Hybridní pohony dopravních prostředků jsou v současné době (rok 2002), často diskutované téma a to mezi odborníky i laiky. Jako jeden ze základních bodů vývoje hybridních pohonů je často označována situace které nastala v USA, stát Kalifornie, v osmdesátých letech 20. století. Zejména z důvodů neustálých emisních problémů byl v roce 1990 tímto státem přijat zákon s názvem ZEV (Zero-Emission-Vehicle) s programem postupného zavádění elektrovozidel. Tento plán byl postupem času revidován, ale lze ho označit za jeden ze základů a impulsů pro zkoumání bezemisních a nízkoemisních vozidel. Výrobci automobilů postupně začali zkoumat možné koncepce pohonných jednotek s nízkými emisními hodnotami a také systémy zcela bezemisní. Souběžně s tím probíhá další vývoj klasických spalovacích motorů, který také do značné míry snížil emisní hodnoty dnešních moderních motorů. Hybridní pohony tedy z tohoto hlediska představují pouze jednu z možností, která se nabízí v oblasti dalšího vývoje dopravních prostředků. Jedná se přechod mezi klasickým spalovacím motorem a čistým (bezemisním) pohonem realizovaným elektrickým motorem.
[align=center]Existující konstrukční řešení[/align]
Hybridní pohon je přirozený nástupce spalovacího motoru na cestě k dalšímu snižování škodlivých emisí.. Dosud vyvinuté konstrukční řešení hybridních pohonů lze rozdělit do dvou hlavních kategorií:
a) Sériový koncept
Je založen na za sebou uloženém spalovacím motoru a elektromotoru, přičemž spalovací motor plní funkci trakčního motoru/generátoru. Pohon je realizován výhradně elektromotorem (obr. č. 2).
b) Paralelní koncept
Je založen na kombinaci elektromotoru a spalovacího motoru. Z hlediska kombinace existují dva přístupy. Paralelní hybrid s jedním společným hřídelem a dvouhřídelový hybrid. Oba umožňují jak čistě elektrický pohon, tak i pohon spalovacím motorem. V kombinovaném pohonu zůstává spalovací motor trvale zapnut a při požadavku náhlého zvýšení výkonu se zařadí i elektromotor. Do vozidla je nutno zabudovávat převodovku, která je obvykle společná pro obě výkonové větve (obr. č. 3).
[align=center]Zhodnocení výhod a nevýhod koncepcí[/align]
a) Sériový hybridní pohon:
Výhody:
- Spalovací motor je provozován pouze v úzkém rozsahu otáček, případně pouze při konstantních otáčkách. Při tomto způsobu provozu odpadají nehospodárné body výkonové charakteristiky, zejména volnoběh a spodní rozsah částečných zatížení motoru. Spalovací motor je tedy provozován pouze v optimu své výkonové a momentové charakteristiky a tedy s nejvyšší účinností. Tento fakt má také velký příznivý vliv na problematiku emisí.
- V sériovém hybridu je možnost tzv. modulové zástavby. V koncepci sériového hybridu neexistuje žádné mechanické spojení mezi spalovacím motorem a koly vozidla. Z tohoto důvodu odpadají veškeré komponenty k silovému a momentovému přenosu výkonu z klikové hřídele motoru ke kolům. Tento fakt má velký vliv jak na celkovou hmotnost vozidla, tak zejména na prostorovou skladbu. Z důvodu odpadnutí problému s mechanickým přenosem na kola se nabízí možnost modulové koncepce s teoreticky libovolným umístěním jednotlivých komponent. V případě ad absurdum je teoreticky možné umístit spalovací motor i mimo vozidlo, např. do přívěsu nebo návěsu.
Nevýhody:
- Hybridní sériový pohon využívá vícenásobné přeměny energie. Tento fakt má velký vliv na celkovou účinnost vozidla, která je značně nižší ve srovnání s klasickou koncepcí pohonu spalovacím motorem. Mechanická účinnost mezi spalovacím motorem a koly vozidla nepřesahuje 55%.
- Z koncepce sériového hybridu, ve srovnáním s paralelním, jednoznačně vyplývá velká nevýhoda spočívající v tom, že nelze omezit stálou dvojitou přeměnu elektrické energie na úseku generátor – baterie a následně baterie – elektromotor. To ve srovnání s paralelním hybridem klade zvýšené požadavky na baterie tvořené zejména stálým dobíjením a vybíjením vysokými proudy. Tento proces také způsobuje ztráty představující zvýšení energetické spotřeby asi o 25 % (ve srovnání s konvenčním pohonem).
