اساس کار موتورهای هیبریدی

**MHFV** · 10th April 2012 11:48 PM

مقدمه

امروزه با توجه به آلودگي‌هاي ناشي از خودروها و محدوديت‌هاي سوخت فسيلي، كارخانه‌هاي خودروسازي گام مهمي در مقابله با اين امر برداشته‌اند كه از جمله آنها مي توان به خودروهاي هيبريدي (Hybrid Vehicle)، تکنولوژي پيل سوختی(Fuel Cell)، موتورهاي با پاشش مستقيم‌ بنزيني(GDI)، موتورهاي HCCI و خودروهاي دو گانه سوز (Bifuel) اشاره کرد.

بازدة بالا، آلايندگي كم، مسافت قابل پيمايش بالا، ايمني مطلوب و قيمت قابل رقابت با خودروهاي متداول از جمله ويژگيهاي حائز اهميت براي خودروهاي هيبريدي است. بسياري از خودروسازان بزرگ مبادرت به توليد اين خودروها در سطحي گسترده نموده‌اند. در اين قسمت به شماي كلي از نحوة عملکرد، حالتهاي كاركردي، مزايا، معايب و تقسيم‌بندي سيستم‌هاي مختلف خودروي هيبريدي خواهيم پرداخت.

تاريخچة خودروي هيبريدي يك مهندس آمريكائي به نام H.Piper در 23 نوامبر 1905 يك ماشين هيبريدي ساخت كه قادر بود در طي 10 ثانيه تا 25 مايل شتاب بگيرد. موتور اين خودرو تركيبي از موتور بنزيني و موتور الكتريكي بود كه امروزه به عنوان موتور هيبريدي شناخته مي‌شود. Piper در سه سال و نيم بعد، اختراع خود را ثبت نمود؛ اما پيشرفت سريع موتورهاي احتراق داخلي با قدرت و گشتاور بالا در آن دوره، همچنين قابليت استارت بدون هندل آنها و از همه مهمتر پايين بودن قيمت سوختهي فسيلي و مطرح نبودن آلودگي محيط زيست، سبب عدم توجه به اين نوع خودروها شد. در پي بحرانهاي نفتي سالهاي 1970 دوباره اين خودروها مورد توجه قرار گرفتند ولي تا سال 1990که كار اصولي با مشاركت PNGV(Partnership for aNew Generation Vehicle)در آمريكا آغاز گرديد، ين خودروها به طور جدي پيگيري نشدند. امروزه خودروهاي هيبريدي مورد توجه كمپانيهاي بزرگ جهان قرار گرفته اند كه از آن جمله مي‌توان به شركتهايي مانند: تويوتا، هندا، ميتسوبيشي، فورد، فيات، جنرال موتورز، دايملر كرايسلر، نيسان و پژو و ... اشاره نمود. توفيق اين محصولات به حدي چشمگير بوده كه از دسامبر سال 1997 تا ابتداي سال 2000 بيش از چهل هزار محصول پريوس كمپاني تويوتا به فروش رسيده است. خودروهای هیبریدی، نوع تعمیم یافته خودروهای برقی خالص می‌باشند که معایب خودروهای برقی خالص تا حدود زیادی در آنها برطرف گردیده است و می توان گفت معایب خودروهای احتراق داخلی نیز تا حدودی در آنها برطرف شده است. از مزایای مهم این خودروها نسبت به خودروهای احتراق داخلی، کارکرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطة بهینة خود کار می‌کنند که این امر باعث بالا رفتن بازده موتور و کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می‌گردد و دیگر اینکه به هنگام ترمزگیری و یا شتاب منفی، انرژی به صورت الکتریکی در باطری ها ذخیره می‌شود و همین امر باعث کارکرد کمتر موتور احتراقی خواهد شد و در نتیجهمنجر به کاهش آلودگی و پایین آمدن مصرف سوخت می‌گردد. به عنوان مثال تویوتا پریوس (Toyota Prius) با موتور ۴ سیلندر ۱۵۰۰ سی سی مصرف سوختی معادل ۲/۴ لیتر در ۱۰۰ کیلومتر دارد. مزیت دیگر این خودروها نسبت به خودروی برقی خالص، قابلیت پیمودن مسیرهای طولانی در هر بار شارژ کردن باطری می‌باشد.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.jpg[/IMG]

