Napędy alternatywne
pojazdów samochodowych

Potocznie samochód z hybrydowym układem napędowym, czyli układem posiadającym więcej niż jedno źródło energii (napędu); jedno ze źródeł (pierwotne) wytwarza energię, a pozostałe (wtórne) również ją akumulują; wtórne źródło energii akumuluje część energii źródła pierwotnego oraz energii kinet. pojazdu powstałej przy hamowaniu i zasila, stosownie do potrzeb, w dodatkową energię silnik napędowy; pierwotnym źródłem energii jest zwykle silnik cieplny (najczęściej spalinowy); w jednym z typów hybrydowego układu napędowego (elektromech., szeregowym) silnik cieplny jest połączony wałem z prądnicą stanowiącą drugi element pierwotnego źródła. Wtórnym źródłem energii jest akumulator elektr., mech. lub hydrauliczny. Akumulatory elektr. mają największą pojemność energ. w stosunku do mocy, natomiast ich wadą jest to, że wymagają długich czasów ładowania i wyładowania; oprócz tradycyjnych akumulatorów ołowiowych stosuje się znacznie lżejsze akumulatory np. kadmowo-niklowe. Jako akumulatory mech. wykorzystuje się gł. żyroskopowe akumulatory energii kinet., w których element inercyjny (bezwładnik) w stanie naładowania wykonuje ruch obrotowy; akumulatory te wykazują b. wysoką sprawność, jednak ich stosowanie jest ograniczone przez problemy bezpieczeństwa związane z dużą prędkością wirowania bezwładników (do 200 tys. obrotów/min) oraz zjawisko samowyładowania, wynikające ze strat spowodowanych tarciem. Akumulatory hydrauliczne magazynują energię w postaci ciśnienia sprężonego azotu; mają małą pojemność energ., ale mogą być szybko ładowane i wyładowane, a straty energii związane ze zmianami temperatury gazu są niewielkie. Eksploatowane są już pierwsze modele s.h. elektromechanicznych, czyli o układach napędowych złożonych z silnika spalinowego, prądnicy, maszyny elektr. i baterii akumulatorów elektr.; ich układy napędowe dzielą się na szeregowe i równol. (rys.); w układzie szeregowym cała energia zespołu silnik spalinowy prądnica (pierwotne źródło energii) jest przetwarzana na energię elektr., a następnie na mech.; w równol. układzie większość energii silnika spalinowego jest przenoszona przez zespoły mech. bezpośrednio do kół jezdnych samochodu. S.h. o napędzie równol. może wykorzystywać zarówno sam napęd elektr. (np. jazda w mieście, niewielkie odległości), jak i sam napęd silnikiem spalinowym (jazda na długich trasach). S.h. pozwala uzyskać znaczące oszczędności energii (dzięki odzyskowi energii) i oszczędzać środowisko silnik spalinowy może być znacznie mniejszy niż w samochodzie z klas. układem napędowym, a pracując w miarę ustalonych i optymalnych dla niego warunków zużywa znacznie mniej paliwa oraz wytwarza mniej spalin i o mniejszej toksyczności.

