1

UUnniivveerrssiittaatteeaa PPOOLLIITTEEHHNNIICCAA ddiinn BBuuccuurreeşşttii

FFaaccuullttaatteeaa ddee IInnggiinneerriiaa şşii MMaannaaggeemmeennttuull SSiisstteemmeelloorr TTeehhnnoollooggiiccee

SSttuuddiiii uunniivveerrssiittaarree ddee MMaasstteerraatt

DDoommeenniiuull IInnggiinneerriiee IInndduussttrriiaallăă

PPrrooggrraammuull ddee ssttuuddiiii,,

MMooddeellaarreeaa şşii SSiimmuullaarreeaa SSiisstteemmeelloorr MMeeccaanniiccee MMoobbiillee

MMSSSSMMMM

DD II SS EE RR TT AA ŢŢ II EE

MMaasstteerraanndd,,

PPOOPPAA MM.. MMaarriinn

CCoonndduuccăăttoorr şşttiiiinnţţiiffiicc,,

ŞŞ..ll..uunniivv..ddrr..iinngg.. FFlloorriiaann IIoonn TT.. PPEETTRREESSCCUU

22001144

2

UUnniivveerrssiittaatteeaa PPOOLLIITTEEHHNNIICCAA ddiinn BBuuccuurreeşşttii FFaaccuullttaatteeaa ddee IInnggiinneerriiaa şşii MMaannaaggeemmeennttuull SSiisstteemmeelloorr TTeehhnnoollooggiiccee

DDeeppaarrttaammeennttuull ddee TTeeoorriiaa MMeeccaanniissmmeelloorr şşii aa RRoobbooţţiilloorr

SSttuuddiiii uunniivveerrssiittaarree ddee MMaasstteerraatt

DDoommeenniiuull IInnggiinneerriiee IInndduussttrriiaallăă

PPrrooggrraammuull ddee ssttuuddiiii,,

MMooddeellaarreeaa şşii SSiimmuullaarreeaa SSiisstteemmeelloorr MMeeccaanniiccee MMoobbiillee

MMSSSSMMMM

MMaasstteerraanndd,,

PPOOPPAA MM.. MMaarriinn

TT EE MM AA

DDIISSEERRTTAAŢŢIIEEII

SSttuuddiiuull mmooddeelleelloorr ddee mmoottooaarree hhiibbrriiddee uuttiilliizzaattee llaa

aauuttoovveehhiiccuulleellee rruuttiieerree

CCoonndduuccăăttoorr şşttiiiinnţţiiffiicc,,

ŞŞ..ll..uunniivv..ddrr..iinngg.. FFlloorriiaann IIoonn TT.. PPEETTRREESSCCUU

DDeeccaann,,

PPrrooff..ddrr..iinngg.. CCrriissttiiaann DDOOIICCIINN

DDiirreeccttoorr ddee ddeeppaarrttaammeenntt,,

PPrrooff..ddrr..iinngg..CCoonnssttaannttiinn OOCCNNĂĂRREESSCCUU

3

CCuupprriinnss

CCaappiittoolluull II.. PPaagg..

II..11.. NNooţţiiuunnii ggeenneerraallee pprriivviinndd ssiisstteemmeellee hhiibbrriiddee ............................................................................................................................................................55

II..22.. NNeecceessiittaatteeaa uuttiilliizzăărriiii mmoottooaarreelloorr aauuttoo hhiibbrriiddee ....................................................................................................................................................66

II..33.. SSccuurrtt iissttoorriicc pprriivviinndd aappaarriiţţiiaa mmoottooaarreelloorr hhiibbrriiddee ..............................................................................................................................................88

II..44.. TTeennddiinnţţee aaccttuuaallee şşii ddee ppeerrssppeeccttiivvăă îînn ddeezzvvoollttaarreeaa mmoottooaarreelloorr aauuttoo hhiibbrriiddee ..............................................................1144

CCaappiittoolluull IIII..

IIII..11.. SSiisstteemmee ddee pprrooppuullssiiee hhiibbrriiddee ..........................................................................................................................................................................................................2200

IIII..22.. CCllaassiiffiiccaarreeaa mmoottooaarreelloorr hhiibbrriiddee ................................................................................................................................................................................................2222

IIII..33.. CCrriitteerriiii ddee ccllaassiiffiiccaarree ........................................................................................................................................................................................................................2233

IIII..33..11.. DDuuppăă ppuutteerreeaa mmaaşşiinniiii eelleeccttrriiccee ................................................................................................................................................................................ ..2233

IIII..33..22.. DDuuppăă mmoodduull ddee iinntteerrccoonneeccttaarree aa mmoottooaarreelloorr ...................................................................................................................................... ....2266

IIII..44.. MMoodduurrii ddee ccoonnffiigguurraarree aa ddiiffeerriitteelloorr ttiippuurrii ddee ssiisstteemmee hhiibbrriiddee .......................................................................................... ....2299

CCaappiittoolluull IIIIII.. AAuuttoottuurriissmmee ccuu ttrraannssmmiissiiee hhiibbrriiddăă

IIIIII..11.. TTooyyoottaa PPrriiuuss II –– pprriimmaa ggeenneerraaţţiiee ddee aauuttoommoobbiillee hhiibbrriiddee .......................................................... ................................................ ........3344

IIIIII..11..11.. TTrraannssmmiissiiaa TTooyyoottaa HHiibbrriidd SSyysstteemm ((TTHHSS)) ............................................................................................................................ .. .......... ............3344

IIIIII..11..22.. MMoottoorruull ccuu aarrddeerree iinntteerrnnăă .......................................................................................................................................................................... .. ......................3366

IIIIII..11..33.. MMoottoorruull şşii ggeenneerraattoorruull eelleeccttrriicc .......................................................................................................................................................... ......................3388

IIIIII..11..44.. IInnvveerrttoorruull AACC –– DDCC .................................................................................................................................................................................................. .... ............4400

IIIIII..11..55.. BBaatteerriiiillee NNII--MMHH .......................................................................................................................................................................................................... ....................4411

IIIIII..11..66.. MMoodduull ddee ffuunnccţţiioonnaarree ............................................................................................................................................................................................ ......................4422

IIIIII..11..77.. RReeggiimmuurriillee ddee ffuunnccţţiioonnaarree ...................................................................................................................................................................... ............................4433

IIIIII..22.. MMoottoorruull hhiibbrriidd SSccuuddeerrii ............................................................................................................................................................................................................................ ........5544

IIIIII..22..11.. CCoonnssttrruuccţţiiee şşii ffuunnccţţiioonnaarree ......................................................................................................................................................................................................5566

4

IIIIII..22..22.. MMoodduurrii ddee ffuunnccţţiioonnaarree ....................................................................................................................................................................................................................5588

IIIIII..22..33.. MMoottoorruull SSccuuddeerrii ttuurrbboo ssuupprraaaalliimmeennttaatt ....................................................................................................................................................................6600

IIIIII.. 22..44.. PPaarrttiiccuullaarriittăăţţiillee mmoottoorruulluuii hhiibbrriidd SSccuuddeerrii ........................................................................................................................................................6611

IIIIII..33.. SSiisstteemmuull HHiibbrriidd AAiirr ddeezzvvoollttaatt ddee PPSSAA((CCiittrrooiieenn –– PPeeuuggeeoott))............................................................................................................6622

IIIIII..33..11.. CCoommppoonneenntteellee ssiisstteemmuulluuii HHiibbrriidd AAiirr ..........................................................................................................................................................................6655

IIIIII..33..22.. MMoodduurrii ddee ooppeerraarree ......................................................................................................................................................................................................................................6677

IIIIII..33..33.. AAvvaannttaajjeellee tteehhnnoollooggiieeii hhiibbrriiddee aaiirr........................................................................................................................................................................................7700

IIIIII..44.. NNoouull ssiisstteemm hhiibbrriidd ddeezzvvoollttaatt ddee AAuuddii................................................................................................................................................................................7711

IIIIII..55.. PPoorrsscchhee 991111 GGTT33 RR HHiibbrriidd ............................................................................................................................................................................................7722

CCaappiittoolluull IIVV.. SSiisstteemmee MMeeccaattrroonniiccee HHiibbrriiddee

IIVV..11.. NNoouuaa tteehhnnoollooggiiee ooffeerriittăă ddee BBoosscchh ..........................................................................................................................................................................................7777

IIVV..22.. SSiisstteemmee ddee iinnjjeeccţţiiee ppeennttrruu ccaarrbbuurraannţţii aalltteerrnnaattiivvii ..........................................................................................................................................7777

IIVV..22..11.. CCoommppoonneennttee aallee ssiisstteemmuulluuii ddee iinnjjeeccţţiiee ppeennttrruu bbiiooccaarrbbuurraannţţii .............................................................................................. 7788

IIVV..22..22.. TTeehhnnoollooggiiaa FFlleexx FFuueell ppeennttrruu aalliimmeennttaarreeaa ccuu eettaannooll ...................................................................................................................... ......7799

IIVV..33.. SSiisstteemmuull ddee ddeezzaaccttiivvaarree aall cciilliinnddrriilloorr 11..44 TTSSII VVWW .................................................... ......................................................................7799

IIVV..44.. SSiisstteemmuull ddee pprrooppuullssiiee ppaarraalleell ccoommpplleett hhiibbrriidd BBoosscchh ............................................................................................................ ........8822

IIVV..55.. SSiisstteemmuull SSttoopp && SSttaarrtt ………………………………………………………………………………………………………………………………......…………8866

IIVV..66.. Cutia de viteze automată cu 8 rapoarte de la ZF(8HP) ………………………………………94

IV.6.1. Hidrotransformatorul …………………………………………………………………….….95

IV.6.2. Cutia automată - mecanismele planetare …………………………………………………...98

IV.6.3. Ambreiajele și frânele pentru cuplarea treptelor ………… ……………………………...100

IV.7. Acumulator Hydraulic De Impuls His …………………………………………… ………102

V. Concluzii. ……….………………………………………………………………………………106

VVII .. BBiibblliiooggrraaffiiee .................................................................................................................................................................................................................................................... ........ 110066

5

CCaappiittoolluull II..

