السيارة المهجنة (Hybrid Car)

السيارة المهجنة(Hybrid Car) www.thecartech.com

متطلبات تشغيل السيارة لكي تصبح السيارة سهلة الاستعمال ويمكن الاعتماد عليها يجب أن يتوفر فيها الأتي: • تسير على الأقل 300 ميل (482) كم بين التعبئة الكاملة لخزان الوقود. • يمكن تعبئة السيارة بالوقود بطريقة سهلة وسريعة. • تكون قادرة على مسايرة باقي السيارات على الطريق. - السيارة التي تسير بالبنزين يتوفر فيها ما سبق ذكره ولكن المشكلة تكمن في أنها تنتج كمية عالية من الملوثات وفي الغالب يكون لها استهلاك وقود عالي. - السيارة الكهربائية في الناحية الأخرى لا تنتج ملوثات بالمرة ولكن يمكنها أن تسير ما بين 50 إلى 100 ميل (80 إلى 161 كم) بين عملية التعبئة الكاملة للسيارة, والمشكلة في أنها تحتاج أيضاً إلى وقت كبير في عملية شحنالبطارية. -أما بالنسبة للسيارة المهجنة فيمكنها استخدام محرك بنزين اصغر من المركب بالسيارات التقليدية المسيرة بالبنزين. ويكون المحرك أكثر كفاءة من ناحية استهلاك الوقود ومن ناحية التلوث. www.thecartech.com

تصنيف السيارات تصنف السيارات كالتالي: • ذات محرك احتراق داخلي (سيارة تقليدية) • ذات موتور كهربائي (سيارة كهربائية) • ذات محرك + موتور (تهجين على التوالي) • ذات محرك + موتور (تهجين على التوازي) محرك الاحتراق الداخلي يعمل (بالبنزين أو الديزل)

السيارة المهجنة تعريف: يطلق على أي سيارة أسم سيارة مهجنة عندما تجمع بين مصدرين أو أكثر للطاقة. ويمكن تجميع مصدري الطاقة الموجودين بالسيارة المهجنة بعدة طرق: • التهجين المتوالي. • التهجين المتوازي. • كما يمكن للسيارة المهجنة أن تجمع بين النوعين من التهجين في آن واحد.

التهجين المتوالي(series hybrid) في هذا النوع من التهجين فإن محرك البنزين يقوم بإدارة مولد كهربائي بحيث يمكن للمولد أن يقوم بشحن البطارية أو إعطاء طاقة لموتور كهربائي يقوم بإدارة مجموعة نقل الحركة. لا يقوم محرك البنزين بإدارة السيارة مباشرة، أنما يتولى الموتور الكهربائي ذلك.

التهجينالمتوازي(parallel hybrid) في السيارات ذات التهجين المتوازي يكون هناك خزان للوقود, الذي يمد المحرك بالبنزين. كما يوجد هناك أيضاً مجموعة من البطاريات التي تمد موتور كهربائي بالتيار المطلوب. حيث يمكن لمحرك البنزين والموتور الكهربائي إدارة مجموعة نقل الحركة في نفس الوقت ثم تدير مجموعة نقل الحركة العجلات. و يعمل محرك الكهرباء في إدارة السيارة داخل المدينة وعند السرعات البطيئة و يعمل محرك البنزين في الطرق السريعة والسرعات العالية, ويضاف عمل المحرك الكهربائي إليه في حالة صعود مرتفع أو التسارع.

التهجين المجمع (متوازي و متوالي) يمكن تصميم السيارة بحيث تستخدم التهجين المتوالي في السرعات البطيئة و تستخدم التهجين المتوازي في السرعات العالية والتسارع.

أجزاء ومكونات السيارة المهجنة • محرك البنزين • خزان البنزين • الموتور الكهربائي • المولد الكهربائي • نقل الحركة

محرك البنزين: • تستخدم السيارة المهجنة محرك بنزين مشابه للمحركات الأخر الموجودة بمعظم السيارات, ولكن المحرك في السيارة المهجنة يكون أصغرويستخدم تقنيات متقدمة لتقليل التلوث وزيادة الكفاءة. • يمكن زيادة كفاءة المحركات الصغيرة باستخدام أجزاء داخلية صغيرة وخفيفة الوزن, و يساعد تقليل السرعة القصوى لدوران المحرك (حوالي 4500 لفة/ دقيقة) في استخدام تلك الأجزاء الصغيرة, وكذلك يؤدي تقليل عدد الاسطوانات, وتشغيل المحرك بالقرب من الحد الأقصى للحمل إلى زيادة كفاءة المحرك.