- Celková technická složitost soustavy. Tato nevýhoda je společně oběma koncepcím hybridního pohonu. Relativní složitost, tvořená zejména nutností použití nejméně dvou rozličných měničů energie, klade vysoké požadavky na pečlivost sladění jednotlivých komponentů. Zde je nutno také uvést, že z hlediska výkonových a dynamických vlastností vozidla je z ekonomických i bezpečnostních důvodů nutno zajistit, aby hybridní pohony v těchto vlastnostech nezaostávaly za klasickými vozidly. Při tom je nutné, aby byly v co možná největší míře zachovány všechny výhody hybridní koncepce, neboť v opačném případě ztrácí vývoj hybridních pohonů své opodstatnění.
b) Paralelní hybridní pohon:
Výhody:
- Koncepce spojení spalovacího a elektrického motoru umožňuje sčítání výkonů obou motorů. Vozidlo je proto výkonově multifunkční, umožňuje pohon oběma motory současně, ale také libovolně jedním z nich. Je tedy možné vozidlo provozovat pouze klasicky se spalovacím motorem, ale i čistě elektricky s nulovými emisemi a všemi výhodami čistě elektrického provozu.
- Hybridní pohon s paralelním uspořádáním má ve srovnáním s konvenčním pohonem, velký potenciál redukce spotřeby. Současné spojení elektromotoru a spalovacího motoru poskytuje alternativu k spalovacímu motoru o větším zdvihovém objemu při současném potlačení jeho nevýhod (zejména emise a spotřeba).
- Z výše uvedeného vyplívá další výhoda paralelního hybridu, a to možnost optimalizace provozu vozidla k daným podmínkám konkrétní dopravní situace. To by v případě většího rozšíření hybridních pohonů umožnilo zlepšení kontroly a možností snižování lokálních emisních hodnot zejména ve větších městech. Tato výhoda je oběma koncepcím hybridního pohonu společná, ale u paralelního hybridu je vyšší. Tato výhoda je ve srovnání s klasickými vozidly jednoznačná, neboť klasická koncepce ji neumožňuje a ve své podstatě tvoří důvod existence hybridního pohonu.
Nevýhody:
- Největší nevýhodou paralelního hybridu je jednoznačně složitost soustavy a to jak ve srovnání se sériovým hybridem, tak zejména s klasickou koncepcí. Tato složitost souvisí zejména s nutností mechanického přenosu výkonu a momentu od spalovacího motoru na kola a současném zařazení všech ostatních prvků. To neumožňuje odstranit skupiny, které tento přenos zajišťují (převodovka, rozvodovka atd.). S tím souvisí také nemožnost použití modulární koncepce sériového hybridu, větší hmotnost vozidel a zejména nutnost prostorového řešení uspořádání, což je v praxi velmi problematické.
- S nemožností odstranění mechanických komponent paralelního hybridního pohonu při nutnosti současného zachování všech ostatních „dodatečných“ komponentů souvisí také vysoká cena tohoto vozidla.
Mechanický akumulátor energie
U obou koncepcí hybridního pohonu je možno využít také mechanický akumulátor energie. Na tento způsob uchování energie se v souvislosti s hybridními pohony často zapomíná, pravděpodobně proto, že je zatížen jistým anachronismem. Jako mechanický akumulátor energie se jednoznačně nabízí setrvačník, který akumuluje energii bez potřeby chemického procesu. Tím představuje jistou alternativu k elektrickým akumulátorům a odstranění jejich podstatných nevýhod zejména v oblasti životnosti. U setrvačníků deskovitého tvaru, které jsou nejobvyklejší, závisí zásobní kapacita na maximálních otáčkách a rozdělení hmotnosti setrvačníku. Setrvačník pracuje bez opotřebení, chemikálií a má vysokou životnost. Mezi nevýhody patří zejména fakt, že rotační hmotnosti vyvolávají velké síly, což klade obrovské požadavky na pevnostní vlastnosti materiálu a druhotně také na jeho cenu. Tyto nevýhody jsou v současné době postupně potlačovány rychlým vývojem materiálů s velmi příznivým poměrem meze pevnosti v tahu a hustoty materiálu. Mezi další nevýhody setrvačníku patří rychlé samovybíjení, požadavky na prostorovou zástavbu, uložení setrvačníku a silové ovlivňování dynamiky vozidla. V praxi není možné zajistit, aby nedocházelo ke změně rotace setrvačníku, což má za následek vznikl dynamických jevů, zejména precese a nutace. Tyto jevy poté silově ovlivňují dynamiku samotné vozidla a kladou požadavky na umístění setrvačníku ve vozidle. V optimálním případě může setrvačník na vozidlo působil i stabilizačně.