I . 1. Noţiuni Generale Privind Sistemele Hibride

Termenul de vehicul hibrid desemnează combinaţia a două surse de propulsie cum ar fi un

motor cu ardere internă şi unul sau mai multe motoare electrice, (fără a exclude şi alte posibilităţi),

scopul fiind obţinerea unei maşini, cu putere mărită şi consum mai mic.

Un vehicul hibrid electric este un vehicul care combină un sistem de propulsie convenţional, cu un

sistem de stocare a energiei recuperabile, pentru a obţine un randament mai bun, un consum de

carburant mai scăzut şi un nivel de gaze evacuate redus.

Vehiculele hibride moderne de producţie în masă prelungesc încarcarea din bateriile lor prin

capturarea energiei cinetice, prin frânarea regenerativă, iar unele vehicule folosesc motorul cu ardere

internă pentru a crea electricitate prin antrenarea unui generator electric (de obicei chiar motorul

electric folosit pentru propulsie), pentru a încarca bateriile sau pentru a antrena direct un motor electric

care antrenează vehiculul.

Multe vehicule reduc gazele de emisie din timpul staţionării prin oprirea motorului cu ardere

internă când acesta funcţionează la relanti şi repornirea lui când este acţionat ambreiajul (sistemul

„start – stop”).

De obicei motoarele cu combustie a vehiculelor hibride sunt mai mici decât cele de pe vehiculele

convenţionale, dar în combinaţie cu motoarele electrice dau un randament mai bun.

Autovehiculele hibride au fost făcute cunoscute publicului în anii 1990 prin modelele Honda

Insight şi Toyota Prius, şi sunt văzute de mulţi producători ca tehnologiile viitorului pe piaţa auto.

Vânzările globale de vehicule hibride fabricate de producătorii Toyota şi Lexus au atins numărul de

1,7 milioane vehicule vândute în ianuarie 2009. Autovehiculele hibride sunt astăzi prioritatea de top a

tuturor comercianţilor de vehicule din America.

Cercetătorii în domeniu au în vedere analiza comparativă a soluţiilor de transmisii regenerative

utilizabile pe automobile prin simulare cu ajutorul unor modele dinamice complexe şi a unor medii de

programare evoluate.

6

Sunt analizate cele mai promiţătoare soluţii aflate în atenţia unor renumite firme constructoare de

automobile. Se are în vedere realizarea practică a variantei constructive cu sistem de propulsie hibrid,

care rezultă a fi cea mai performantă din punct de vedere al performanţelor dinamice, economice şi

ecologice.

Se intenţionează înlocuirea transmisiei convenţionale (mecanică 5 trepte) cu una de tip nou

hibridă, special concepută, proiectată şi realizată de membrii echipelor de cercetare.

Sistemul de propulsie inovator va putea funcţiona şi în modul regenerativ prin recuperarea energiei

în fazele de decelerare a automobilului.

Mai mult, funcţionarea atât în trepte cât şi continuă a transmisiei hibride se constituie într-o reală

bază de teste (laborator mobil), având implicaţii pozitive în valorificarea cercetării ştiinţifice.

I.2. Necesitatea Utilizării Motoarelor Hibride Auto

Reducerea poluării atmosferice, a consumului de combustibil concomitent cu

îmbunătăţirea performanţelor tehnice şi a confortului, constituie principala preocupare a marilor

companii producătoare de autovehicule.

În acest sens cercetătorii de la marile firme, precum Audi, Bosch, Toyota Prius,

Volkswagen Touareg, Porsche Peugeot, Citroen, etc, au pus la punct o serie de noi tehnici prin

care să realizeze acest deziderat.

Pe de altă parte, introducerea normelor EURO 5 în 2009, dar mai ales prevederile normelor

EURO 6 din 2012 – 2014, impun realizarea unor sisteme noi de propulsie şi îndeosebi o

gestionare optimă a energiei disponibile pe automobil.

Atât în Europa cât şi în Statele Unite şi Japonia, transmisiile regenerative au impulsionat

revigorarea industriei de automobile şi au stimulat interesul beneficiarilor şi al celor interesaţi de

protecţia mediului şi a resurselor naturale.

Încălzirea globală, epuizarea resurselor minerale şi poluarea în aglomeraţiile urbane

constitue probleme care trebuie soluţionate în noul secol, impunându-se, totodată, noi standarde

pentru sistemele de propulsie ale automobilelor.

Prin reducerea consumului de combustibil la automobile se realizează, în aceeaşi măsură,

7

reducerea emisiei de CO2, ca element important al efectului de seră. Constructorii europeni de

automobile, grupaţi în ACEA, au acceptat o reducere cu 25 % a emisiei de CO2 până în 2008,

faţă de nivelul din 1990, adică până la 140 g/km. Acestuia îi corespunde un consum de benzină

de 5,8 l/100 km şi de 5,2 l/100 km de motorină, în ciclul european de testare (NEDC). Apoi

nivelul a fost redus până la 120 g/km de CO2, în 2012, acestuia corespunzându-i un consum de

benzină de 5 l/100 km şi 4,5 l/100 km de motorină.

În acelaşi timp, pretenţiile posesorilor de automobile referitoare la siguranţă şi confort au

crescut, cu toate că îndeplinirea acestor cerinţe implică masa mai mare şi cu aceasta consum de

combustibil crescut. În plus, se pretind performanţe dinamice mai mari fără creşteri suplimentare

de preţ. Este foarte important să se precizeze faptul că nu este suficient ca un motor cu ardere

internă să poată funcţiona pe stand, la anumite regimuri, cu consum de combustibil şi poluare

reduse, ci ar fi de dorit ca acesta să poată funcţiona pe automobil la regimurile economice,

indiferent de viteza de deplasare.

Se apreciază că funcţionarea eficientă a motorului cu ardere internă pe automobil ar fi

posibilă numai dacă automobilul ar fi prevăzut şi cu un sistem electric de propulsie, care să

furnizeze puterea necesară la roată, pe intervale scurte de timp, la deplasarea în zonele

aglomerate sau în oraşe. Într-o astfel de configuraţie (motor cu ardere internă, transmisie

adaptivă, generator/motor electric) motorul cu ardere internă ar funcţiona numai la regimul

economic, sau în preajma acestuia, iar în rest ar fi oprit sau ar funcţiona la ralanti.

În ziua de astăzi se discută din ce în ce mai mult despre maşinile hybride, dacă sunt cu

adevărat “eco” sau nu, dacă merită să se investească în ele sau nu. Argumente în favoarea

hibridelor ar fi decizia comisiei europene care şi-a propus ca ţintă reducerea emisiilor de CO2 la

maximum 95 g/km până în 2020, facilităţile oferite de autorităţi (în unele ţări proprietarii de

hibrizi sunt scutiţi de taxa de drum şi nu plătesc pentru parcare municipală). De asemenea aglomeraţiile

din traficul urban, preţurile ridicate la petrol etc, au făcut ca cererea pe piaţă pentru astfel de maşini

să creacă, crescând astfel producţia de maşini hibride.

Pe lângă aceste argumente, maşinile cu propulsie hibridă prezintă şi o serie de avantaje cum

ar fi:

- produc mai puţin zgomot decât un motor termic

- răspund mai rapid la comenzi

8

- recuperează energia la decelerare

- au o autonomie mai mare decât un vehicul electric simplu

- au mai multă fineţe şi uşurinţă în manipulare

- se reîncarcă mai repede decât un vehicul electric

- consumul este mult mai scăzut

Cu toate acestea, câteva dezavantaje majore limitează posibilitatea înlocuirii totale a

maşinilor cu propulsie convenţională; se pot defecta mai des, cost ridicat, costuri de întreţinere

mai mari, decât la cele convenţionale.

I.3. Scurt istoric privind apariţia motoarelor hibride

Istoria automobilelor hibride, adică a maşinilor care erau propulsate de motoare electrice

ajutate de un motor cu ardere internă, începe odată cu secolul XX, în anul 1901.

În acel an, Ferdinand Porsche a proiectat automobilul Mixte (fig 1), o versiune hibridă a

maşinii electrice “System Lohner-Porsche”, lansat cu un an înainte la Salonul Auto de la Paris.

Mixte avea o autonomie de 50 de kilometri şi atingea o viteză maximă de 50 km/h.

În 1917, compania Woods Motor Vehicle din Chicago a produs un automobil hibrid al cărui

motor electric îl propulsa până la 25 km/h. Până în 1918 au ieşit de pe linia de fabricaţie 600 de

astfel de produse, dar maşina nu a avut succes deoarece era prea lentă, scumpă şi greu de reparat.

În anul 1970, inginerul american Victor Wouk, supranumit “Părintele hibridului”, a instalat un

motor electric care funcţiona în tandem cu cel clasic pe un Buick Skylark oferit de General

Motors.

Programul susţinut de Agenţia Mediului a fost suspendat în 1976, un aport în acest sens fiind

faptul că în anii ’70 benzina în SUA era foarte ieftină şi americanii nu erau dispuşi să renunţe la

gurmandele şi puternicele modele V8.

9

Trecând pe vechiul continent, în 1989 Audi a produs hibridul experimental Audi Duo, bazat

pe modelul Audi 100 Avant Quattro care s-a dovedit mai puţin eficient decât modelul simplu, cu

motor clasic. După doi ani, compania a lansat a doua generaţie a acestui hibrid, Audi Duo.

In 1996, General Motors producea EV1, un model electric fabricat în serie mică şi folosit în

special pentru testarea în viaţa reală a comportamentului unui vehicul electric. Principala

problemă a lui EV1 ca şi a altor modele electrice pe atunci era autonomia scăzută.

Tehnologia automobilelor hibride a devenit populară abia în anii ’90 când au intrat pe piaţă

Honda Insight şi Toyota Prius. Prima generaţie de Prius, produsă în serie încă din 1997, dovedea

pentru prima dată că tehnologia hibridă nu este doar o jucărie sofisticată pentru milionarii

ecologişti, sau doar nişte strategii de marketing ale unor corporaţii dornice de atenţie. Astfel,

automobilele propulsate de sisteme hibride deveneau cu adevărat eficiente şi fiabile.

fig 1

Toyota Prius - face parte din primele automobile cu sistem de propulsie hibridă produse

în masă. Vânzările au debutat în 1997 în Japonia, automobilul fiind ulterior comercializat şi pe

piaţa din SUA şi Europa.