خزان البنزين: • يعتبر الخزان هو مخزن الطاقة اللازمة للمحرك. ويعتبر البنزين أكثر كثافة للطاقة بالمقارنة بالبطاريات. فإنه يلزم حوالي 125 كيلوجراماً من البطاريات لتخزين نفس الطاقة الموجودة في 1 لتر(0.800 كيلوجرام) من البنزين.

الموتور الكهربائي: • المحرك الكهربائي في السيارات المهجنة معقد للغاية. فإن التقنية الإليكترونية الحديثة تسمح له بأن يعمل كموتور كهربائي وفي نفس الوقت كمولد كهربائي. فعند الحاجة يمكن استخدام تيار من البطارية لعمل تسارع للسيارة. ولكن أثناء عمله كمولد فيمكنه من أن يخفض من سرعة السيارة ويشحن البطارية بالطاقة الكهربائية. • الموتور يكون كافي لتسير السيارة بدون الحاجة إلى محرك البنزين.

المولد الكهربائي: • المولد الكهربائي يشبه الموتور الكهربائي في التركيب ولكنه يعمل لتوليد الكهرباء. ويستخدم في الغالب في السيارات المهجنة ذات التهجين المتوالي.

نقل الحركة: يعمل نظام نقل الحركة في السيارات المهجنة نفس عمله في السيارات التقليدية. في بعض السيارات المهجنة يستخدم نفس نظام نقل الحركة التقليدي كما في سيارات "هوندا إنسيت" (Honda Insight). والبعض الأخر كما في سيارات " تويوتا بريوس" (ToyotaPrius) تستخدم نظام مختلف جذرياً.

السيارة المهجنة ” تويوتا- برويس“Prius • تم تصميم السيارة "تويوتا- بريوس" من البداية لتكون كسيارة مهجنة وليس كما في حالة السيارة "هوندا – أينسيت" حيث تم تركيب مكونات السيارة المهجنة على شاسية (جسم) السيارة هوندا- أيكورد. • وتتميز السيارة "بريوس" بعدم وجود العديد من الأجزاء الموجودة في السيارة التقليدية وكذلك بوجود أجزاء تمت إضافتها للسيارة, وأجزاء تم تعديلها.

السيارة ”برويس“ الأجزاء التي تم الاستغناء عنها هي: • لا يوجد صندوق سرعات يعمل عن طريق النقلات, ولا يوجد صندوق سرعات ميكانيكي أو أوتوماتيكي. • لا يوجد قابض أو محول عزم, ولكن العجلات متصلة عن طريق تروس بمحرك البنزين أو وحدة (الموتور/ المولد) عن طريق ما يسمى بوحدة تقسيم القدرة. • لا يوجد مقوم (بادئ حركة) حيث تقوم وحدة (الموتور/المولد) بتقويم محرك البنزين عن طريق مجموعة التروس الكوكبية الموجودة في وحدة تقسيم القدرة. • لا يوجد نظام شحن كهربائي, حيث تقوم وحدة (الموتور/ المولد) بتوليد الكهرباء عند الاحتياج إليها.

السيارة ”برويس“ الأجزاء التي تمت إضافتها: • عدد 2 وحدة (الموتور/ المولد) • وحدة تقسيم القدرة • بطارية الجر