Z konstrukčního hlediska lze použití setrvačníku jako komponenty pohonu rozdělit do dvou skupin:
a) Přídavný element k některému z výše popsaných hybridních pohonů
Tato koncepce je dosud ve stádiu teoretických úvah a návrhů. Její nevýhodou je jednoznačně další zvýšení technické i prostorové složitosti vozidla. Setrvačník v tomto uspořádání by do určité míry mohl nahradit problematické akumulátory. V současné době, dochází k prudkému rozvoji v oblastech palivových článků a z tohoto důvodu bude tato koncepce pravděpodobně vytlačena jinými.
b) Samostatné hybridní vozidlo založené na setrvačníku
Tento způsob uspořádání vozidla, někdy nazývaný jako gyrocar nebo gyrobus, bývá ve většině případů označován také jako hybridní pohon a to i přes určité odlišnosti od sériového nebo paralelního hybridu. Je založen na použití setrvačníku jako akumulátoru mechanické energie a elektrického nebo spalovacího motoru. Z hlediska činnosti motoru lze tyto hybridní vozidla rozdělit:
1) Hybridy s přerušovaným provozem motoru
Pohon těchto hybridních vozidel je založen na energii uložené v setrvačníku vozidla, motor se na pohybu v těchto případech přímo nepodílí. Motor u těchto vozidel slouží k pohonu i roztáčení setrvačníku. Pomocí setrvačníku se dále ukládá rekuperační energie při brždění vozidla. Z hlediska koncepce je tento hybrid omezen pouze na případy jízdy po předem stanovených úsecích s pravidelnými zastávkami v relativně krátkých intervalech. Lze ho tedy aplikovat pouze na městskou dopravu a to zejména městkou hromadnou dopravu. Tento systém byl poprvé použit u setrvačníkových trolejbusů městské hromadné dopravy, které si nechala v roce 1944 patentovat firma Oerlikon pod názvem FBW (obr. č. 4). Celkem bylo vyrobeno 27 těchto vozidel. Setrvačník byl roztáčen elektromotorem s externím přívodem energie při zastávkách ve stanici. Další způsob roztáčení byl při brždění vozidla. Energie setrvačníku byla využita pro jízdu v bezdrátových úsecích. V určitých částech trasy tedy trolejbus využíval klasického trolejového vedení a ve zbývajících úsecích byl provozován čistě z energie uložené v setrvačníku. Setrvačník byl uložen ve středu vozidla a vážil 1500 kg. Jeho maximální otáčky byly 3000 ot/min. Tyto trolejbusy byly použity v rámci městské hromadné dopravy v Yverdonu (Švýcarsko). Výsledky provozu byly uspokojivé, ale trolejbusy byly v polovině 50-tých let staženy, zejména z bezpečnostních důvodů. V současné době se tato koncepce hybridního pohonu opět začal rozvíjet. V Německu začalo provozní testování hybridního konceptu autobusu s tramvajovou konstrukcí a pohonem tvořeným kombinací dieselového motoru, setrvačníku a trojice asynchronních elektromotorů. Projekt realizoval německý Fraunhoferova Institutu Dopravy a Infrastruktury pod názvem Autotram. Je založen na obdobě trolejbusů firmy Oerlikon, ovšem zcela bez trolejového vedení. Ve vozidle je instalován setrvačník o maximálním výkonu 325 kW, váze 950 kg a otáčkách 20 000 ot/min. Životnost setrvačníku je 150 000 hodin. Vozidlo je schopné bez použití dalších zdrojů energie s využitím energie v setrvačníku ujet asi 2 km v městském provozu.
2) Hybridy se stálým provozem motoru
Tato koncepce je založena na rozšíření možností běžného spalovacího motoru připojením setrvačníku. Jedná se o jistou alternativu k paralelnímu hybridu. Na této koncepci vznikla celá řada teoretických návrhů, z nichž pravděpodobně nejdále se dostala konstrukce postavené Švýcarským technologickým institutem v Zurichu na bázi vozidla VW Golf (obr. č. 5). Setrvačník, zařazený do silového toku od spalovacího motoru ke kolům, má hmotnost 19 kg a maximum 19 000 ot/min. Spalovací motor vozidla je sériový zážehový motor čtyřválec 1,3 l, konstrukce VW. Tento koncept je v současné době intenzivně zkoušen. Předmětem zkoušek je zejména vliv setrvačníku na úsporu pohonných hmot.
Přílohy:
(Obr. č. 2 – blokové schéma sériového hybridního pohonu)
(Obr. č. 3 – blokové schéma paralelního hybridního pohonu)
(Obr. č. 4 – podvozek hybridního trolejbusu zn. FBW firmy Oerlikon [5])
(Obr. č. 5 – hybridní pohon konceptu Golf III [4])
Použité zdroje
[1] JOSEF KAMEŠ. Alternativní pohony automobilů, nakladatelství BEN. Praha, 2002. 228 s. ISBN 80-7300-127-6
[2] Hybrid.cz. [online]. [cit 2002-05-20]. Dostupné z WWW:
< http://www.hybrid.cz/>
[3] Fraunhofer.de. [online]. [cit 2002-05-19]. Dostupné z WWW:
< http://www.ivi.fraunhofer.de >
[4] Advanced System Design and Control Aspects in a Fuel-Optimal Hybrid Vehicle. [online]. [cit 2002-05-19]. Dostupné z WWW:
< http://med.ee.nd.edu/ >
[5] FBW.ch. [online]. [cit 2002-05-19]. Dostupné z WWW:
<http://www.fbw.ch >
Noo to by pár set kW museli z těch motorů ještě dostat 