Toyota Prius a evoluat din punct de vedere al design-ului şi a tehnologiei utilizate din 1997 şi

10

până în prezent. Momentan s-a ajuns la generaţia a patra (Prius IV), plus încă două concepte ce

urmează să fie comercializate în viitorul apropiat (Plug-in Prius, Prius+).

Prius I (fig2).

Prima generaţie de Prius a fost prezentată publicului în 1995 la salonul auto de la Tokyo.

Vânzările versiunii de serie au debutat în decembrie 1997 pe piaţa japoneză. Începând cu anul

2000 Toyota Prius a fost introdusă şi pe piaţa din SUA la un preţ de 19.995 $.

fig2.

Foto: Toyota Prius – prima generaţie

Sursa: Toyota

11

Prius II

fig 3

A doua generaţie de Prius a fost prezentata publicului în 2003 cu ocazia salonului auto

de la New York. Vânzările au început pe piaţa americană în 2004 păstrând preţul de pornire al

generaţiei întâi de 19.995 $.

Cererea noului model a fost atât de mare (12000 de rezervări on-line) încât Toyota a fost

nevoită să mărească producţia de mai multe ori, cumpărătorii fiind trecuţi pe liste de aşteptare.

A doua generaţie de Prius a fost echipată cu un motor termic mai puternic (76 CP) precum

şi cu un motor electric MG2 de 67 CP. Aerodinamica caroseriei a fost optimizată, coeficientul

aerodinamic (Cx) fiind redus la 0.26.

Raportat la prima versiune Prius II beneficiază şi de compresor de aer condiţionat cu

acţionare electrică precum şi de o baterie NiMH mai uşoară şi de capacitate mai mică. Aceste

optimizări îi permit automobilului un timp de demarare de la 0 la 100 km/h de numai 10 s. Saltul

de tehnologie de la prima la a doua generaţie de Prius a condus la patentarea de către Toyota a nu

mai puţin de 530 de inovaţii!

12

Prius III (fig 4.)

A treia generaţie de Prius a debutat în 2009 la salonul auto internaţional de la Detroit.

Vânzările au început în Japonia în Mai 2009 continuând cu SUA din 2010.

Îmbunătăţirile tehnologice aduse celei de-a treia generaţie de Prius cuprind printre altele:

un motor termic cu cilindreea mărită la 1.8 L, cu puterea maximă de 98 CP, coeficient

aerodinamic de numai 0.25, pompă de apă acţionată electric, sistem de frânare pe puntea spate cu

discuri. Acţionarea electrică a pompei de apă, a compresorului de aer condiţionat şi lipsa

alternatorului clasic a făcut posibilă eliminarea curelei de accesorii, Toyota fiind primul

constructor cu acesta soluţie tehnologică.

13

Prius IV

A patra generaţie de Prius coexistă cu cea de-a treia generaţie marea diferenţă fiind

posibilitatea de a alimenta bateria de acumulatori de la o reţea electrică (P-HEV).

Acest model este echipat cu o baterie Li-Ion de capacitate 4.4 kWh care permite

deplasarea în mod exclusiv electric pe o distanţă de maxim 23 km. Automobilul a fost prezentat

publicului cu ocazia salonului internaţional auto de la Frankfurt din 2009. Vânzările au fost

prognozate să înceapă în Japonia, SUA şi Europa din 2012.

Toyota Prius este vândută în mai mult de 70 de ţări, inclusiv România. Cea mai

importantă piaţă este cea din SUA urmată de Japonia şi Europa. Vânzările la nivel mondial au

depăşit pragul de 1 milion de automobile în Mai 2008 şi 2 milioane în Septembrie 2010.

Începând cu Aprilie 2011 SUA deţine aproximativ jumătate din vânzările totale de Prius depăşind

pragul de 1 milion de vehicule.

14

I.4. Tendinţe actuale şi de perspectivă în dezvoltarea

automobilelor hibride

Maşinile hibride nu ţin pasul pe loc, ci evoluează, devenind mai accesibile şi mai

performante. În prezent, cei care doresc au la dispoziţie mai multe modele care au

performanţe de invidiat. În continuare sunt prezentate doar câteva din noile modele cu care

vor ieşi pe piaţă renumite companii.

BMW i3

Această maşină are şi o parte a motorului pe benzină, el încărcând bateria şi echipând maşina

pentru a-i prelungi autonomia. Motorul dezvoltă 34 de cai-putere, partea electrică asigurându-

i o autonomie de aproximativ 160 km.

Chevrolet Volt

Acest model este cel mai vechi hibrid, el fiind lansat în 2010. Motorul electric propulsează roţile

în majoritatea timpului, iar partea pe benzină încarcă bateriile. Motorul pe benzină dezvoltă 84 de

cai-putere, autonomia maşinii fiind de 611 km.

15

Ford C-Max Energi

Modelul Ford prezintă marele avantaj de a oferi o autonomie mare, şoferul putând parcurge nu

mai puţin de 997 km cu ajutorul bateriei. Motorul pe benzină oferă 141 de cai-putere. Maşina

dispune şi de comenzi vocale în interior.

16

Honda Accord Plung-In Hybrid

Compania este al cincilea producător mondial de automobile din lume și primul

producător mondial de motoare (peste 14 milioane de motoare cu combustie internă anual).

Honda este al doilea producător japonez de automobile, după Toyota și înaintea Nissan.

În ciuda prețurilor mari la carburant și a economiei SUA slăbite, Honda a raportat o

creștere a vânzărilor cu 1% în luna iunie 2008, în timp ce marii săi rivali, incluzând primii trei

producători americani (General Motors, Ford și Chrysler) și Toyota au înregistrat pierderi de

peste zece procente. Analiștii atribuie acest rezultat contribuției a doi factori: gama Honda constă

în principal în mașini de dimensiune mică (de la subcompactă la medie) cu consumuri economice

și în al doilea rând, în ultimii zece ani fabricile Honda au fost proiectate să fie flexibile, astfel

încât pot fi oricând reconfigurate pentru producerea acelui model de automobil cerut de către

piață.

Hibridul Accord Plug-In Hybrid oferit de Honda va fi disponibil pe piaţă la sfârşitul acestui

an. Motorul pe benzina oferă 137 de cai-putere, autonomia totală fiind de 804 km.

Toyota PriusPlug-in

Toyota a devenit o maşină populară hibridă în anii 2.000 datorită modelului Prius. Noul model

este destul de asemănător cu vechiul, însă bateria este una mai mare. Motorul pe benzină dezvoltă

98 de cai-putere, iar cel electric oferă independent o autonomie de 17 km. În total, autonomia

maşinii este de 869 km.

17

Lexus este un constructor japonez de autoturisme de lux, aparținând concernului Toyota.

18

Nissan este o companie japoneză producătoare de automobile, înființată în anul 1933. În

anul 1999, companiile Renault și Nissan au format o alianță, compania rezultată având numele de

Renault-Nissan.

Compania a vândut 4,08 milioane de vehicule în anul 2010, în creștere cu 21,5% față de

anul precedent.

Nissan a lansat în India modelul Terrano, construit pa baza Dacia Duster, în care japonezii

şi-a pus mari speranţe.

Maşina se află deja la a patra generaţie, însă este pentru prima dată când este construită pe

platforma companiei române.

Astfel, deşi Terrano are multe dintre caracteristicile Dacia Duster, japonezii au adus

câteva modificări în ceea ce priveşte design-ul, atât la exterior, cât şi la interior.

Maşina a primit faruri complet noi, angulare, o altă grilă pentru radiator si o nouă bară de

protecţie.

În plus, materialele folosite la interior au fost îmbunătăţite şi stilizate pentru a semăna mai

mult cu celelalte modele Nissan.

Nissan Terrano

19

Mitsubishi Motors Corporation a lansat în 2009 modelul i-Miev 100% electric, şi a

făcut paşi importanţi spre hibridizare. Noua versiune a lui Outlander preia motoarele electrice ale

lui i-MiEV şi asigură un sistem de tracţiune integrală prin acestea, eliminând cardanul şi cutia

de transfer. Cei de la Mitsubishi spun că ambele motoare electrice oferă un control mai bun al

tracţiunii în orice situaţie şi că oferă cuplul motor maxim instant, ceea ce ar trebui să ofere reprize

competitive în raport cu restul gamei Outlander.

Bateriile lui Mitsubishi Outlander PHEV au un voltaj de 300V şi pot să-şi atingă

80% din capacitate în aproximativ 30 de minute în modul de încărcare rapid.

20

Capitolul II

II.1. Sisteme De Propulsie Hibride

Sistemele de propulsie care au în componenţa lor pe lângă un sistem convenţional cu

motor cu ardere internă, mai au cel puţin unul capabil să furnizeze cuplu de tracţiune la roţile

automobilului, pe de o parte, şi să recupereze o parte din energia cinetică, în fazele de

decelerare, pe de altă parte, sunt cunoscute sub denumirea de transmisii hibride.

Arhitecturile fundamentale ale sistemelor hibride sunt prezentate în fig 1.

a). principiul de bază al propulsiei hibride

b) arhitectura hibridă serie

c) arhitectură hibridă paralelă

Sursă de energie

ireversibilă

Sursă de energie

reversibilă

Nod

mecanic

i

Roţi

MT ME

Grup electro-generator

Maşină

electrică de

tracţiune

Baterii

Nod

electric

Roţi

Rezervor

combustibil

Baterii

Motor

termic

Maşină

electrică

Nod

mecanic

transmisie Roţi

Maşină

electrică

21

d) organizare hibridă mixtă

fig.II.1.

În timp ce fig. 1, (a) prezintă structura în modul cel mai abstract, celelalte figuri

particularizează transferul energetic între diferitele subsisteme, prin natura legăturilor de

putere: hibrid serie dacă legătura motor termic / roţi se face electric (motorul cu ardere internă

nefiind legat cinematic la roţile motoare); hibrid paralel (când există o legătură cinematică

între motorul termic şi roţi, caz în care, deseori, maşina electrică vehiculează puteri inferioare

celei termice), respectiv hibrid mixt (denumit şi dual), arhitectura ce combină cele două

variante de mai sus.