السيارة ”برويس“ الأجزاء التي تم تعديلها: • المحرك • مجموعة تروس التخفيض النهائي

أ- السيارة ”برويس“ المحرك تصميم المحرك: • محرك مصنع من الألمنيوم, و يستخدم نظام عمود كامة علوي مزدوج (DOHC- double overhead cam) ويتبع المحرك دورة أتكنسون وليس دورة أوتو كما في باقي السيارات التقليدية. • دورة أتكنسون: في هذه الدورة يكون شوط القدرة أكبر من شوط الانضغاط (في دورة أوتو شوط القدرة يساوي شوط الانضغاط) نسبة الانضغاط تساوي 10:1و نسبة التمدد تساوي 20:1, وبهذا يمكن الاستفادة من معظم الطاقة الموجودة في غازات الاحتراق وذلك لطول شوط القدرة. ويمكن تكبير شوط القدرة عن شوط الضغط باستخدام تحكم اليكتروني في توقيت فتح وغلق الصمامات. وفي الحقيقة ليس هناك تغيير في الطول الفعلي للشوط ولكن يتم تغيير الطول الفعال عن طريق أطالت مدة فتح الصمامات (حيث لن يبدأ شوط الانضغاط إلا بعد غلق الصمامات). كما تزيد كفاءة المحرك الذي يعمل حسب دورة أتكنسون نتيجة تقليل الفقد في الانسياب (pumping loss). • ويسمح نظام نقل الحركة (وحدة تقسم القدرة) إلى السماح للمحرك بالبقاء معظم الوقت في المجال الأكثر كفاءة من السرعة والحمل.

ب- السيارة ”برويس“ المحرك كما عدل تصميم الماكينة لتحسين الأداء: • ترحيل محور المكبس الطولي عن محور عمود المرفق (offset) بمقدار 12 مم لتقليل الاحتكاك داخل الماكينة, • تغير في شكل المكبس, • الصمامات لها ساق قصير ونوابض قليلة الكزازة للتقليل الفقد في الطاقة عند فتح الصمامات • جعل غرفة مضخة المياه مصبوبة مع جسم المحرك, • تغيير شكل مسار المياه داخل جسم الماكينة إلى انسياب مستمر, • استخدام نظام الإشعال المباشر, • التحكم في التوصيل بين بدال البنزين وفتحة الخانق عن طريق الأسلاك وليس الوصلات الميكانيكية. • كما تم تعديل نظام التحكم في الملوثات عن طريق جهاز يقوم بالاحتفاظ بالهيدروكربون الغير محترق بغازات العادم عندما يكون مادة حفازالغاز(catalyst) باردة وينتظر حتى أن يتم تسخين المادة عن طريق غازات العادم, يسمى هذا الجهاز جهاز الاحتفاظ بالغاز (adsorber). • كما تم تعديل في نظام التبريد كذلك حيث تم دمج مكثف التكيف والمشع في وحدة واحدة (في السيارات التقليدية يكون المكثف أمام المشع ويفصل بينهما مسافة قصيرة). • وبالإضافة إلى بطاريات إدارة السيارة هناك بطارية 12 فولت لتوفير الطاقة لنظام الإضاءة والملحقات الكهربائية المختلفة

أ- السيارة ”برويس“ وحدة (الموتور/ المولد) التركيب: • للسيارة " بريوس" عدد أثنين وحدة موتور/ مولد. والوحدتين متشابهين في التركيب ولكن مختلفين في الحجم. وكلاهما عبارة عن موتور كهربائي ثلاث فاز توافقي ذو تيار متردد ومجال مغناطيسي دائم. ويتكون الجزء الدوار من مغناطيس قوي ولا يتصل بأي أسلاك كهربائية. أما الجزء الثابت فبه ثلاثة ملفات. عند مرور التيار في أحدى الملفات ف اتجاه معين فيدور الجزء الدوار في اتجاه معين. وعند مرور التيار بالتتابع في الملفات يتم دوران الجزء الدوار. في حالة التأثير بقوة خارجية في إدارة الجزء الدوار يتولد تيار في ملفات الجزء الثابت ويمكن استخدام التيار بشحن البطارية. وبهذا يمكن لهذه الوحدة أن تستخدم كموتور أو كمولد ويمر التيار من وإلى البطارية على الترتيب.

ب- السيارة ”برويس“ وحدة (الموتور/ المولد) • وحدة الموتور/ المولد (1)(MG1-motor/generator 1): • وهي الأصغر بالنسبة للوحدة الأخرى. وهي ذات قدرة 18 كيلووات, وتتصل بالترس الشمسي بوحدة تقسيم القدرة. ووظيفة هذه الوحدة هي القيام ببدء إدارة محرك البنزين والتحكم في سرعة دوران محرك البنزين عن طريق توليد كمية مختلفة من القدرة الكهربائية. • وحدة الموتور/ المولد (2) (MG2- motor/generator 2) : • وهي الوحدة الأكبر حجماً, وتتصل بالترس الحلقي بوحدة تقسيم القدرة المتصلة بتروس التخفيض النهائي ومنها إلى العجلات الأمامية القائدة. و تكون وحدة الموتور/ المولد تلك قادرة على تسير السيارة. وهي ذات قدرة 33 كيلووات. وتسمى هذه الوحدة في بعض الأحيان بموتور الجر. والعمل الأساسي لهذه الوحدة هو أعطاء قدرة للسيارة كموتور كما تعمل كمولد عن طريق استعادة جزء من طاقة فرملة السيارة.