اساس کار موتورهای هیبریدی:

یک موتور هیبریدی از دو قسمت اصلی تشکیل گردیده است.اولا نیازبه واحدی داریم که بتواند انرژی الکتریکی تولید نماید. این واحد ممکن است یک سلول سوختنی باشد که با استفاده از ترکیب هیدروژن و اکسیژن،انرژی الکتریکی را تولید می نماید ویا بصورت یک موتور احتراق داخلی باشد که توسط آن ژنراتور الکتریکی به کار می افتد. ثانیا نیازمند یک موتور الکتریکی می باشد که با بکار گیری انرژی الکتریکی تولید شده در واحد قبلی،بتواند نیروی محرک مورد نیاز برای حرکت خودرو را تامین نماید.در حقیقت یکی از قسمت ها،وظیفه تولید جریان الکتریکی را بر عهده دارد و قسمت دیگر یک موتور الکتریکی می باشد که با استفاده از برق، قدرت مورد نیاز خودرو را تامین می نماید. به منظور ذخیره سازی جریان الکتریکی تولید شده در خودرو های هیبریدی معمولا از باتری های مخصوصی استفاده می شود که توانایی ذخیره نمودن برق تولید شده را دارا می باشند. این انرژی الکتریکی به منظور راه اندازی موتور الکتریکی و تامین قدرت مورد نیاز برای به حرکت در آوردن خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. موتورهای هیبریدی معمولا دارای راندمان بالا در حدود 2 الی 3 برابر رادمان موتورهای داخلی می باشند و از سوی دیگر میزان آلایندگی آنها کمتر می باشد. ولی قیمت تجهیزات آنها نسبتا بالا و گرانقیمت می باشد.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.jpg[/IMG]

اساس کار سلول سوختنی:

همانطور که گفته در موتورهای هیبریدی، یک واحد تولید کننده انرژی الکتریکی وجود دارد. گاهی اوقات یک موتور احتراق داخلی که یک ژنراتور الکتریکی را به کار می اندازد، این وظیفه را بر عهده دارد و گاهی دیگر از سوخت هیدروژن استفاده می شود. سوخت هیدروژن ممکن است همچون سایر سوخت ها در داخل یک محفظه احتراق با اکسیژن ترکیب شود و یا در داخل یک سلول سوختی مورد استفاده قرار گیرد. سلول سوختی به منظور تولید انرژی الکتریکی با استفاده از هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد . زیرا همانگونه که طی عمل الکترولیز، می توان با عبور جریان الکتریکی از آب، آن را به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه نمود;در این واکنش نیز می توان از ترکیب هیدروژن با اکسیژن، جریان الکتریکی تولید نمود. در داخل یک سلول سوختی انجام می شود. در یک سلول سوختی، هیدروژن به عنوان دهنده ی الکترون (آند) و اکسیژن به عنوان گیرنده ی الکترون (کاتد) می باشد. به عبارتی درون سلول سوختی، صفحات آند و کاتد وجود دارد که با انتقال الکترون از آند به سوی کاتد، جریان الکتریکی تولید می شود.