Cel mai frecvent, cel de-al doilea sistem este unul electric, dar poate fi şi hidraulic sau

pneumatic. Cea de-a doua caracteristică importantă a sistemelor hibride de propulsie este

aceea că necesită cel putin două sisteme de stocare a energiei. Primul, şi cel mai cunoscut,

este rezervorul de combustibil, în care energia este stocată într-o formă foarte concentrată, iar

în cel de-al doilea energia poate fi extrasă dar şi acumulată, în funcţie de cerinţele

automobilului. Cele mai potrivite sunt bateriile electrice dar şi supercondensatorii,

acumulatorii cinetici sau hidraulici. Un acumulator deosebit de avantajos îl constituie bateriile

de mare putere pe baza de Litiu, care au o capacitate moderată de stocare şi o durată de viaţă

exceptională (>240.000 km).

Până în 2020 pe piaţă se vor impune baterii cu mare densitate de energie, cum ar fi Litiu-

Ion (120-200 Wh/g) > NiMH (60-100 Wh/g) > Pb-acid (30-45 Wh/g). Atuurile sistemelor

hibride de propulsie sunt:

Nod electromecanic: variator

Rezervor

combustibil

Baterii

Motor

termic

Maşină

electrică

Nod

mecanic

transmisie Roţi

Motor /

Generator

22

- Emisii locale zero (automobil electric, all electric range -AER);

- Consum redus de combustibil/emisie redusa de CO2 datorate:

- Recuperării energiei la frânare;

- Funcţionare pornire / oprire;

- Deplasarea regimurilor de funcţionare a motorului spre polul economic;

- Reducerea cilindreei prin asistare electrică.

Datorită posibilităţii de stocare a energiei există trei modalităţi de utilizare a acesteia pe

automobil:

1. Funcţionarea motorului cu ardere internă la regimul cel mai economic;

2. Întreruperea funcţionării motorului termic atunci când nu este necesară energia

furnizată de acesta (la stop, atunci când ar trebui să funcţioneze la sarcini foarte mici sau la

coborârea unor pante lungi);

3. Stocarea şi reutilizarea energiei de frânare prin utilizarea unei maşini electrice

reversibile (motor/generator).

II.2. Clasificarea motoarelor hibride

În funcţie de modalitatea de transmitere a puterii la roţile automobilului se pot identifica

două familii de transmisii hibride –HEV(Hybrid Electric Vehicle), fig.2.

- Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o maşină electrică;

- Transmisii hibride la care punţile sunt acţionate de către un motor electric alimentat de

un generator electric.

Transmiterea

puterii

Motor cu

ardere

internă

Motor

Electric

Motor cu ardere

internă asistat

de un motor

electric

Tracţiune

electrică asistată

de un generator

electric de

putere

Baterie

Generator

electric

Motor

cu

ardere

internă

Sistem generator de putere

1

2

3

4

5

6

7

8

9

23

fig II.2

1- Automobile convenţionale

2- Hibrid minimal(FAS,BAS)

3- Hibrid mediu

4- Hibrid paralel total

5- Automobilul electric

6- Tracţiune electrică pe domeniu extins

7- Preluarea sarcinii de sistemul hibrid serie

8- Hybrid serie total

9- Automobile cu transmisie electrică

II.3. Criterii de clasificare

II.3.1- După puterea maşinii electrice

În funcţie de puterea maşinii electrice se disting transmisii:

- micro hibride (42 V şi funcţionare pornire/oprire. Ex. Toyota Crown), fig3.

- mediu hibride (100-250 V cu asistarea motorului termic cu ISG-Integrated Starter

Generator, ex. Honda Insight) fig 4.

- total hibride – full hybrid (+250 V, cu antrenarea roţilor simultan sau alternativ cu motorul

termic. Ex. Toyota Prius). fig 5.

Principala diferenţă dintre aceste tipuri este dată de puterea dezvoltată de componentele

electrice.

Hibridizarea micro şi medie reprezintă cea mai simplă versiune. Automobilul este echipat cu

un mic motor electric care ajută la propulsie dar nu există un sistem electric independent de

transmisie. Motorul electric poate suplini sistemul convenţional al transmisiei dar numai la puteri

la roată relativ reduse, 2-10 până la 25 kW. Alternatorul şi demarorul sunt înlocuite printr-un

sistem generator-starter. Sistemele care pot asigura funcţia pornire/oprire sunt fie de tipul Belt-

Driven (B-ISG), când maşina electrică acţionează prin curea, fie de tipul Crankshaft-Mounted (C-

24

ISG), când maşina electrică acţionează direct arborele cotit. Micro-hibridizarea este utilă, mai

degrabă, în faza de demarare şi utilizează energia recuperată, în timp ce hibridizarea medie

foloseşte motorul electric pentru a suplimenta puterea necesară propulsării automobilului, acesta

neputând fi propulsat numai electric. Acest sistem este benefic la deplasările cu viteze reduse,

trafic intens cu opriri şi porniri repetate (stop&go), când consumul şi emisiile trebuie minimizate.

Funcţionarea stop&go permite o reducere cu 5-10 % a emisiei de CO2. Dincolo de avantajele

hibridizării referitoare la consum şi emisii se evidenţiază şi îmbunătăţirea performanţelor. Puterea

suplimentară de 10-25 kW oferită de motoarele electrice este utilă nu numai la pornirea din loc a

automobilului ci şi în perioade de accelerare pentru executarea manevrelor de depăşire, la viteze

cuprinse între 80 şi 120 km/h, sau la urcarea unor rampe mari. Hibridizarea medie are o influenţă

relativ modestă asupra performanţelor generale ale automobilului totuşi aceasta are avantajul unor

costuri investiţionale mai mici comparativ cu cele care au hibridizarea totală.

fig II.3.

25

fig II.4.

fig II.5.

Transmisiile total hibride (full-hybrid) se caracterizează prin aceea că motorul electric poate

asigura propulsia pur-electrică a automobilului. Cu alte cuvinte, transmisiile full hybrid sunt

suficient de puternice pentru a asigura deplasarea automobilului pe anumite distanţe fără să se

consume combustibil din rezervor. Reducerea emisiei de CO2 este de aproximativ 25-30 %.

O comparaţie între aceste tipuri de transmisii hibride este prezentată în tabelul 1[1].

26

Tabel1.

Transmisii

Hibride / funcţii

ISG Hybrid- ISG Mediu - Hibrid Full Hybrid

Pornire /Oprire

Pornire / Oprire

Recuperare

Aer < 1,61 km

Pornire/Oprire

Recuperare

Asistare MAI

Pornire/Oprire

Recuperare

Asistare MAI

Aer > 1,61 km

Motor cu ardere

internă (MAI)

Convenţional Convenţional Cilindree redusă Cilindree redusă

Motor Electric B -ISG B-ISG/C-ISG C- ISG C-ISG, Divizarea

puterii

Putere electrică 2 -4 kW 4 – 10 kW 10 – 20 kW 15 – 50 kW

Tensiune 14 V 42 V > 42 V > 100 V

Baterii Pb /A

25 kg

NiMH

25kg

NiMH

Supercondensator

25 kg

NiMH/Li-Ion

40 kg

Economie de

combustibil

(NEDC)

3 – 7 %

6 -10 %

15 – 20 %

20 – 30 %

Costuri

suplimentare

200 – 500 Euro 500 – 900 Euro 900 – 2200 Euro 2500 – 5000 Euro

II.3.2. – După modul de interconectare a motoarelor

În funcţie de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice şi a motorului termic se

disting.

II.3.2.1. Transmisii hibride serie (fig6) (numele provine de la modalitatea de conectare a

componentelor), la care numai motoarele electrice sunt conectate la roţile automobilului,

motorul cu ardere internă acţionează un generator electric care alimentează motoarele electrice

prin intermediul conectorilor electrici. Curentul produs alimentează motoarele electrice care

acţionează roţile.

Un astfel de sistem se întâlneşte la Toyota Coaster. Totuşi această soluţie este foarte rar

întâlnită la automobile.

27

fig II. 6.

II.3.2 .2 Transmisii hibride paralele, (fig 7) - la care ambele surse de putere – motorul

termic şi maşina electrică – sunt conectate la roţile motoare prin intermediul unor legături

mecanice adecvate. Motorul termic şi maşina electrică pot acţiona punţile motoare simultan sau

individual, separat (o punte) sau împreună (ambele punţi), ele putând fi cuplate între ele. Un

exemplu de utilizare a acestei tehnologii este Honda IMA (Integrated Motor Assist) pe Insight şi

Civic.

Indiferent de configuraţie elementele componente fundamentale sunt aceleaşi: motorul

termic, maşinile electrice, convertoarele electronice de putere şi sistemele electrice de stocare a

energiei. Prin interconectarea adecvată a acestor componente (ambreiaje, curele, lanţuri,

transmisii planetare şi articulaţii cardanice) există posibilitatea realizării unor transmisii hibride

Transmisie

mecanică

Motor

electric

Motor cu ardere

internă MAI

Rezervor

combustibil

DC

/AC

Co

nve

rto

r

baterii

Generator

electric

AC

/DC

Co

nve

rto

r

Serie

Sursă dublă

de energie

Două sisteme

de stocare a

energiei

28

capabile să se comporte atât serie cât şi paralel, fie alternativ (combined hybrids) fie simultan

(mixed hybrids).

fig 7.

II.3.2.3 Transmisiile hibride mixte, fig (8) - denumite şi cu ramificare de putere

(split hybrid), utilizează sisteme electromecanice sau electromagnetice pentru a controla

optim ramificarea puterii de la sursă şi transmiterea ei roţilor motoare în funcţie de

cerinţele de tracţiune şi de performanţele dorite.

fig 8.

Paralel

Sistem de

acţionare dublu

Doi arbori

Un singur

arbore

Transmisie

mecanică

Motor

electric

Motor cu ardere

internă MAI

Rezervor

combustibil

DC/AC Convertor

baterii

Mixt

Ramificare

electromecanică

Ramificare

electromagnetică

Transmisie

planetară

Motor

electric

Motor cu

ardere internă

MAI

Rezervor

combustibil

DC/AC Convertor

baterii

generator

electric

AC/DC Convertor

29

II.4. Moduri de configurare a diferitelor tipuri de sisteme hibride

Cele mai reprezentative configuraţii ale sistemelor hibride de tracţiune sunt prezentate în

fig.9[1]. Fiecare variantă poate fi o soluţie care să satisfacă cele mai exigente cerinţe de protecţie

a mediului dar şi pentru a satisface pretenţiile de dinamicitate, cost şi calitate.