السيارة ”برويس“المحولات (inverters) حيث أن الموتور/ المولد يعمل عن طريق تيار متردد ثلاثة فاز والبطاريات تعمل بتيار مستمر, فلهذا نحتاج إلى دائرة إليكترونية (المحولات) للتحويل بينهما. وتعمل المحولات على توصيل تيار البطارية إلى الملفات ثم فصله مرة أخرى بسرعة عالية كما تقوم بتغير قيمة التيار ومن ثم العزم. ويمكن الاستفادة من الحث الكهربائي في ملفات الموتور لتوليد تيار أعلى من تيار البطارية مما يرفع العزم بدرجة كبيرة ويجعل الوحدة (MG2) قادرة على تسير السيارة بدون الحاجة إلى ترس تخفيض لتكبير العزم.

أ- السيارة ”برويس“البطارية(battery) • تتكون بطارية السيارة "بريوس" العالية الجهد من 228 خلية, وجهد الخلية الواحدة 1.2 فولت بجهد إجمالي للبطارية 273.6 فولت, و تماثل الخلية في الحجم حجم البطارية الجافة مقاس د .(D). وتم وضع الخلاية في 38 وحدة كل وحدة تحتوي على 6 خلايا. تجمع جميع الوحدات في مجمع واحد يوضع خلف المقعد الخلفي. وقيمة التيار القصوى المار بالبطارية هو 80 أمبير في التفريغ و50 أمبير في الشحن. وتخزن البطارية طاقة تقدر بـ 6.4 ميجا جول وتكون الطاقة المستفادة 2.56 ميجا جول. وهذه الطاقة كافية لتسارع السيارة بالسائق وراكب حتى 65 ميل/ ساعة (105 كم/ ساعة) 4 مرات دون الحاجة إلى مساعدة من محرك البنزين. وللحصول على هذه الطاقة من البنزين نحتاج فقط إلى 0.23 لتر بنزين.

ب- السيارة ”برويس“البطارية(battery) • وبطارية السيارة معزولة وهي بطارية من النيكل (NiMH – sealed nickel-metal hydride)ذات جهد 330 فولت وهي تعمل كمخزن لتخزين الطاقة الكهربائية لإدارة السيارة ومساعدة محرك البنزين في عملية التسارع. وبالنسبة لوجود نظام استخلاص الطاقة الفرامل ونظام الموتور/ المولد فلا تحتاج السيارة إلى وصلها بمصدر خارجي للتيار الكهربائي. • كما يوجد بالسيارة بطارية إضافية ذات جهد 12 فولت, وسعة 28 أمبير ساعة. عند إدارة السيارة يوجد محول من تيار متردد إلى تيار مستمر من نظام الجهد العالي يقوم بإمداد الكهرباء إلى دوائر السيارة المختلفة وكذلك شحن البطارية الإضافية.

أ- السيارة ”برويس“ (وحدة تقسيم القدرة (PSD- (power split device) يتم تجميع وتوزيع العزم والقدرة لمحرك البنزين ووحدتي الموتور/ المولد عن طريق مجموعة وحدة تروس كوكبية وأطلق عليها بواسطة تويوتا وحدة تقسيم القدرة (PSD). وهذه الوحدة تسمح للسيارة أن تعمل في كلا الحالتين؛ التهجين المتوازي والتهجين المتوالي في نفس الوقت والحصول على بعض المميزات من كل نوع. فيستطيع محرك البنزين إدارة العجلات مباشرة (ميكانيكياً) عن طريق الوحدة, وفي نفس الوقت يمكن سحب جزء من طاقة محرك البنزين لتحويلها إلى كهرباء. والتي يمكن بها شحن البطارية أو تمرر إلى وحدة الموتور/ مولد (1) للمساعدة في إدارة العجلات. و تمكن المرونة في تقسيم الطاقة الميكانيكية/ الكهربائية في وحدة تقسيم القدرة السيارة "بريوس" أن تحسن من استهلاك الوقود وتتحكم في التلوث بشكل كان لا يمكن الوصول إليه في حالة استخدام اتصال ميكانيكي مباشر بين محرك البنزين والعجلات كما في نظام التهجين المتوازي أو يؤدي إلى فقد في الطاقة الكهربائية كما في نظام التهجين المتوالي.