انواع خودروهای هیبریدی:

خودروهای هیبریدی بر اساس نحوه اتصال اجزا آن و باتوجه به شکل پیکر بندی وساختار آن می توانند به یکیاز حالت های زیر باشند: 1-خودرو هیبریدی سری: در این مدل از خودروهای هیبریدی، یک واحد تولید کننده جریان الکتریکی وجود دارد که قابلیت تولید انرژی الکتریکی را دارد این واحد یا یک سلول سوختی است و یا با استفاده از یک موتور احتراق داخلی باعث به گردش در امدن یک ژنراتور و تولید جریان الکتریکی میشود در نهایت لازم است که این انرژی الکتریکی تولید شده در تعدادی باتری ذخیره گردد.انژی الکتریکی ذخیره شده در باتریها برای به گردش در اوردن یک موتور الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرد این موتور الکتریکی همان واحد مولد قدرت خودرو میباشد که گشتاور تولید شده توسط ان از طریق سیستم انتقال قدرت به چرخ ها منتقل میگردد.از انجایی که نحوه ارتباط واحد تولید کننده جریان الکتریکی، باتری، موتور الکتریکی وسیستم انتقال قدرت به صورت سری میباشد، به این مدل ،خودروی هیبریدی سری گفته میشود.هر چند که راندمان موتورهای سری نسبتا زیاد میباشد، ولی قدرت تولید شده در انها کم است.به همین دلیل از انها فقط در موتورهای کم قدرت استفاده میشود.

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image005.jpg[/IMG]

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.gif[/IMG]

