Hybryda na Shell Eco-marathon 2014

Od 2012 r. koło podjęło działania zmierzające do stworzenia pojazdu hybrydowego tzn. posiadającego dwa rodzaje napędów. Jako, że głównym celem SKAP-u jest udział w międzynarodowych zawodach Shell Eco-marathon polegających na przejazdach przy jak najmniejszym zużyciu energii, skupiono się na stworzeniu hybrydy pod te konkretne zawody.

Już 2 lata temu wiadomo było, że takim pojazdem będzie PAKS. Dla przypomnienia jest to pojazd miejski zasilany benzyną (dokładnie Shell FuelSave Unleaded 95) , czyli ulepszoną przez Shell'a zwykła 95-ką, którą lejemy do baków naszych aut poruszających się po europejskich drogach.

Pojazd PAKS podczas testów na Stadionie Narodowym  przed zawodami Shell Eco-marathon 2013 na których wygrał  swoją kategorię z wynikiem 334,2 km możliwych do  przejechania na 1 litrze paliwa.

Wymagania organizatorów nie ułatwiają jednak zadania uczestnikom. Zgodnie z zapowiedzią co roku będzie podnoszona poprzeczką w stopniu trudności w budowie pojazdów. Napęd  hybrydowy, tak jak i reszta elementów pojazdów muszą spełnić regulaminowe warunki aby były dopuszczone na tor w  Rotterdamie przez inspekcję techniczną. I tak na przykład nie jest dopuszczony system KERS stosowany między innymi w Formule 1, gdzie energia z hamowania jest magazynowana m.in. w kole zamachowym tak aby można było ją później wykorzystać do ponownego rozpędzenia pojazdu. Taktyka większości zespołów opiera się na minimalizowaniu użytkowania hamulcy, dlatego większe kontrowersje może wzbudzać rodzaj źródła pośredniczącego w wymianie energii. Jako źródło pośredniczące dopuszczono jedynie energię elektryczną zgromadzoną w superkondensatorach.

Superkondensatory jakich my użyjemy jako magazyn energii 

Może to ograniaczać pomysłowość inżynierów ponieważ jest dużo więcej możliwości wykonania pojazdu hybrydowego niż napęd elektryczny, a tym bardziej więcej źródeł energii elektrycznej. Prawdopodobnie z powodu braku zaufania do studenckich konstrukcji okrojono możliwość zastosowania nowoczesnych lżejszych baterii litowych np. litowo-jonowych, które przy zbyt szybkim rozładowaniu lub mechanicznym zniszczeniu moga po prostu wybuchnąć. Kierowca co prawda jest chroniony elementem zwanym firewall, oddzielającym kabinę kierowcy od strefy napędowej, ale to mogło by nie wystarczyć aby zapewnić bezpieczeństwo w takiej sytuacji.

Przód pojazdu z kabiną kierowcy pojazdu PAKS i widoczną ścianką grodziową tzw. firewall

Znacznie bezpieczniejsze są superkondensatory które co prawda posiadają o rząd wielkości mniejszą energię właściwą niż najlepsze obecnie akumulatory, co oznacza że są cięższe w stosunku do energii jaką posiadają, jednak w sposób bezpieczny przyjmują i oddają wielkie moce - mówimy wtedy o dużej mocy właściwej - tzn. mocy odniesionej do jednostki masy. Całkiem ciekawy jest fakt aż tak radykalnego podejścia organizatora do kwestii źródła energii, jednak koncern paliwowy może mieć jasno wynikający z tego cel. Można by tutaj rozważyć znacznie bezpieczniejsze akumulatory litowo-fosfatowe oraz obowiązkowy elektryczny układ kontroli parametrów tych ogniw. Mogło by to zwiększyć znacznie szansę dominacji pojazdów hybrydowych nad zwykłymi spalinowcami, ponieważ pojazdy hybrydowe byłyby lżejsze, jednak taka taktyka organizatora jest przez nas zrozumiała. Masa pojazdów ma tutaj decydujący wpływ na opory ruchu, a dokładniej na opór toczenia, z minimalizacją którego borykają się inżynierowie i profesorzy z całej Europy. 

Kierownicy projektu ustawiają montują silnik spalinowy po dokonanych modyfikacjach

Przez 2 lata przewijały się różne różne pomysły na realizację naszego projektu. Należy tu od razu wspomnieć, że wszystkie elementy pojazdów muszą być idealnie dobrane pod kątem masy i funkcji jaką spełniają gdyż każdy gram się liczy na wagę złota. W zeszłym roku wygraliśmy z zespołem z Francji rożnicą jedynie 1 ml paliwa. To pokazuje jak dokładne muszą być urządzenia pomiarowe na tego typu zawodach i ile znaczy każdy 1 kg masy. 