Criteriile de selectare a unei transmisii hibride sunt determinate de mai multe aspecte:

• Scopul urmărit (performanţe de tracţiune, mobilitate şi exploatabilitate fără limite);

• Cerinţele standardelor în vigoare (emisiile de noxe şi de CO2, reciclabilitate şi compatibilitate

cu mediul);

• Cerinţele pieţei (costul ciclului de viaţă şi de întreţinere, infrastructura disponibilă);

• Percepţia utilizatorului (confort, maniabilitate/dinamicitate).

Atingerea unui singur ţel (de ex. emisii zero) nu trebuie să excludă alte aspecte importante

pentru pătrunderea largă pe piaţă a acestor transmisii. De aceea o alternativă la producţia de masă

a transmisiilor hibride o constituie ocuparea unei poziţii pe piaţă, prin adoptarea unor tehnologii

sofisticate şi scumpe dar deosebit de necesare pentru anumite utilizări.

Transmisiile hibride paralele sunt mult mai flexibile din punct de vedere al modului de

utilizare. Puterea si dimensiunea maşinii electrice pot fi astfel alese încât să se asigure un bun

compromis între cost/complexitate şi eficienţă (consum de combustibil, poluare). Optimizarea

motorului cu ardere internă poate aduce avantaje suplimentare, dar aceasta nu constituie prima

prioritate. Performanţele şi funcţiile pot fi îmbunătăţite gradual în funcţie de creşterea puterii

electrice pe automobil (36 V) şi de puterea sistemelor auxiliare (aer condiţionat, încălzirea

catalizatorului, supape de control, comenzi prin fir – by wire).

În cazul transmisiilor hibride paralele există o multitudine de variante de dispunere a

motorului electric în raport cu motorul termic, ambreiajul şi cutia de viteze. Alegerea soluţiei

optime depinde de tipul vehiculului şi de cerinţele transmisiei hibride. Combinaţia dintre un

motor electric şi o cutie de viteze cu variaţie continuă a rapoartelor de transmitere permite

30

realizarea unei construcţii compacte cu densitate mare de putere prin utilizarea motoarelor

electrice sincrone cu magneţi permanenţi.

Se prezintă câteva exemple reprezentative de sisteme hibride tip paralel – se observă

condiţionarea cinematică relativă între regimurile de rotaţie ale motoarelor termice şi electrice.

Primul caz fig 9.a., este specific binecunoscutei Honda Insight (existând şi o variantă CVT) şi se

caracterizează prin decuplarea motorului termic în regimul sarcinilor mici – funcţionare ZEV

(engl. Zero Emission Vehicle).

fig 9.a.

fig 9.b.

M T Transmisie ME

A

M T Transmisie

A1 A2

ME

lanţ

31

fig 9.c. fig 9.d.

Frânarea regenerativă se realizează punând maşina electrică în regim de generator, astfel

încât cu ajutorul electronicii de putere ( invertor – convertor) se reâncarcă bateriile de

acumulatori. Varianta cu transmisie cu variaţie continua (CVT) fig 9.c, are marele avantaj de

a plasa motorul termic (MT) în locul optim de funcţionare (pe caracteristica sa), având

teoretic o infinitate de puncte de operare eligibile – în comparaţie cu o transmisie în trepte, ce

are un număr discret, de 4 – 8 valori. La frânare, din nou ME preia o mare parte din energia

cinetica a automobilului, în timp ce ambreiajul A decuplează motorul – acesta fiind oprit. În

fine, fig. 9, (d) prezintă schema unui hibrid aşa-numit prin cale (engl. Through-The-Road, sau

TTR) – în sensul că legătura cinematică dintre motoare se realizează prin calea de rulare. Un

alt avantaj al acestui sistem este dat de folosirea a câte unui motor pentru fiecare roată

motoare spate, eliminând necesitatea diferenţialului şi oferind posibilitatea unui control al

tracţiunii îmbunătăţit (totuşi simplitatea constructivă nu scade întotdeauna, fiindcă motoarele

în roţi cresc substanţial masa nesuspendată, iar cele suspendate au nevoie de câte un

mecanism reductor încorporat).

Transmisiile hibride mixte combină aspectele pozitive atât ale transmisiei serie cât şi

paralele evitând supradimensionarea şi costurile configuraţiei serie.

Baterii

MEdr

MEst

MT

ME

CVT

A

M T

CVT

32

Motorul electric poate antrena roţile singur sau împreună cu motorul termic pentru a

asigura eficienţa maximă. În plus sistemul poate fi utilizat pentru antrenarea roţilor şi în

acelaşi timp să producă electricitate folosind maşina electrică în regim de generator.

Funcţionarea sistemului se face cu emisii poluante foarte scăzute.

Aceste sisteme permit obţinerea unor performanţe ridicate, maniabilitate şi gestionare

optimă a energiei disponibile dar complexitatea şi tensiunea mare a bateriilor necesită maşini

electrice cu performanţe ridicate iar costurile le fac, deocamdată, incompatibile cu producţia

de masă.

La transmisiile hibride mixte (Split-Hybrid) este posibil ca numai o parte din puterea

mecanică să fie transmisă direct la roţi, cealaltă parte fiind transmisă prin sistemul electric. În

acest fel există posibilitatea ca randamentul total al sistemului de propulsie să fie ridicat chiar

şi la vitezele reduse de deplasare ale automobilului.

Se prezintă două exemple de sisteme hibride duale (mixte) – primul fig 10.a. -fiind al

binecunoscutei Toyota Prius (sistemul THS, actualmente HSD). Efectul esenţial al combinării

puterilor motoarelor prin mecanismul planetar MP (aici cu rol de mecanism sumator de

putere, de tip adiţie de viteză) este dat de caracterul funcţionării în regim predominant serie în

domeniul vitezelor şi sarcinilor mici, respectiv regim predominant paralel, în domeniul

sarcinilor mari şi mers pe autostradă.

Mai mult, sistemul este continuu, fără şocuri şi are o serie de avantaje şi de ordin const

ructiv ( transmisia în trepte dispărând), fiind înlocuită de unicul mecanism planetar.

Totuşi, complicaţiile legate de control compensează din plin simplitatea mecanică (lipsa

unui control riguros al tuturor celor trei motoare – MT, ME1, ME2 – ducând la fluxuri

parazite de putere şi în final la malfuncţia întregului sistem). Sistemul a cunoscut un real

succes cu Toyota Prius, şi acum este şi la baza Ford-ului Escape Hybrid. Curios, acesta din

urmă realizează un consum de combustibil mai mic în oraş – datorită frânării regenerative şi a

funcţionării în regim preponderent de hibrid serie – decât pe autostradă! Trebuie subliniat că

motorul electric de tractiune (notat aici ME1) are cca. 50 kW, fiind apropiat de puterea celui

termic – acesta funcţionând după ciclul Miller – Atkinson.

33

fig 10.a. fib 10.b.

Dacă sistemele HEV paralel decuplau cinematic motorul termic la frânare, în cazul

sistemelor duale din familia Prius acest lucru nu se întamplă – pur şi simplu MT este oprit, iar

ME2 (deseori denumit „generatorul”) este antrenat de roţile vehiculului, generând putere

electrică către baterii. Mai mult, ME1 face acelaşi lucru, astfel că sistemul este foarte

eficient.

M T

ME

F M T

ME1

ME2

MP

34

Capitolul III

Autoturisme cu transmisie hibridă

III.1. Toyota Prius I - prima generaţie de automobile hibride

Toyota Motor Corporation (sau TMC ) este o companie multinațională care produce

automobile, camioane, autobuze și roboți, cu sediul principal în orașul Toyota, Japonia.

Toyota este cel mai mare producător de automobile din lume, cu vânzări de peste 8,4 milioane

de autovehicule în 2010.

Toyota este unul din cei trei mari producători asiatici de autovehicule care concurează

producătorii americani pe piața mondială, ceilalți doi fiind Nissan Motors și Honda Motor.

Compania oferă de asemenea servicii financiare prin filiala sa Toyota Financial Services, și

activează și în alte domenii de activitate.

Autovehiculele produse sunt vândute sub denumirile de Toyota, Scion și Lexus. Toyota

deține majoritatea acțiunilor în cadrul companiilor Daihatsu și Hino, și 8,7% din Fuji Heavy

Industries, producătorul automobilelor Subaru.

În anul 2005, Toyota împreună cu Daihatsu Motor Company a produs 8,54 milioane

de vehicule, cu aproape 500.000 mai puțin decât General Motors în acel an. În luna iulie 2006

Toyota depășise Ford în vânzările de automobile, însă producătorul american și-a recâștigat

poziția o lună mai târziu. Toyota deține o importantă cotă de piață în Statele Unite, Europa și

Africa și este liderul de piață în Australia.

III.1.1.Transmisia Toyota Hibrid System (THS)

În 1997 Toyota echipează modelul Prius cu transmisia hibridă -Toyota Hzbrid System

Trei deziderate au fost avute în vedere la realizarea acestui sistem de propulsie:

-1). - utilizarea unui motor cu ardere internă cu randament ridicat;

35

-2). - utilizarea unui sistem de control avansat care să asigure funcţionarea permanentă a

sistemului la regimul optim;

-3). - reducerea pierderilor de energie şi regenerarea acesteia.

Automobilul Toyota Prius face parte din clasa compact. Performanţele maxime impuse au

fost: Vmax = 140 km/h, panta maximă de 30 % (17 grade), panta maximă la viteza de 105

km/h de 5 % (6 grade) şi aceeaşi pantă la viteza de 130 km/h cu motorul electric funcţionând

pe caracteristica instantanee.

