen 2. Nem mérgező 3. Nem oxidál, nem korrodál 4. Nincs bomlásterméke 5. Nem radioaktív 6. Nem rákkeltő és élelmiszer károsító 7. Kis fajsúlya miatt könnyen elillan, felhígul a környezetében 8. Csak egy legalább három oldalon zárt térben tud robbanni 9. Közel láthatatlan lánggal ég, így nagyon kevés hőt sugároz

41 Tüzelőanyag-cella hajtóanyagok 1.) Hidrogén földgázból, methanolból, methán-reformátból 2.) Methanol biomasszából 3.) Földgáz reformer 4.) Ethanol 5.) Biogáz biomasszából

42 Tüzelőanyag cellák típusai üzemanyag cella típusa Elektrolit Üzemi hőm. Elektromos hatásfok Üzemanyag Felhasználási terület AFC Alkáli Elektrolitos Cella káliumhidroxid oldat 80 C-200 C elméleti: 70 % gyakorlati 62% H 2, O járműipar, hadiipar DMFC Direkt Metanol Membrános Cella protonátereszt ő membrán 20 C-130 C elméleti: 30 % gyakorlati 26% metanol, O mobiltelefon, laptop, stb. MCFC Olvadt Karbonátos Cella káliumkarbonát 550 C-650 C gyakorlati: 40-60% földgáz, széngáz, bigáz, O kétlépcsős blokkfűtő erőmű PAFC Foszforsavas Cella foszforsav 100 C-200 C elméleti: 68 % gyakorlati 60% H2, O kétlépcsős blokkfűtő erőmű PEMFC Protoncsere Membrános Cella protonátereszt ő membrán 80 C-120 C elméleti: 68 % gyakorlati 50% H2, széngáz, földgáz járműipar, hadiipar RFC Regeneratív üzemanyagcellák protonátereszt ő membrán 50 C-90 C elméleti: 68 % gyakorlati 50% H2, O, főldgáz, biogáz, széngáz szigetüzemű energiaellátás SOFC Szilárd Oxidos Cella cirkónium oxid 600 C-1100 C elméleti: 65 % gyakorlati 60% H2, O, főldgáz gőzturbina, járműipar

43 Felépítés

44 Kicsi, de nem lényegtelen különbség

45 Elektrolízis: Hidrogén a víz szétbontásával Víz + Energia bevitel = Hidrogén + Oxigén Reakció az anódon: 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - Reakció a katódon: 4H 2 O + 4e - 2H 2 + 4OH - Teljes reakció: 2H 2 O + W el 2H 2 + O 2

46 A tüzelőanyag-cella felépítése Elvi séma

47 A tüzelőanyag-elem működési elve A fordított elektrolízis elve alapján működnek: Az elektrolízis során a vizet elektromos áram összetevőire, azaz hidrogénre és oxigénre bontja. Ez a folyamat megfordítható, és így elektromos energia állítható elő. Ehhez szükséges: - tüzelőanyag ( ebben az esetben hidrogén), - két elektróda (pozitív és negatív), valamint - elektrolit (cseppfolyós vagy szilárd) Járműhajtásra a protonáteresztő membrános (PEM) tüzelőanyag-cella a legmegfelelőbb.

48 A tüzelőanyag cellák működése PEM célja: annak megakadályozása, hogy az oxidáció során a tüzelőanyag molekuláiból az elektronok az oxidálószerbe közvetlenül átjuthassanak. Felépítés: anód - elektrolit - katód

49 Hidrogént vezetnek az elektrolit (protonáteresző membrán) egyik oldalára és nedvesített levegőt a másik oldalra. A hidrogén ionizálódik, minden egyes molekula felhasad két elektronra és két pozitívan töltött hidrogén ionra, azaz protonra. A protonok a cellában lévő elektroliton keresztülvándorolnak. A tüzelőanyag-cella működése

50 A kialakult elektromos feszültség-különbség teszi lehetővé a proton számára az átjutást. A keletkező áram az elektronok külső moz-gása -- az, ami hajtja a motort. Az elektrolit nem képes elektronokat vezetni, az elektronoknak, amelyek a negatív elektródnál felszabadulnak külső körön keresztül kell mozogniuk. Az elektronok a pozitív elektródon az oxigénnel és a protonnal egyesülve vizet képeznek. Az áram keletkezése

51 A bemutatásra kerülő működő tüzelőanyag cellás modell

52

53

54

55 Elektrolizis

56

57

58 Lehetséges forgatókönyvek az emisszió mentes járművekre..