Pojazd PAKS dzięki ciągłym modyfikacjom waży obecnie ok. 130 kg. Od początku swojego istnienia jest napędzany całkiem dobrym silnikiem produkowanym od wielu lat w Azji, obecnie na licencji Hondy o pojemności 72 cm3 i mocy ok. 4 KM. Silnik pomimo tego, że zasilany jest gaźnikiem czyli konstrukcji bardziej prymitywnej niż silniki z wtryskiem paliwa, został maksymalnie zmodyfikowany aby uzyskać jak największą sprawność spalania. Głównie dlatego nie rozpatrywano zastosowana innego silnika do tego pojazdu. Trzeba od razu wspomnieć, że silnik spalinowy na zawodach Shell Eco-marathon pracuje cyklicznie, gdyż opory toczenia tychże pojazdów są na tyle małe, że aby uzyskać średnią prędkość przejazdu tzn. 25 km/h w pojazdach prototypowych lub 30 km/h w pojazdach miejskich potrzeba niewiele mocy napędowej. Tak niewiele, że nieopłacalna była by ciągła praca silnika spalinowego na biegu jałowym i bardziej opłaca się całkowicie wyłączać a później ponownie włączać silnik na kilka sekund. Ponadto, bardzo uogólniając, sprawność silnika spalinowego rośnie wraz z obciążeniem co oznacza dla nas tyle, że opłaca się go dociążyć jakimś rodzajem prądnicy, tym bardziej że posiadamy nadmiar energii od strony silnika, którą można  zgromadzić w superkondensatorze. Jest to swoisty "akumulator" energii elektrycznej, z tym że całkiem różni się od akumulatora wewnętrzną budową. W superkondensatorze nie zachodzą żadne reakcje chemiczne, a więc jest bezpieczniejszy i bardziej trwały, a energia gromadzona zostaje tak jak na zwykłym kondensatorze - ładunki doczepiają się do jego bardzo blisko zbliżonych do siebie okładek co skutkuje jego dużą pojemnością elektryczną, a różnica wytworzonych napięć zwiększa jeszcze bardziej energię w nim zgromadzoną. Zgodnie ze wzorem : 

Jako, że jest to nasza pierwsza przygoda z napędem hybrydowym zdecydowano się na jak najprostszą wersję napędu, także ze względu na minimalizację masy. Cały układ elektryczny wraz z prądnicą i superkondensatorami nie przekroczy wagi 12 kg. Pojazdy miejskie, takie jak PAKS, na Shell Eco-marathonie muszą na każdym z dziesięciu okrążeń wykonać obowiązkowy postój. Symuluje to tryb jazdy miejskiej tzn. postoje na światłach i częste ruszania pojazdów od zerowej prędkości obrotowej.

 

PAKS na torze Ahoy! Rotterdam w 2013 r.

 

Schemat blokowy systemu napędowego w PAKS-ie 2014

Silnik spalinowy podczas ruszania ma niską sprawność i pali zdecydowanie więcej niż w sytuacji jak miałby utrzymywać zadaną stałą prędkość. Tutaj pojawia się okazja wykorzystania potencjału silnika elektrycznego - do ruszania pojazdu. W tym zakresie charakterystyki pracy silnika spalinowego (niskie obroty, rozpędzanie masy pojazdu), zdecydowanie wygrywa napęd elektryczny. Silnik elektryczny typu PMSM, jaki zastosujemy posiada wysoką sprawność rzędu 70-90 % praktycznie w całym zakresie swojej prędkości obrotowej. Skutkuje to wykorzystaniem większości energii zgromadzonej w superkondensatorach dzięki dodatkowemu obciążaniu silnika spalinowego i szansę na bardziej ekonomiczny przejazd.  Wykorzystamy więc napęd elektryczny tylko do ruszania pojazdu i rozpędzenia go do optymalnej prędkości, a dalej rolę napędu przejmie silnik spalinowy. Jako że silniki elektryczne, które będą służyć do tego układu rozwijają pełną moc dopiero przy bardzo wysokich obrotach rzędu 6000-7000 obr./min zastosujemy odpowiednie przekładnie, m.in. przekładnie planteraną, która zmniejszy nam obroty przenoszone na lewe koło (napęd elektryczny). 

 

Silniki elektryczne i superkondensatory w fazie testowania w laboratorium Mikromaszyn przy Wydziale Elektrycznym

Podczas każdorazowej pracy silnika spalinowego będzie on obciążony nie tylko oporami ruchu pojazdu ale także silnikiem elektrycznym pracującym w trybie pracy prądnicowej - będzie wytwarzał moc ładującą superkondensatory. Dzięki kontroli napięcia na superkondensatorach kierowca będzie wiedział czy posiada już zgromadzoną energię potrzebną do ruszenia pojazdu za pomocą silnika elektrycznego połączonego z jednym z kół napędowych.

Testy na Stadionie Narodowym powinny umożliwić na ustalenie jak długa powinna być praca poszczególnych silników pojazdu aby zoptymalizować spalanie do minimum. Liczmy na kolejne zwycięstwo! 

Ceremonia wręczenia nagród podczas zawodów Shell Eco-marthon 2013 - 1 sze miejsce SKAP-u w kategorii Gasoline - Urban Conept