خودرو هیبریدی چگونه کار می کند؟

حتماً برایتان پیش آمده که زمان زیادی را در پمپ بنزین بگذرانید. این مشکل به دلیل بنزینی بودن خودرو شما است. البته نه فقط بنزین، بلکه همه سوخت های فسیلی، مشکلات مخصوص به خود را دارند. یکی از راه هایی که خودروسازان برای کم کردن مشکلات و نیز کاهش آلودگی هوا استفاده کرده اند، ساخت خودرو هیبریدی است.

• خودرو هیبریدی چیست و چرا این نام را بر آن نهاده اند؟
• خودروهایی هیبریدی چگونه کار می کنند؟
• چرا 20 تا 30 مایل در هر گالون نسبت به خودروهای بنزینی بیشتر می روند؟
• و نیز چرا آلودگی کمتری نسبت به خودروهای بنزینی یا دیزلی دارند؟

شما می توانید جواب این پرسش ها را در این مقاله بیابید.

تعداد زیادی از مردم، خودروهای هیبریدی را در مکان هایی مثلاً در لوکوموتیوها دیده اند. بیشتر لوکوموتیوها از سیستم هیبریدی دیزل الکتریکی بهره می برند و یا در شهرها اتوبوس هایی با همین سیستم کار می کنند. این اتوبوس ها یا بهتر بگوییم تراموا، وقتی که به سیم های برق بالای سقف خود دسترسی دارند، از نیروی پیشرانه الکتریکی بهره می برند و زمانی که به این کابل های برق دسترسی نداشته باشند (مثلاً وقتی برق قطع باشد)، با سیستم پیشرانه دیزل به حرکت ادامه می دهند. زیردریایی ها نیز نوعی ماشین های هیبریدی هستند که معمولاً با یکی از سیستم های هسته ای الکتریکی و یا دیزل الکتریکی کار می کنند.

بطورکلی به تمامی وسائل نقلیه ای که از ادغام دو یا چند پیشرانه انتقال نیرو تشکیل شده باشند، ماشین هیبریدی گویند. بیشتر خودروهای هیبریدی تولید شده تاکنون از نوع بنزینی – الکتریکی هستند، گرچه بعضی شرکت های خودروسازی مانند پژو سیتروئن، خودروهای هیبریدی از نوع دیزل الکتریکی نیز تولید کرده اند. در این مقاله ما به خودروهای بنزینی الکتریکی می پردازیم.

انرژی الکتریکی و انرژی بنزین

خودروهای بنزینی – الکتریکی از نظر کارکرد مابین خودروهای بنزینی یا الکتریکی هستند.

خودروهای بنزینی شامل یک باک بنزین می باشند که منبع ذخیره بنزین مورد استفاده موتور است و موتور نیز به وسیله سیستم انتقال قدرت، نیروی تولیدی را به چرخ ها می رساند.

در مقابل، در خودروهای الکتریکی یک مجموعه از باتری ها وجود دارد که الکتریسیته مورد نیاز موتور الکتریکی را فراهم می کنند و موتور الکتریکی نیز بوسیله سیستم انتقال قدرت، نیروی تولیدی خود را به چرخ ها می رساند.

برای ما یک خودروی مفید، خودرویی است که حداقل نیازهای ما را در زمینه سرعت و مصرف سوخت برآورده کند. یک موتور بنزینی، اکثر این نیازها را برآورده می کند، اما در عوض آلودگی زیادی دارد. یک موتور برقی با اینکه آلودگی خیلی کمی دارد (یا اصلاً ندارد)، اما حداکثر می تواند بین 80 تا 160 کیلومتر در بین دو شارژ خود برود. مشکل دیگر موتور الکتریکی این است که شارژ شدن شان به زمان طولانی نیاز دارد.

یک خودرو هیبریدی بنزینی – الکتریکی، ترکیبی از دو پیشرانه است که به نوعی می توانند مکمل همدیگر باشند. سیستم هیبریدی بنزینی – الکتریکی شامل اجزاء زیر است:

1) موتور بنزینی: موتور بنزینی که در این خودرو وجود دارد، شباهت زیادی به موتورهای خودروهای بنزینی دارد، ولی این موتور کوچکتر و نیز دارای تکنولوژی بالاتری نسبت به خودروهای معمولی است که باعث کاهش آلودگی و افزایش کارآیی می شود.