Pojazd, do którego napędu wykorzystuje się energię elektr. zgromadzoną w baterii akumulatorów. Układ napędowy klasycznego samochodu elektrycznego składa się ze źródła energii elektr., maszyny elektr. (elektr. silnika napędowego) oraz przekładni mech. przenoszących moc na koła jezdne; źródłem energii elektr. jest zazwyczaj akumulator elektr.; właściwe działanie elektr. układu napędowego zapewnia układ sterowania; silnik wytwarza moment obrotowy umożliwiający jazdę do przodu i do tyłu, a w przypadku zastosowania hamowania elektr. może także wytwarzać moment hamujący (praca prądnicowa); silnikami napędowymi są zwykle silniki prądu stałego, a ostatnio, coraz częściej, prądu przemiennego; zaletą tych ostatnich silników jest duża prędkość obrotowa, wysoka sprawność, prosta budowa i niski koszt, natomiast gł. ich wadą skomplikowany i dość drogi układ sterowania; elementem wykonawczym układu jest impulsowy sterownik mocy (zw. przekształtnikiem mocy), którego zadaniem jest regulacja przepływu energii między źródłem a silnikiem elektr. w obydwu kierunkach. Jedną z najważniejszych cech charakteryzujących samochód elektryczny jest jego maks. zasięg (80 200 km) wynikający przede wszystkim z pojemności elektr. akumulatorów; zasięg może być nieznacznie zwiększony przez odzyskiwanie energii podczas hamowania pojazdu maszyna elektr. pracuje wówczas jako prądnica napędzana od kół jezdnych i przekazuje energię elektr. do baterii akumulatorów. W nowszych rozwiązaniach układu napędowego dąży się do wyeliminowania przekładni mech. przez wbudowanie silników elektr. bezpośrednio do napędowych kół jezdnych. Do niedawna samochód elektryczny nie był konkurencyjny dla samochodu z silnikiem spalinowym ze względu na duży ciężar i objętość baterii akumulatorów oraz krótki zasięg i wysokie koszty eksploatacji; obecnie wzrosło zainteresowanie samochodem elektrycznym, co wynika gł. z coraz ostrzejszych przepisów dotyczących emisji szkodliwych substancji (które trudno spełnić przy stosowaniu napędu silnikiem spalinowym), powstania nowych rodzajów akumulatorów o większej energii i mocy jednostkowej masowej, rozwoju półprzewodnikowych elementów mocy (diod, tyrystorów, układów scalonych itp.) oraz układów ich sterowania. Większość znanych firm samochodowych, np. BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen, Peugeot, Citroen czy General Motors, ma w swej ofercie produkcyjnej samochody elektryczne (z konwencjonalnymi akumulatorami ołowiowymi lub np. akumulatorami kadmowo-niklowymi) o zasięgu jazdy (bez ładowania akumulatorów) do ok. 200 km.

K. Michałowski, J. Ocioszyński Pojazdy samochodowe o napędzie elektrycznym i hybrydowym , Warszawa 1989;
J. Ocioszyński Elektrotechnika i elektronika w technice motoryzacyjnej, Warszawa 1996.

Ogniwo paliwowe to ogniwo galwaniczne w którym paliwo (wodór) jest doprowadzone do anody (elektrody ujemnej), a utleniacz (tlen z powietrza) jest podawany w sposób ciągły do katody (elektroda dodatnia). Między elektrodami ogniwa znajduje się membrana polimerowa powleczona warstewką katalizatora, obecnie głównie platyny, który przyspiesza jonizację wodoru. W wodorze w postaci gazowej dochodzi do uwolnienia elektronów. Protony wodoru są przepuszczane przez membranę, elektrony zaś muszą dotrzeć do drugiej elektrody przez zewnętrzny obwód elektryczny Właśnie wtedy w wyniku różnicy potencjałów, powstaje prąd elektryczny Na katodzie elektrony reagują z tlenem i tworzą się ujemne jony tlenu, które z kolei są zobojętniane protonami wodoru. W efekcie powstają cząsteczki wody. Opisanym reakcjom towarzyszy wydzielanie się dużej ilości ciepła Kompletny zestaw ogniw paliwowych składa się z szeregu połączonych ogniw przedzielonych separatorami. W pojedynczym ogniwie powstaje prąd elektryczny o napięciu In ok. 0,6...0,9 V. Sprawność ogniwa paliwowego wynosi ok. 40…50% Emisja ciepła w ogniwie wzrasta wraz ze zwiększaniem wydatku mocy elektrycznej Maksymalna temperatura pracy ogniwa wynosi 120...130"C. Jej przekroczenie powoduje uszkodzenie membrany i warstwy katalitycznej, dlatego jest konieczne wydajne i równomierne chłodzenie ogniwa. Sposobom na zwiększenie trwałości ogniwa jest zaawansowane sterowanie jego obciążeniom. Pojazdy o napędzie elektrycznym z ogniwami paliwowymi są wyposażono także w mele akumulatory. Energia elektryczna pobierana z akumulatorów umożliwia pracę silnika napędzającego pojazd w pierwszych minutach po zimnym rozruchu Aby w ogniwie paliwowym zaczęły zachodzić reakcje chemiczne, musi ono rozgrzać się do temperatury 80...100"C. Uzyskanie możliwie szybkiego nagrzania ogniwa wymaga wewnętrznego ogrzewania I jest to drugie ważne zadanie układu chłodzenia Akumulatory wspomagają również silnik przy Intensywnym przyspieszaniu, a także magazynują energię odzyskiwaną podczas hamowania samochodu.