2-خودرو هیبریدی موازی: در این حالت واحد تولید جریان الکتریکی (ژنراتور)وجود ندارد.بلکه قدرت تولید شده توسط موتور احتراق داخلی و یا سلول سوختی، مستقیما باعث به گردش در امدن موتور الکتریکی میشود.سپس این قدرت از طریق سیستم انتقال قدرت به چرخها منتقل میگردد. در این مدل خودروی هیبریدی، قدرت الکتریکی تامین شده توسط باتری بصورت موازی با موتور اصلی میباشد.بطوریکه در شرایط عادی، قدرت مورد نیاز خودرو توسط موتور اصلی تامین میشود و فقط در شرایطی همچون حالتهای شتاب گیری و در سر بالاییها که نیاز به قدرت بیشتری میباشد، انرژی الکتریکی به عنوان یک کمک کننده به موتور اصلی مورد استفاده قرار میگیرد. [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image007.jpg[/IMG] [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image009.jpg[/IMG] 3-خودرو هیبریدی سری_موازی: دسته دیگری از خودروهای هیبریدی وجود دارند که دارای هر دو سیستم سری و موازی میباشند، بطوریکه متناسب با شرایط مختلف میتوان از هر یک از این سیستمها استفاده نمود.مثلا در هنگامیکه خودرو در داخل شهر حرکت مینماید و نیاز به قدرت کمی دارد و بر عکس مسئله الایندگی محیط زیست از اهمیت بیشتری برخوردار است، میتوان از سیستم الکتریکی استفاده نمود و ان هنگام که خودرو در حال تردد بیرون شهر است، سیستم احتراقی مورد استفاده قرار میگیرد.حتی به کار گیری همزمان هر دو سیستم در مواقع شتاب گیری و مواردی که نیاز به قدرت بیشتری میباشد، امکان پذیر است. [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image011.jpg[/IMG]
[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image013.jpg[/IMG] حالتهاي عملكردي موتور هيبريدي سري-موازي: حالتهاي عملكردي يك موتور هيبريدي سري-موازي را مي‌‌توان به شش قسمت تقسيم نمود: حالت روشن شدن و دورهاي پايين و متوسط:[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image014.gif[/IMG] در اين حالت موتور احتراقي كه بازدهي مناسبي ندارد كاملا" خاموش است و فقط موتور الكتريكي توان مورد نياز خودرو را تأمين مي‌نمايد (A) [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.gif[/IMG] حركت در حالتهاي معمولي: قدرت ناشي از موتور احتراقي توسط تقسيم كنندة قدرت (Power split device) به دو بخش تقسيم مي‌گردد قسمتي از قدرت آن به ژنراتور مي‌رود كه منجر به حركت در آوردن موتور الكتريكي مي‌گردد (B) و مابقي چرخها را مستقيما" به حركت درمي‌آورد (C) قدرت موتورا حتراقي در اين مرحله در حداكثر بازدهي است. [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.gif[/IMG] [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image016.gif[/IMG]شتابگيري سريع: در حاليكه قدرت يكنواختي از مسيرهاي B و C به چرخها منتقل مي گردد توان اضافي توسط باطري نيز جهت افزايش توان موتور الکتريکي (A) تامين مي گردد. [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.gif[/IMG] [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image017.gif[/IMG]شتاب كندشونده و يا ترمزگيري: موتور با قدرت بالا به ژنراتور با قدرت بالايي تبديل مي‌گردد كه توسط چرخها به حركت درمي‌آيد. در اين حالت انرژي جنبشي به انرژي مكانيكي تبديل شده و در باطري ذخيره مي‌گردد. (D)[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.gif[/IMG] [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image018.gif[/IMG]شارژ شدن باطري: براي اينكه باطريها هميشه در حد قابل قبولي انرژي داشته باشند. در حالت ضروري كه احتياج باشد توسط موتور احتراقي شارژ مي‌گردد.(E) حالت استراحت: موتور به حالت اتوماتيك خاموش مي‌گردد. اجزای خودروهای هیبریدی: خودروهای هیبریدی بر اساس نوع سیستمی که دارند ممکن است دارای قطعات و اجزامتفاوتی باشند.ولی بطور کل میتوان گفت که یک خودرو هیبریدی شامل قسمتهای زیر میباشد: 1-واحد تولید انرژی الکتریکی: این واحد ممکن است بصورت یک موتور احتراق داخلی باشد که یک ژنراتور را به گردش در می اورد و یا شامل چندین سلول سوختی باشد که میتواند با استفاده از هیدروژن انرژی الکتریکی تولید نماید.در سلول سوختی با استفاده از واکنش الکترو شیمیایی هیدروژن با اکسیژن میتوان جریان الکتریکی تولید نمود.درون سلولهای سوختی امکان تبدیل انرژی تا حدود 50% امکان پذیر است.در صورتیکه این مقدار برای موتورهای احتراق داخلی در حدود 25%میباشد.بنابراین واضح است که راندمان موتورهای هیبریدی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی به مراتب بیشتر است. 2-باتری ذخیره کننده: خودروهای هیبریدی به منظور ذخیره سازی انرژی الکتریکی نیاز به باتریهایی دارد که قابلیت ذخیره نمودن مقدار قابل توجه ای از انرژی را دارا باشد و از سوی دیگر دارای طول عمر زیاد و راندمان مناسبی باشد.همچنین ضرورت دارد که به خوبی قابل شارژشدن بوده و بتوانند در دورهای بالا و سر بالاییها و در هنگام شتاب گیری خودرو توان مورد نیاز خودرو را تامین نمایند. 3-فرا خازن: فرا خازن مدل خاصی از خازنهای الکتریکی میباشد که قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی ان بیش از خازنهای معمولی است. فرا خازن به عنوان دومین منبع ذخیره انرژیالکتریکی بعد از باتری میباشد که در هنگام شتاب گیری خودرو و در سر بالاییها به تامین ولتاژ مورد نیاز موتور الکتریکی کمک نموده و مانع افت ولتاژ گردد.

4-موتور الکتریکی: قدرت مورد نیاز در خودروهای هیبریدی از طریق یک موتور الکتریکی تامین میگردد. به همین دلیل است که می توان گفت خودرو هیبریدی نوعی خودرو برقی تکامل یافته نیز محسوب می گردد. این موتور الکتریکی می تواند انرژی ذخیره شده در باتری ها را به انرژی مکانیکی تبدیل کند وبدین طریق خودرو را به حرکت در آورد . از مزیت های موتور الکتریکی این است که بر خلاف موتورهای احتراق داخلی که در دورهای پایین امکان تولید گشتاور را ندارند حتی در دورهای پایین نیز می تواند گشتاور تولید نماید. 5-کنترل کننده ی موتور هیبریدی: معمولا موتورهای هیبریدی دارای یک سیستم کنترل کننده می باشند که می تواند مقدار جریان و لتاژ موتورهای الکتریکی را کنترل نماید. این کنترل بر اساس شرایط عملکردی موتور انجام می شود. همچنین در مورد خودروهای هیبریدی که می توانند با چند سوخت کار نمایند معمولا یک کیت الکترونیکی وجود دارد که امکان تغییر وضعیت بین استفاده از سوخت هیدروژن و یا سایر سوخت های فسیلی را فراهم می آورد.