2) باک بنزین: باک بنزین در این نوع خودروها محل ذخیره انرژی برای موتور بنزینی است. بنزین چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری دارد؛ به عنوان مثال 1000 پوند باتری معادل 1 گالون (7 پوند) بنزین انرژی دارد.

3) موتور الکتریکی: موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی خیلی پیشرفته هستند. این موتور پیشرفته هم در جایگاه یک موتور قادر به انجام کار است و هم در حد یک ژنراتور می تواند عمل کند. این موتور الکتریکی با استفاده از باتری قادر است، شتاب مورد نظر را ایجاد کند و زمانی که خودرو نیازی به موتور الکتریکی ندارد؛ مثلاً در یک سراشیبی، به عنوان یک ژنراتور، نیرو را به باتری ها بر می گرداند.

4) ژنراتور: ژنراتور بسیار شبیه به موتور الکتریکی است، با این تفاوت که ژنراتور فقط وظیفه تامین الکتریسیته مورد نیاز موتور را بر عهده دارد. ژنراتور بیشتر در خودروهای هیبریدی سری بکار می رود.

5) باتری: باتری ها در خودرو هیبریدی یک وسیله ذخیره انرژی برای موتور الکتریکی محسوب می شوند. بر خلاف بنزین موجود در باک که تنها می تواند به موتور بنزینی سوخت برساند، موتورهای الکتریکی علاوه بر کار دریافت انرژی، در زمان های خاص می توانند انرژی را به باتری پس دهند.

سیستم های پیشرانه در خودروهای هیبریدی را می توان به روش های مختلف (سری یا موازی) با هم ترکیب کرد.

1) هیبریدی موازی: در هیبرید موازی، باک بنزین سوخت را به موتور بنزینی می رساند و باتری ها نیز الکتریسیته را به موتور الکتریکی می رساند و هر دو موتور همزمان و با هم به سیستم انتقال قدرت متصل می شوند و قدرت را به چرخ ها می رسانند. توجه داشته باشید که باک بنزین و موتور بنزینی به سیستم انتقال قدرت متصل هستند و باتری ها و موتورهای الکتریکی نیز اغلب مستقل و جداگانه به سیستم انتقال قدرت متصل هستند. لذا در هیبریدهای موازی، هر دو موتور بنزینی و الکتریکی نیرو محرکه مورد نیاز را فراهم می کنند.

2) هیبریدهای سری: در مقابل هیبریدهای موازی، هیبریدهای سری قرار دارند. در این نوع هیبریدها موتور بنزینی، ژنراتور را به حرکت در می آورد و ژنراتور می تواند باتری ها را شارژ کند یا به موتور الکتریکی قدرت بدهد تا این موتور نیز انرژی تولیدی را به سیستم انتقال قدرت تحویل دهد. بنابراین در هیبریدهای سری موتور بنزینی هرگز مستقیماً به سیستم انتقال قدرت نیرو نمی دهند.

عملکرد خودرو هیبریدی

موتور بنزینی در خودرو هیبریدی معمولاً کوچکتر از یک خودروی معمولی است و از این رو بهره وری بیشتری دارد. بیشتر خودروها برای تولید نیروی کافی جهت ایجاد شتاب سریع نیاز به یک موتور نسبتاً بزرگ دارند. در موتورهای کوچک، این بهره وری و کارآیی می تواند با کوچک کردن، سبک کردن قطعات و نیز با کاهش تعداد سیلندرها بهبود یابد.

چندین دلیل مبنی بر اینکه چرا موتورهای کوچکتر، کارآیی بالاتر و بهره وری بیشتری نسبت به موتورهای بزرگتر دارند، وجود دارد:

• موتورهای بزرگتر، سنگین تر از موتورهای سبک تر هستند و انرژی بیشتری در واحد زمان، مصرف می کنند.
• پیستون و دیگر اجزای داخلی موتورهای بزرگتر سنگین هستند. از همین رو انرژی زیادتری در واحد زمان نیاز دارند تا در سیلندر بالا و پایین بروند.
• تغییر مکان و جابجایی در داخل سیلندرهای بزرگتر، بیشتر است در نتیجه سوخت بیشتری برای هر سیلندر مورد نیاز است.
• موتورهای بزرگتر معمولاً سیلندرهای بیشتری دارند و هر سیلندر نیز سوخت زیادی مصرف می کند، حتی اگر خودرو در حال حرکت نباشد.