THS este constituită dintr-un mecanism planetar simplu, fig 11, un generator electric

montat pe arborele solarei şi un motor electric montat pe acelaşi arbore cu coroana. Arborele

coroanei şi al motorului electric transmite mişcarea la roţile automobilului printr-o transmisie

cu lanţ şi transmisia principală. fig 12.

fig 11

fig 12 Foto: Componentele sistemului THS Toyota Prius

36

III.1.2. Motorul cu ardere internă

Motorul cu ardere internă - transmite mişcarea direct platoului portsateliţi. Acesta,

împarte cuplul de la motor în două: o parte este transmis prin coroana mecanismului planetar

direct la puntea motoare, iar cealaltă parte prin solara mecanismului planetar la generatorul

electric. Energia electrică produsă în generator este reconvertită în energie mecanică de către

motorul electric şi, acesta fiind pe acelaşi arbore cu coroana o transmite punţii motoare.

Cuplul de ieşire al coroanei este transmis printr-un lanţ la un mecanism reductor cu

angrenare simplă şi apoi la diferenţial unde este amplificat. Mecanismul planetar cu roţi

dinţate este numit şi PSD (Power Split Device) deoarece se comportă ca un dispozitiv de

divizare a puterii. Avantajele acestui sistem mecanic compus din mecanismul planetar,

angrenaj simplu şi diferenţial este reprezentat de fiabilitate şi robusteţe. Toate componentele

au poziţii fixe, una în raport cu cealaltă, mişcarea fiind doar de rotaţie, în jurul axelor. Astfel

se elimină posibilele defecte şi probleme ce pot apărea în cazul utilizării unei cutii CVT

clasice sau a uneia automate. Motorul cu ardere internă folosit este un motor 1NZ-FXE, cu

ciclu Atkinson cu apridere prin scânteie de 1,5 l, cu raport de destindere mărit (13,5), raport

de comprimare variabil (4,8 – 9,3) şi distribuţie variabilă inteligentă (VVT-i). cu patru

cilindrii în linie şi dezvoltă o putere de 72 CP la 4500 rot/min şi un cuplu de 115 Nm la 4200

rot/min. Sistemul inteligent de distribuţie permite variaţia continuă a fazelor supapelor de

admisie în funcţie de regimul de funcţionare al motorului, ceea ce conferă motorului

performanţe dinamice remarcabile şi un consum scăzut de combustibil.

Limitarea turaţiei maxime a motorului la 4500 rot/min permite utilizarea materialelor

uşoare pentru componente, îmbunătăţeşte randamentul termic şi reduce pierderile prin

frecare. Pentru reducerea greutăţii automobilului blocul motor şi chiulasa s-au fabricat din

aliaj de aluminiu iar galeria de evacuare din oţel inoxidabil. Posibilitatea de a utiliza MG1 pe

post de demaror/alternator iar MG2 ca generator în regim de frânare a permis o reducere în

plus a masei totale a motorului prin eliminarea alternatorului şi a demarorului clasic.

Controlul îmbogăţirii amestecului aer-carburant se realizează prin intermediul unei

clapete obturatoare controlată electronic. Pentru reducerea emisiilor poluante sistemul de

alimentare cu combustibil este etanş iar gazele de evacuare sunt tratate de un convertor

catalytic pe trei căi (TWC).

37

fig 13

fig 13 - caracteristica de cuplu şi de putere a motorului termic 1NZ-FXE

Elementele componente ale motorului sunt prezentate în fig 14, unde se prezintă o

secţiune printr-un motor termic, iar în figura 15 este prezentat mecanismul motor.

fig 14 Foto: sursă Wikimedia commons

Semnificaţia notaţiilor de la fig 13 este:

1- bujie; 2 - arbore cu came; 3- supapă de admisie; 4 - galerie de admisie;

5 – chiuloasă; 6 - bloc motor; 7 - arbore cotit; 8 – bielă; 9 – piston; 10 – bolţ;

38

11 – segmenţi; 12 - galerie de evacuare; 13 - supapă de evacuare; 14 - arbore cu came.

fig 14

1 – arbore cotit; 2 – bielă; 3 - piston; 4 – supapă; 5 – roţi de antrenare arbore cu came;

6 – arbore cu came; 7 - tacheţi.

III.1.3. Motorul şi generatorul electric

Motorul şi generatorul electric - sunt maşini electrice reversibile de curent alternativ

sincrone cu magneti permanenţi. Motorul electric ajută motorul termic în fazele de demarare

asigurând accelerarea lină şi puternică a automobilului. Suplimentar, în fazele de decelerare,

motorul electric funcţionează ca generator electric asigurând transformarea energiei cinetice a

automobilului în energie electrică, aceasta fiind stocată în baterii.

Generatorul electric produce energie electrică pentru acţionarea motorului electric sau

pentru încarcarea bateriilor. Prin reglarea turaţiei generatorului se controlează atât cantitatea

de energie electrică produsă cât şi raportul de divizare a puterii în mecanismul planetar.

Generatorul serveşte, totodată, ca demaror pentru pornirea motorului termic.

39

Transmisia unui automobil are în componenţă, pe lângă cutia de viteze un dispozitiv

de cuplare (ambreaj sau hidrotransformator) şi un diferenţial. Variaţia continuă a raportului de

transmitere se face în cutia de viteze de tip variator de turaţie.

Fig 14. Transmisia cu variaţie continuă CVT ZF CFT 23: sursă ZF

1. hidrotransformator 2. modul electrohidraulic de comandă

3. fulie conducătoare

4. curea metalică

5. fulie condusă

6. ieșirea din diferențial

Hidrotransformatorul 1, numit şi convertizor de cuplu, are rol de a decupla transmisia de

motorul termic şi de a amplifica cuplul motor.

Variatorul de turaţie este compus dintr-o fulie conducătoare 3, care primeşte cuplul motor

amplificat de hidrotransformator, cureaua metalică 4, prin care se transmite mişcarea şi fuliei

condusă 5.

40

Varierea raportului de transmitere se face prin intermediul modulului electro – hydraulic de

comandă 2, care controlează presiunea din cilindrii celor două fulii.

În structura transmisiei se află şi un dispozitiv (Inverter) care transformă curentul alternativ

de la generator sau de la motorul electric, atunci când funcţionează ca generator în fazele de

regenerare, în curent continuu, pentru a stoca energia electrică în baterii şi invers, pentru a

alimenta motorul electric în tracţiune sau generatorul când funcţionează ca demaror.

III.1.4. Invertorul AC-DC

Rolul invertorului este de a transforma curentul continuu (CC) produs de baterie în curent

alternativ (CA) necesar pentru alimentarea maşinilor electrice. De asemenea transformă din CA

în CC, pentru reîncărcarea bateriilor, energia electrică produsă de una din cele doua maşini

electrice.

Invertorul mai conţine şi un convertor de CC pentru transformarea tensiunii de 274 V în tensiune

de 12 V necesară pentru alimentarea echipamentelor auxiliare ale automobilului (iluminare,

sistem audio, aer condiţionat, etc.)

Foto: Toyota Prius – invertor.

Sursa: Toyota

41

III.1.5.Bateriile

Bateriile sunt de tipul nichel – hidrură metalică (Ni-MH), conţin 38 de module individuale ce

însumat produc 274 V. Pachetul de baterii este montat pe puntea din spate, după scaunele

pasagerilor. Această amplasare permite utilizarea optimă a spaţiului din interiorul automobilului

pentru sporirea confortului pasagerilor.

Datorită tensiunilor şi a curenţilor mari este interzisă intervenţia persoanelor neautorizate

asupra bateriilor. Bateriile nu se repară iar intervenţia se poate realiza numai de către personalul

Toyota specializat în acest sens. Pentru a proteja ocupanţii automobilului de o eventuală

electrocutare, bateria este izolată, în cazul unui accident sau defecţiune, de restul automobilului

prin intermediul unui releu de siguranţă.

Foto: Toyota Prius generaţia I – componente.

Sursa: Toyota

42

III.1.6. Modul de funcţionare

Sistemul THS funcţionează în următoarele moduri:

1. Pornirea motorului termic şi deplasarea cu viteze reduse. Alimentarea cu combustibil a

motorului termic este întreruptă iar propulsia este asigurată de motorul electric alimentat de la

baterii (A). Automobilul este „zero” poluant.

2. Regimul normal. Puterea de la motorul termic se ramifică în mecanismul planetar, o parte

merge direct la puntea motoare prin coroana (B), iar cealaltă parte antrenează generatorul electric.

Energia electrică produsă de generator este utilizată pentru acţionarea motorului electric

suplimentând astfel cuplul la puntea motoare (C). Ramificarea puterii se face astfel încât

randamentul de funcţionare să fie maxim.

3. Regimul de plină sarcină. La acest regim, în plus faţă de regimul normal, motorul electric

primeşte suplimentar energie şi de la baterii mărind puterea la puntea motoare (A).

4. Decelerare/frânare. În timpul frânării automobilului roţile antrenează motorul electric, iar

acesta funcţionând ca generator produce energie electrică ce va fi stocată în baterii (A).

5. Încărcarea bateriilor. Bateriile sunt reglate să păstreze o anumită cantitate de energie. Când

energia stocată în baterii este scăzută acestea vor fi încărcate prin acţionarea generatorului

electric de către motorul termic (D).

6. La oprirea automobilului motorul termic este oprit automat.

Consumul de combustibil al acestui automobil, în ciclul japonez de testare, este de 3,57 l/100 km.

Datorită faptului că Prius poate rula, în anumite condiţii de deplasare, exclusiv în mod electric

emisiile poluante sunt zero. Acest beneficiu aduce un aport semnificativ mediului din marile

aglomerări urbane cu trafic intens. Comparativ cu un automobil ce este echipat cu un motor

termic pe benzină, cu aceeaşi densitate de putere, Prius emite cu aproximativ 40% mai puţine

grame de CO2 pentru fiecare kilometru parcurs. De asemenea, pe ciclul combinat, consumul de

combustibil se situează în jurul valorii de 5.1 l/100 km.

43

Prima generaţie de Prius, din punct de vedere al emisiilor poluante se situa la nivelul anilor

2005, testat după standardele europene în vigoare emite: 0.63 g/km de monoxid de carbon (CO2),

0.05 g/km de hidrocarburi (HC) şi 0.05 g/km de oxizi de azot (NOx).

III.1.7. Regimurile de funcţionare

Modul de funcţionare a grupului moto-propulsor (propulsie electrică sau hibridă) sau regimul

de funcţionare al maşinilor electrice (motor sau generator) poate fi exemplificat prin dependenţa

turaţiilor elementelor mecanismului planetar (solară, platou sateliţi şi coroană).