ويژگيها خودروهاي هيبريدي، نوع تعميم يافته خودروهاي برقي خالص مي‌باشند كه معايب خودروهاي برقي خالص تا حدود زيادي در آنها برطرف گرديده است و مي توان گفت معايب خودروهاي احتراق داخلي نيز تا حدودي در آنها برطرف شده است. از مزاياي مهم اين خودروها نسبت به خودروهاي احتراق داخلي، كاركرد در دور و بار ثابت بوده و به اصطلاح در نقطة بهينة خود كار مي‌كنند كه اين امر باعث بالا رفتن بازده موتور و كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت مي‌گردد و ديگر اينكه به هنگام ترمزگيري و يا شتاب منفي، انرژي به صورت الكتريكي در باطري ها ذخيره مي‌شود و همين امر باعث كاركرد كمتر موتور احتراقي خواهد شد و در نتيجه منجر به كاهش آلودگي و پايين آمدن مصرف سوخت مي‌گردد. به عنوان مثال تويوتا پريوس (Toyota Prius) با موتور ۴ سيلندر ۱۵۰۰ سي سي مصرف سوختي معادل ۲/۴ ليتر در ۱۰۰ کيلومتر دارد. مزيت ديگر اين خودروها نسبت به خودروي برقي خالص، قابليت پيمودن مسيرهاي طولاني در هر بار شارژ كردن باطري مي‌باشد سيستمهاي ذخيره سازي انرژي : خودروهي هيبريدي از ساختارهاي مختلفي برخوردارند. اما الزاما" يك خودروي هيبريدي از يك سيستم ذخير ساز انرژي، يك واحد توليد قدرت و يك سيستم انتقال قدرت تشكيل شده است. انتخابهاي اوليه براي سيستم ذخيره ساز انرژي باطريها، خازنها و فلايويل‌ها هستند. اگر چه باطريها عمده‌ترين انتخاب در اين زمينه مي‌باشند اما تحقيق بر روي زمينه‌هاي ديگر ذخيره‌سازي انرژي آغاز شده است. باطري ها، بدليل ارزان و تجاري بودن و نداشتن قسمتهاي متحرک اولين وسيله ذخيره انرژي و همانطور که گفته شد متداولترين است اما بزرگترين عيبشان عمر كوتاه آنها مي باشد. البته باطريها با تكنولوژي جديد بسيار گران مي‌باشند و امروزه تعداد زيادي از باطريهاي جديد در حال توسعه هستند.

مقايسه عملکردی خودروهای برقی خالص و خودروهای هايبريد: خودروهاي برقي گرچه به عنوان اولين راهکار براي کاهش ميزان آلودگي معرفي گرديده اند اما به علت آنکه در سيکلهاي رانشي طولاني با مشکل ر وبرو مي شوند از اينرو حضور موفقي نداشته اند و در حقيقت با شکست مواجه گرديده اند .ايده خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محرکه رانشي نه تنها مشکل آلودگي و مصرف خودروهاي هايبريد به علت استفاده از دو منبع انرژي در توليد سيستم محرکه رانشي نه تنها مشکل آلودگي و مصرف سوخت را به حداقل رسانده است بلکه مشکلات ناشي از خودروهاي برقي خالص را حل نموده است .واين مزيت خودروهاي هايبريد برقي نسبت به خودروهاي برقي خالص مي باشد. [IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/Narimisa/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image020.jpg[/IMG]