دلایل فوق توضیح می دهند که چرا دو مدل خودروی مشابه با موتورهای متفاوت، در آزمون سنجش نتایج متفاوتی را به دست می آورند. اگر هر دو خودرو در حال حرکت در یک اتوبان باشند، در یک سرعت برابر و معین، خودرویی که موتور کوچکتری دارد، انرژی و سوخت کمتری مصرف می کند.

موتور گازسوز در خودرو هیبریدی قدرت کافی برای حرکت ماشین در یک بزرگراه را دارد. زمانی که خودرو هیبریدی نیاز به شتاب داشته باشد، این نیاز بوسیله موتور الکتریکی و باتری هایش تامین می شود. این سیستم در صورت لزوم، نیروی اضافی ضروری را فراهم می کند.

موتورهای گازسوز در خودروهای معمولی برای ایجاد حداکثر قدرت ممکن ساخته شده اند، در حالی که رانندگان این خودروها در کمتر از یک درصد از زمان رانندگی، از حداکثر قدرت موتور استفاده می کنند. در کنار کوچک بودن و کارآیی بیشتر موتور در خودروهای هیبریدی، امروزه برای خودروهای هیبریدی از تکنولوژی های جدیدی استفاده می کنند تا بهره وری سوخت بالا برود. برای مثال یک خودرو هیبریدی می تواند:

• انرژی را بازیابی و در باتری ذخیره نماید: اغلب هنگامی که شما پدال ترمز را فشار می دهید، انرژی خود را تلف می کنید، چرا که هرچه خودرو سریع تر حرکت کند، انرژی جنبشی بیشتری پیدا می کند و در نهایت هنگام ترمز کردن، این انرژی به صورت گرما هدر می رود. در خودروهای هیبریدی می توان مقداری از این انرژی را بازگرداند و در باتری برای استفاده مجدد ذخیره کرد. این کار با سیستم ترمز احیاء کننده انجام می گیرد. در این حالت، موتور الکتریکی به مانند یک ژنراتور رفتار می کند و ضمن کند شدن حرکت ماشین، انرژی جنبشی آن صرف شارژ کردن باتری می شود.
• بعضی وقت ها موتور بنزینی خاموش می شود: یک خودرو هیبریدی همیشه نیاز به روشن بودن موتور بنزینی ندارد، زیرا موتور الکتریکی همراه دارد. بنابراین بعضی وقت ها می توان موتور بنزینی خودرو هیبریدی را خاموش کرد. برای مثال، زمانی که خودرو در مقابل چراغ قرمز توقف کرده است.
• بکار بردن اصول آیرودینامیک برای کاهش نیروی پسا یا درگ (Drag): وقتی که شما در یک اتوبان رانندگی می کنید، بیشترین نیروی موتور صرف مقابله با نیروی وارده به ماشین از طرف جریان هوا می شود. این نیروی مخالف به نیروی درگ موسوم است. می توان به چندین روش، اثرات این نیرو را کاهش داد. یک راه مطمئن برای کاهش این نیرو، به کار بردن اصول آیرودینامیکی در ناحیه جلوی ماشین است. کاهش اشیاء خارجی روی بدنه خودرو و حذف بعضی از آنها نیز می تواند در بهبود ظاهر آیرودینامیکی خودرو موثر باشد. برای مثال، بعضی وقت ها جایگزین آئینه ها با دوربین های کوچک داخلی می تواند مفید باشد.
• بکار بردن تایرهای مخصوص: تایرهای اکثر خودروها بهینه سازی شده اند، ولی این تایرها موجب به وجود آمدن نیروی درگ نیز می شوند. خودروهای هیبریدی از یک تایر مخصوص استفاده می کنند که سفت تر و پُر بادتر است و نیز فشار بیشتری نسبت به تایرهای معمولی دارد. نتیجه این کار باعث کاهش نیروی درگ به نصف در مقایسه با تایرهای معمولی می شود.
• بکار بردن مواد سبک وزن: کاهش وزن کل خودرو یکی از راه های ساده برای افزایش راندمان و کارآیی خودرو است. خودروهای سبک تر زمانی که در حال شتاب گیری یا در حال بالا رفتن از یک سر بالایی هستند، انرژی کمتری نسبت به خودروهای سنگین تر مصرف می کنند. مواد کامپوزیت مانند فیبر کربن یا فلزات سبک وزن مانند آلومینیوم و منیزیم نیز می توانند در کاهش وزن خودرو به کار روند.

خودروهای هیبریدی به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و بهبود در مسافت طی شده کمک می کنند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «خودرو هیبریدی چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.