Hybryda hydrauliczna – tańsza, sprawniejsza, lepsza

Bosch we współpracy z koncernem PSA Peugeot Citroën skonstruował pojazd hybrydowy, w którym silnik spalinowy współpracuje z układem hydraulicznym. Obie firmy chwalą się, że jest to pierwsza tego typu hybryda na świecie. Czy aby na pewno?

System Boscha i PSA nazwany Hybrid Air został zaprezentowany podczas tegorocznego salonu samochodowego w Genewie. Najpierw znajdzie on zastosowanie w samochodach kompaktowych. Dopiero za jakiś czas zostanie wprowadzony do aut większego segmentu, a nawet samochodów dostawczych. Koncepcja hybrydy hydraulicznej wcale jednak nie jest nowa, a pojazd Boscha nie jest wcale pierwszym na świecie.

Pierwotnie hydrauliczna technologia hybrydowa została zaprojektowana z myślą o samochodach ciężarowych (o czym Bosch zresztą wie najlepiej). Jednak badania nad hybrydami hydraulicznymi w samochodach osobowych prowadzone są już od wielu lat, a pierwsze prototypy pojawiały się ok. 5-6 lat temu. Przykładem może być chociażby Hummer H1 skonstruowany przez firmy Hybra Drive Systems i Gates. Zdaniem Jima O’Briena, założyciela i głównego technologa w HDS, inżynierom udało się zredukować spalanie w tym pojeździe z 9,8 l do 4,2 l na 100 km.

Zalety takich układów dostrzegło także amerykańskie EPA – Krajowe Laboratorium Pojazdów i Emisji Paliw. Przeprowadziło ono mnóstwo badań analizując różne rodzaje zaawansowanych silników, włączając w to także hybrydy elektryczne, pod względem redukcji emisji, oszczędności paliwa i kosztów. Dyrektor laboratorium ds. transferu technologii John Kargul, przyznał, iż szybko doszli do wniosku, że to właśnie hybrydy hydrauliczne mają w sobie największy potencjał.

EPA skupiło się co prawda na hybrydowych samochodach dostawczych, ale laboratorium skonstruowało także mniejsze pojazdy jak chociażby na bazie Forda Taurusa czy Forda Expedition. Przykładów małych przedsiębiorstw i dostawców napędu hydraulicznego, które pracowały nad tego typu systemem jest całkiem sporo. Zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych.

Problemy często dotyczyły jednak zbyt małej wydajności pompy hydraulicznej przy jednoczesnej małej pojemności. To samo tyczyło się rozmiarów i pojemności akumulatorów. Istotnym czynnikiem była także redukcja kosztów. Najwyraźniej Bosch po wielu latach badań potrafił wszystkie te elementy rozwinąć do tego stopnia, aby móc pochwalić się „pierwszym” na świecie w pełni działającym pojazdem hybrydowym, w którym zapas energii gromadzony jest w hydropneumatycznym akumulatorze ciśnieniowym.

Hydrauliczny napęd hybrydowy skonstruowany przez Boscha i PSA może wykorzystywać zarówno silnik benzynowy jak i wysokoprężny. Oprócz tego wyposażony jest w akumulator ciśnieniowy, zbiornik oraz jednostki hydrauliczne czyli pompę i silnik. Zarówno w akumulatorze jak i zbiorniku ciecz robocza jest oddzielona od sprężanego gazu (azotu). W wyniku pracy pompy (napędzanej silnikiem spalinowym), gaz w akumulatorze jest sprężany do ciśnienia nawet 300 barów, ściska go po prostu ciecz robocza niczym sprężynę. W ten sposób zostaje zwiększona energia potencjalna azotu. Ilość zgromadzonej energii zależy od pojemności akumulatora ciśnieniowego. Dodatkowy zbiornik stanowi zwykle uzupełnienie obwodu hydraulicznego.

Do wykorzystania energii skumulowanej w sprężonym gazie służy silnik hydrauliczny, który jest sprzęgany okresowo z kołami. Proces rozprężania gazu powoduje pracę cieczy roboczej, która napędza wspomniany silnik hydrauliczny. Ten przekazuje energię pojazdowi za pośrednictwem przekładni.

Koncepcja rozdzielacza napędu Powersplit umożliwia różne warianty rozdziału energii uzyskiwanej ze zużywanego paliwa. Właściwie to działa ona jak typowa hybryda elektryczna w układzie równoległym. Samochód może być więc napędzany wyłącznie silnikiem spalinowym, może poruszać się wyłącznie dzięki układowi hydraulicznemu lub wykorzystywać jednocześnie oba te systemy.

Podczas jazdy na krótkich odcinkach wykorzystywany jest tylko układ hydrauliczny, który korzysta z energii sprężonego gazu. Co prawda w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych w autach elektrycznych akumulator ciśnieniowy ma mniejszą pojemność, a co za tym idzie zapewnia mniejszy zasięg, to jednak ładuje się znacznie szybciej dzięki czemu efektywniej wykorzystuje energię płynącą z silnika spalinowego.

Podczas długich tras, zwłaszcza przy poruszaniu się z prędkościami autostradowymi, wykorzystywany jest głównie silnik spalinowy. Może on jednak w tym samym czasie napędzać pompę hydrauliczną, która tłoczy ciecz w układzie sprężając tym samym gaz w akumulatorze lub korzystać ze wspomagania silnika hydraulicznego. Praca obu układów jednocześnie wykorzystywana jest przede wszystkim w tych zakresach prędkości obrotowych oraz obciążeń silnika spalinowego, w których jest on mało efektywny. Dzięki pomocy jednostek hydraulicznych układ może osiągać optymalną efektywność zarówno pod kątem emisji spalin jak i zużycia paliwa.

Dostępna jest również funkcja Boost, czyli okresowego zwiększenia mocy. Można ją wykorzystywać do poprawy przyspieszenia lub po prostu do zwiększenia mocy całego układu w celu pokonania wzniesienia.

Kolejną zaletą hydraulicznych hybryd jest odzyskiwanie energii z procesu hamowania. Ta funkcja dostępna jest także i w hybrydach elektrycznych ale akumulatory ciśnieniowe charakteryzują się średnio trzy razy większą gęstością mocy dzięki czemu mogą przechwytywać ok. trzy razy więcej energii z hamowania. Podczas wytracania prędkości używany jest silnik hydrauliczny, który przy odwróconym działaniu pracuje jako pompa napędzana kołami. W ten sposób energia kinetyczna hamowania przekształcana jest w energię hydrostatyczną gromadzoną w akumulatorze ciśnieniowym.

Jak zatem praca hybrydy hydraulicznej przekłada się na zyski? Bosch i PSA twierdzą, że w nowym, europejskim cyklu jezdnym możliwa oszczędność paliwa wynosi do 30%, a w cyklu mieszanym do 45%. To oczywiście przekłada się także na obniżenie emisji spalin, mówi się o wartościach rzędu 50-75 g CO2/km. Kolejną zaletą tych hybryd jest ich niższy koszt produkcji oraz tańsza eksploatacja. Zespoły napędowe nie są tak drogie jak w przypadku hybryd elektrycznych i łatwiejsze w serwisowaniu. Co więcej, żywotność wszelkiego rodzaju układów hydraulicznych jest bardzo wysoka, liczona w dziesiątkach lat przy odpowiednim serwisowaniu.