Contact

Acest mod corespunde cu poziţia „contact” a unui automobil clasic, cu motor termic. În acest

mod viteza automobilului este nulă dar sistemul electric este „armat”, bateria este conectată, prin

intermediul releului de siguranţă, la invertor.

44

Demarajul automobilului (mod electric)

După punerea contactului, dacă conducătorul auto apasă pedala de acceleraţie, automobilul

începe să se deplaseze fiind propulsat de MG2 care funcţionează în regim de motor electric. În

acest mod MG1 se va roti în sensul opus de rotaţie al MG2, deoarece motorul termic, fiind oprit,

va imobiliza platoul sateliţilor din mecanismul planetar.

45

Pornirea motorului termic

În modul de propulsie electric dacă viteza automobilului depăşeşte o anumită limită (aprox. 50

km/h) motorul termic este pornit utilizând MG1. Invertorul va alimenta MG1 care funcţionează

în regim de motor. Sensul de rotaţie al lui MG1 şi MG2 va fi acelaşi ceea ce va antrena motorul

termic.

46

Acceleraţie uşoară

După pornirea motorului termic dacă conducătorul doreşte o acceleraţie uşoară a

automobilului, motorul termic îşi va mări turaţia peste valoarea lui MG2. În acest caz MG1 va fi

antrenată fiind în regim de generator electric. Energia electrică produsă de MG1 este utilizată

pentru MG2.

47

Deplasare cu viteza constanta medie

În acest mod de funcţionare automobilul este propulsat hibrid, cu motorul termic şi cel electric

MG2. Generatorul MG1 produce energie electrică pentru alimentarea MG2

48

Acceleraţie puternică

În cazul în care se doreşte o acceleraţie puternică a automobilului, turaţia motorului termic

creşte. Automobilul este propulsat în mod hibrid (electric şi termic). MG1 va produce energie

electrică pentru a alimenta MG2. În plus pentru a obţine un cuplu maxim din MG2 bateria va

furniza suplimentar energia electrică necesară.

49

Deplasare cu viteză constantă mare

Pentru o anumită turaţie a motorului termic, pentru a putea mări turaţia lui MG2, MG1 va fi

blocat (turaţie zero). În acest regim de deplasare, automobilul este propulsat în mod hibrid, MG2

fiind alimentat cu energie electrică de la baterii.

50

Viteză maximă

Pentru aceeaşi turaţie a motorului termic, MG2 va avea o turaţie mai mare dacă MG1 este în

regim de motor şi rotit în sens invers. Automobilul este propulsat hibrid (electric + termic),

bateria alimentând cu energie electrică atât motorul electric MG2 cât şi MG1.

51

Frânare recuperativă

Când conducătorul auto acţionează pedala de frână, cu scopul de a reduce viteza

automobilului, motorul termic este oprit. În acest mod MG2 va funcţiona în regim de generator

electric, fiind antrenat de roţile automobilului (frână de motor). Energia produsă de MG2 este

utilizată pentru încărcarea bateriilor. MG1 nu va fi alimentat, şi se va roti în sens invers faţă de

MG2 datorită turaţiei zero a motorului termic.

Frânarea utilizând MG2 în regim de generator nu înlocuieşte sistemul de frânare

hidraulic, clasic. În cazul în care conducătorul auto doreşte o frânare puternică sistemul hidraulic

intervine precum la un automobil convenţional. Pentru a determina intensitatea frânării deci

implicit necesitatea activării sistemului hidraulic, calculatorul sistemului de frânare utilizează

informaţia provenită de la un senzor de poziţie montat pe pedala de frână. Poziţia pedalei de frână

se traduce în forţa necesară de frânare care decide momentul activării sistemului de frânare

hidraulic, clasic.

52

Mersul înapoi

În acest mod automobilul este propulsat în mod exclusiv electric, MG2 fiind în regim de motor

electric dar cu sens de rotaţie opus faţă de modul „Drive”. Motorul termic este oprit iar MG1 se

va roti liber. Energia electrică pentru MG2 este furnizată de baterie.

Sistemul THS se face remarcat datorită modului simplu şi eficient prin care se utilizează două

maşini electrice şi un motor termic pentru propulsarea unui automobil în vederea minimizării

consumului de combustibil, păstrând în acelaşi timp performanţele dinamice ale automobilului la

un nivel acceptabil.

Optimizarea acestui sistem a fost continuă, următoarele generaţii de Toyota Prius mai avansate

din punct de vedere al performanţelor, precum Toyota Auris Hybrid.

53

Acest model este oferit în două nivele de echipare: Luna și Sol, cea de-a doua beneficiind

în plus de jante pe 17 inchi, oglinzi retrovizoare pliabile electric, asistență la parcare, tapițerie

mixtă textil-piele sau climatizare automată pe două zone.

În ceea ce privește designul exterior, diferențele estetice față de un model Auris normal

nu sunt numeroase, dar sesizabile totuși.

Motorizarea este compusă dintr-un propulsor VVT-i 1.8 litri pe benzină ce produce 99

CP și un motor electric de 80 CP, în final rezultând o putere totală de 136 CP (modul de calcul al

puterii finale nu se face printr-o simplă adunare).

Consumul mediu. Toyota anunță oficial doar 3.8 litri pentru o sută de kilometri parcurși

la bordul lui Auris Hybrid 2013. Iar pentru că un model de acest gen înseamnă și o atenție sporită

asupra mediului înconjurător, emisiile CO2 de doar 87 g/km.

Comportament rutier. Primul aspect pe care îl identificăm este silențiozitatea absolută

în momentul staționărilor urbane sau chiar a deplasărilor la viteze mici. Practic, motorul termic

începe să funcționeze doar după pragul de 20 km/h, dar încă la o turație scăzută favorizând

obținerea unui consum urban mai bun decât cel al motorizărilor diesel.

Auris Hybrid 2013 este dotată cu un sistem de management electronic inteligent al

modurilor de funcționare, astfel că avem de ales între ECO, POWER și EV, fiecare dintre acestea

cu caracteristicile evidente și avantaje/dezavantaje.

Modul ECO pune accent pe economia de combustibil utilizând în principal motorul

electric (bineînțeles în funcție și de modul de conducere abordat), POWER o să ofere un plus de

performanțe coroborate cu o ușoară creștere a consumului, iar cel din urmă tip de conducere - EV

permite șoferului o deplasare exclusiv în modul electric. Desigur aceasta nu este posibilă decât

până la descărcarea completă a bateriilor, care se realizează în aproximativ 4 km. Totuși 4 km pot

fi o distanță suficientă în cazul în care utilizați mașina pentru o navetă scurtă în oraș, dar mai ales

pentru momentele în care sunteți blocat pentru o perioadă îndelungată într-un trafic dificil.

Transmisia este asigurată de cutia automată E-CVT, cu transmisie electronică variabilă

continuu, care aduce în mod evident un plus senzației generale oferit de Auris Hybrid. Foarte

54

interesant este însă levierul cutiei de viteze, care nu are o acționare clasică: Parking, Reverse,

Normal și Drive ci se bazează pe un sistem tip impuls care după o ușoară perioadă de acomodare

se dovedește foarte confortabil.

În ceea ce privește performanțele, sistemul hibrid oferă o accelerație de la 0 la 100 km/h

în 10.9 secunde și o viteza maximă de 180 km/h.

Suspensia este în continuare orientată spre confort, similar modelului de bază, gropile și

denivelările fiind bine absorbite, fără efecte negative asupra stabilității vehiculului.

La capitolul siguranță, modelul vine cu:

· 7 airbag-uri (frontale, laterale, tip cortină + airbag pentru genunchii șoferului)

· ABS cu sistem EBD (de distribuție electronică a forței de frânare)

· asistența la frânarea de urgență BA + funcție de semnalizare a frânării de urgență

· controlul stabilității vehiculului VSC

· controlulul tracțiunii TRC

· asistență la pornirea din rampă HAC

III.2.Motorul hibrid Scuderi

Carmelo J. Scuderi a fost un inventator de origine americană, inginer mecanic, inginer

specialist în termotehnică și mecanica fluidelor. Și-a dedicat întrega viață profesională

(aproximativ 50 de ani) invenției, dezvoltării, testării și comercializării de noi produse. Printre

companiile la care a lucrat sau a fost partener se numără Hughes Aircraft Company, US Navy

(forțele navale americane), Air Force (forțele americane aeriene) și NASA (agenția națională

spațială americană).

55

Foto:Motorul Scuderi

Sursa: Scuderi

Îmbunătățirea randamentului motorului cu ardere internă cu ciclu Otto (motorul pe benzină) a

fost unul dintre subiectele pe care a lucrat de-a lungul carierei. Astfel în 1998 a început

proiectarea motorului Scuderi cu ciclu divizat. Noul concept de motor cu ardere internă a fost

finalizat în 2001 când, cu ajutorul familiei, a obținut patentarea invenției și fondurile necesare

pentru dezvoltarea motorului prototip cu ciclu Scuderi.

Carmelo Scuderi a murit în 2002, la vârsta de 77 de ani. Familia acestuia a continuat procesul

de dezvoltare și testare a prototipului, proces ce continuă și în prezent.

56

III.2.1. Motorul hibrid Scuderi - construcție și funcționare

Este primul motor hibrid cu aer care captează și stochează energie sub formă de aer

comprimat, energie care la motoarele clasice este pierdută. Simulările numerice pentru un astfel

de motor au arătat o reducere a emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil cu până la 50%.

De asemenea emisiile de NOx se pot reduce cu până la 80%.

Foto:Motorul hybrid Scuderi vedere 3D

Sursa: Scuderi

În comparație cu un motor termic în 4 timpi motorul Scuderi utilizează un ciclu de funcționare

divizat. Prototipul motorului Scuderi are 4 cilindri, doi cilindri funcționând în regim de

compresor iar ceilalți doi în regim de motor. Practic timpii de admisie și comprimare sunt

separați de timpii de destindere și evacuare în funcție de cilindrii. Cilindrii compresorului

efectuează un ciclu complet de funcționare în două curse, una pentru admisie și a doua pentru

comprimare. De asemenea cilindrii motorului, cei care produc lucru mecanic, efectuează un ciclu

complet, destindere și evacuare, în numai două curse ale pistonului.