ب- السيارة ”برويس“ (وحدة تقسيم القدرة (PSD- (power split device) ووحدة تقسيم القدرة هي مجموعة التروس الكوكبية.تتصل وحدة الموتور/ المولد (1) بالترس الحلقي حيث يتصل الترس بمجموعة التروس الفروقية التي تدير العجلات. ويتصل الموتور/ المولد (2) بالترس الشمسي ويتصل محرك البنزين بحامل التروس الكوكبية. وتعتمد سرعة السيارة على حركة دوران الترس الحلقي الذي يعتمد على حركة جميع الأجزاء (الموتور و المولد , محرك البنزين).

السيارة ”برويس“ نظام التحكم في المركبةVSCVehicleSystemControl نظام التحكم في المركبة هو جهاز يضمن انسياب القدرة بسلاسة والتشغيل السليم لمنظومات السيارة. ويساعد النظام في عمليات شحن, ومؤازرة محرك البنزين, وبدأ تشغيل محرك البنزين. وتعمل على غلق المحرك أثناء السرعة الثابتة وتوقف السيارة لتوفير استهلاك الوقود. وكذلك تقوم بتحويل الموتور الكهربائي إلى مولد عند استخدام الفرملة للمساعدة في شحن البطارية من الطاقة المستخلصة من الفرامل

السيارة ”برويس“فرامل استرجاع الطاقة يتم استرجاع بعض من الطاقة المفقودة وذلك خلال السير بسرعة ثابتة والتباطؤ وإيقاف السيارة وذلك عن طريق تحويل الموتور إلى مولد

السيارة ”برويس“ خواص أخرى .... • يوجد وسادة هوائية على شكل ستارة أمامية وجانبية وخلفية لمقعد السائق والمقعد الأمامي بجانب السائق. • نظام منع السرقة. • نظام أوتوماتيكي لتظليل مرآه النظر للخلف • شاشة عرض بلورية متعددة المعلومات؛ بيان متابعة مسار الطاقة و استهلاك الوقود و التحكم في المناخ و حالة الصوت داخل السيارة, وبيان درجة الحرارة الخارجية. • تحكم في تسير ذاتي للسيارة (Cruise control). • النظام الذكي لفتح باب السيارة وبدأ إدارتها. • إدارة السيارة عن طريق زر دفع(Push button start) • نظام منع غلق العجلات (ABS) مع نظام توزيع الفرامل الإليكتروني (EBD) ونظام مساعدة الفرامل (brake assist) • نظام التحكم في اتزان السيارة (VSC) • نظام دي في دي للملاحة يعمل عن طريق الصوت (Voice-activated DVD navigation system) , بالإضافة إلى الاتصال التليفوني بدون استخدام اليد عن طريق استخدام تقنية البلو توس (Bluetooth) • تستخدم مكيف هواء كهربائي يعمل عن طريق المحولات.

المميزات والعيوب مميزات السيارة المهجنة: • توفير للوقود • تلوث أقل • لا يحتاج الموتور الكهربائي أو البطارية إلى أي عملية صيانة خلال العمر التشغيلي للسيارة. • وصيانة محرك البنزين يحتاج إلى نفس الصيانة المطلوبة لمحرك السيارات التقليدية وحيث أن المحرك يعمل بسرعات أقل فإنه يحتاج إلى فترات أطول بين الصيانة الدورية. • كما أن الفرامل تعمل بنظام استرجاع الطاقة فإن ذلك سوف يؤدي إلى زيادة عمر بطانات الاحتكاك عيوب السيارة المهجنة: • ماذا سيكون عليه سعر السيارة المهجنة كسيارة مستعملة. هذا سؤال صعب حيث أن ثمن البطارية هو 3000 دولار أو أكثر حيث أن صانعي السيارة يضمنون البطارية حتى 160.00 كيلومتر. • الزيادة في سعر السيارة يحتاج إلى تشغيل السيارة 160.000 كليومتر لتوفير في سعر الوقود ليعوض الزيادة في سعر الشراء (3500 دولار).

السيارة المهجنة (Hybrid Car)