1 - silnik elektryczny prądu przemiennego i przekładnia. 2 - inwerter przetwornik prądu stałego na prąd przemienny), 3 - ogniwo paliwowe, 4 - wysokociśnieniowy zbiornik sprężonego wodoru, 5 – bateria akumulatorów litowo-jonowa do rozruchu i odzyskania energii

Silnik zasilany paliwom CNG jest alternatywnym rozwiązaniem napędu dla silnika zarówno o zapłonie lukrowym, jak i o zapłonie samoczynnym. Zainteresowanie gazem ziemnym, czyli metanem, jako paliwem wynika przede wszystkim z. tego, że nie pochodzi on z przeróbki ropy naftowej. Ponadto metan jest uznawany za paliwo najbezpieczniejsze z dostępnych na rynku, wpływające o wiele mniej negatywnie na środowisko naturalne niż inne nośniki energii. Rozwiązania techniczne zasilania silnika paliwem CNG można podzielić na następujące grupy:
- jednopaliwowe silniki o zapłonie iskrowym stosowane głównie w autobusach, wykorzystujące jako bazę silnik o zapłonie samoczynnym przystosowany do zasilania sprężonym gazem ziemnym za pomocą zmian konstrukcyjnych polegających głównie na zmniejszeniu stopnia sprężania do ok. 12 i za¬stosowaniu układu zapłonowego. Przy zasilaniu takiego silnika sprężonym gezom ziemnym zapłon ładunku odbywa się od iskry elektrycznej świecy zapłonowej umieszczonej zamiast wtryskiwacza oleju napędowego.
- dwupaliwowe silniki o zapłonie iskrowym przystosowane do zasilania benzyną i paliwem CNG (tak jak przy zasilaniu paliwem LPG). Są to silniki o zapłonie Iskrowym fabrycznie wyposażone w dwa układy zasilania - benzyną i sprężonym gazem ziemnym - stosowane w samochodach osobowych i dostawczych;
- silniki o zapłonie samoczynnym wyposażone w układ zasilania typu dual-fuel umożliwiający podawanie mieszaniny oleju napędowego z paliwem CNG Olej napędowy zasila silnik podczas rozruchu oraz w niewielkiej dawce podczas pracy w celu uzyskania samozapłonu w cylindrze, a pozostałą częścią mieszaniny paliwowej stanowi sprężony gaz ziemny, którego udział może stanowić nawet 80% zużywanego przez silnik paliwa. Rozwiązanie to jest przeznaczone głównie do samochodów ciężarowych i dostawczych
W pierwszych dwóch rozwiązaniach silnik jest zasilany sprężonym gazom ziemnym za pomocą wielopunktowego wtrysku sterowanego elektronicznie. Instalacja zasilająca w obu przypadkach jest laka sama Głównymi elementami zasilania silnika paliwem CNG są:
- zbiorniki gazu, - regulator ciśnienia gazu, - kolektor gazu, - wtryskiwacze gazu, - sterownik CNG.

Rozmieszczenie elementów instalacji CNG w samochodzie osobowym z silnikiem dwupaliwowym
1 - wtryskiwacze gazu, 2, 4, 5, 6 - zbiorniki gazu, 3 - wlew gazu, 7 - zbiornik benzyny 8 – sterownik CNG 9 - regulator ciśnienia gazu, 10-sterownik silnika

Zasada działania silnika Wankla jest taka sama jak tradycyjnego silnika czterosuwowego. Procesy zachodzące w jego komorach roboczych realizowane w czterech taktach: dolotu, sprężania, rozprężania i wylotu. Działanie silnika o tłoku obrotowym zilustrowano na rysunku na którym przedstawiono przemiany gazów w komorach roboczych (1, 2, 3,) występujące w czasie jednego obrotu wału korbowego silnika.