57

Foto:Motorul hibrid Scuderi – schemă de principiu

Sursa: Scuderi

Una din diferențele semnificative față de un motor cu ardere internă clasic este aprinderea după

punctul mort interior (PMI). Acest proces are ca efect arderea eficientă și completă a amestecului

aer-carburant. Când aprinderea (cu ajutorul unei bujii) este inițiată la PMI arderea începe între

11º și 15º după PMI și se termină la aproximativ 23º grade după PMI. Rezultatul este o

temperatură medie a arderii mai mare dar cu o valoare maximă (vârf de temperatură) mai mică

comparativ cu motoarele clasice pe benzină.

58

Foto:Motorul hybrid Scuderi ciclu motor

Sursa: Scuderi

Motorul prezintă avantajul recuperării energiei disipate în timpul frânării automobilului. Spre

deosebire de automobilele hibride (termic-electric) sau cele electrice, la care energia recuperată în

timpul frânării este stocată în baterii, motorul Scuderi stochează energia recuperată sub formă de

aer comprimat într-un rezervor sub presiune.

III.2.2.Moduri de funcționare

A. Nominal – compresorul alimentează rezervorul de aer comprimat precum și cilindrii

motorului. Atât compresorul cât și motorul funcționează.

B. Recuperarea energiei de frânare – fluxul de aer comprimat alimentează doar rezervorul,

injecția de combustibil este întreruptă. În acest mod funcționează doar compresorul,

consumul de combustibil fiind zero.

59

C. Regim stabilizat – fluxul de aer alimentează într-o mare măsură rezervorul și într-o mică

măsură cilindrii motorului. În acest mod se creează presiune în rezervorul cu aer

comprimat pentru o utilizare ulterioară.

D. Randament ridicat – compresorul este dezactivat, aerul necesar arderii fiind preluat din

rezervor. În acest mod pistoanele compresorului nu mai consumă lucru mecanic.

Foto: Motorul hibrid Scuderi – rezervorul de aer comprimat

60

Foto : Modurile de funcționare al motorului hibrid Scuderi

Sursa : Scuderi

III.2.3. Motorul Scuderi turbo supraalimentat

Randamentul unui motor cu ardere internă este dat de diferența dintre lucrul mecanic pozitiv

(rezultat în urma arderii) și lucrul mecanic negativ (consumat pentru comprimarea aerului). Dacă

se utilizează un turbo-compresor randamentul motorului crește deoarece o parte din energia

gazelor de evacuare este folosită pentru a precomprima aerul din admisie.

Separarea cilindrilor compresorului de cilindrii în care se produce arderea a permis

reducerea dimensiunilor cilindrilor de comprimare, energia consumată pe cursa de comprimare

61

fiind de asemenea mai mică. În plus utilizarea unui turbo-compresor a permis reducerea

pierderilor prin pompaj și îmbunătățirea randamentului motorului.

Foto: Motorul hibrid Scuderi cu turbo compressor

Sursa: Scuderi

III.2.4.Particularitățile motorului hibrid Scuderi

Datorită modului de funcționare, cu ciclu divizat, motorul Scuderi are câteva avantaje

comparativ cu motoarele clasice utilizate pentru automobile:

o previne detonația datorită injecției întârziate

o este echipat cu un sistem de injecție inovativ produs de Bosch

62

o sistemul de distribuție este variabil, cu control pneumatic, ce permite funcționarea

motorului la un randament ridicat în zona de sarcini parțiale

o este prevăzut cu un sistem de control al așezării supapelor pe sediu, ce permite

deschiderea și închiderea rapidă a supapelor de curgere a aerului dintre compresor și motor

Foto: Motorul hibrid Scuderi – secțiune 3D

Sursa: Scuderi

III.3.Sistemul Hibrid Air dezvoltat de PSA

(Citroen-Peugeot)

Concernul PSA (Citroen-Peugeot) a prezentat recent o nouă propunere de tehnologie

hibridă, care, în locul bateriilor electrice, foloseşte soluţia aerului comprimat.

Sistemul Hybrid Air este format dintr-un motor pe benzină, un compresor de aer, o pompă

hidraulică (cu rol de motor de propulsie, alimentat de aerul comprimat) şi o transmisie automată

special concepută, cu angrenaj epicicloidal.

63

Motorul termic, pompa hidraulică şi cutia automată sunt plasate în faţă, ca în cazul unei

maşini obişnuite, în timp ce tunelul central găzduieşte rezervorul principal de aer comprimat

(împreună cu compresorul de aer), iar în spate, lângă rezervorul de combustibil, regăsim un

rezervor secundar de aer comprimat. Principalul avantaj al acestei soluţii tehnice îl reprezintă

costurile mult mai reduse decât în cazul bateriilor electrice. Dat fiind că e o soluţie care se

adresează în principal maşinilor de dimensiuni reduse, eficienţa sistemului Hybrid Air se promite

suficient de bună.

Oferit în tandem cu un motor clasic de mic litraj, Hybrid Air reduce considerabil nivelul

noxelor, un automobil de clasă mică precum Peugeot 208 sau Citroen C3 putând, astfel, emite

doar 69 g CO2/km. Şi consumul ar scădea spectaculos. Primele estimări indică o medie de numai

2 l/100 km.

Ineditul sistem dezvoltat de PSA cuplează un propulsor termic pe benzină convenţional la

o transmisie epiciclică, cunoscută şi sub numele de transmisie planetară, asistată de un motor

hidraulic alimentat de un rezervor de aer comprimat, ascuns între scaunele maşinii, pe tunelul

median. Ajutat de o pompă, motorul hidraulic are şi sarcina de a reîncărca periodic rezervorul de

aer comprimat, folosindu-se de energia recuperată în timpul frânării.

Întregul ansamblu nu cântăreşte mai mult de 100 kilograme, cu 50 mai puţin decât în

cazul unui sistem hibrid clasic, bazat pe electricitate. Hybrid Air este, în acelaşi timp, o soluţie

ieftină (fără metale rare, ca litiul), uşor de implementat inclusiv pe modelele low-cost destinate

pieţelor emergente, atu ce deschide noi orizonturi de creştere pentru grupul francez în zone

precum China, India sau Europa de Est.

Astfel echipat, orice automobil poate rula în trei moduri distincte, în funcţie de preferinţe

sau necesităţi: exclusiv cu ajutorul propulsiei pe bază de aer comprimat, doar cu ajutorul celei

clasice, pe bază de combustie sau, bineînţeles, utilizând ambele soluţii, în tandem.

Folosirea exclusivă a aerului comprimat va fi disponibilă, însă, doar la viteze reduse, de

sub 50 km/h, ceea ce înseamnă că sistemul Hybrid Air este dedicat, în primul rând, maşinilor

mici, de clasă B sau C, care îşi petrec majoritatea timpului în traficul marilor aglomerări urbane.

De altfel, PSA a şi confirmat intenţia de a cupla sistemul Hybrid Air doar la motorizări de

cilindree redusă, cu puteri cuprinse între 82 şi 110 CP. Cel mai probabil este vorba despre noua

generaţie de motoare VTi cu trei şi patru cilindri, care va fi introdusă treptat pe toate modelele de

clasă mică şi compactă din gamele Peugeot şi Citroen.

64

Însă cel mai important este că Hybrid Air anunţă consumuri de combustibil foarte mici,

precum şi emisii de CO2 foarte scăzute: în cazul lui Peugeot 208 sau Citroen C3, sistemul Hybrid

Air duce la un consum mediu de numai 2,9 litri/100 km, respectiv emisii CO2 de 69 g/km.

Sistemul Hybrid Air poate funcţiona în trei moduri: doar pe benzină (la viteze mari,

specifice autostrăzii), combinat (la demaraje sau pe şoselele normale), dar şi exclusiv pe aer (la

viteze sub 50 km/h, în trafic urban). Gestionarea Hybrid Air este strict electronică, un computer

controlând modul de funcţionare pentru o eficienţă maximă.

Practic, oficialii declară că sistemul Hybrid Air poate funcţiona doar pe aer în 60-80% din

parcursul urban, ceea ce înseamnă o reducere de până la 45% a consumului şi emisiilor în regim

urban.

Citroien C3 cu tehnologie Hybrid Air

Noul grup moto-propulsor hybrid hydraulic dezvoltat de Bosch în parteneriat cu PSA, are

rolul de a scădea semnificativ consumul de combustibil şi emisiile CO2 la automobile, putând

fi aplicată cu success atât pe autoturisme, cât şi pe automobile de transport marfă uşoară,

destinate traficului urban.

65

III.3.1. Componentele sistemului Hibrid Air

1 – motor termic

2 - transmisie automată

3 - pompă hidraulică

4 – motor hydraulic

5 – acumulator de energie (ulei – aer)

6 – rezervor combustibil

7 – rezervor hydraulic de joasă presiune

Sistemul combină cele două surse de energie pentru obţinerea unui randament optim în

funcţie de condiţiile de rulare.

Componentele hidraulice (motorul şi pompa), recuperează şi stochează energia generată

de:

- motorul termic când funcţionează la randamentul maxim

- frânarea şi decelerarea automobilului (recuperare cinetică)

66

Schema cinematică a motorului Hybrid Air

1 – motor termic

2 – transmisie automată

3 – pompa hidraulică

4 – motor hidraulic

5 – acumulator de presiune cu două compartimente

6 a – compartiment ulei

6b – compartiment aer

7 - rezervor ulei

8 – legătură mecanică

9 – roată motoare

Acumulatorul de presiune conţine două volume separate, unul de ulei şi altul de gaz. Când

acumulatorul este încărcat, volumul de ulei creşte, iar cel de gaz se comprimă, similar cu un arc

elicoidal. Când acumulatorul este încărcat la maxim, presiunea gazului atinge 300 bari. Cantitatea

de energie care poate fi stocată depinde de dimensiunea acumulatorului.

În modul aer energia acumulată prin comprimarea gazului poate fi utilizată pentru

propulsarea automobilului. Gazul se destinde iar uleiul va fi împins din acumulator în motorul

hidraulic care va propulsa automobilul prin intermediul transmisiei.

Capacitatea de stocare a energiei este mai mică decât a bateriilor Li – ion, utilizate la

automobilele hibride electrice.

Avantajul constă în încărcarea foarte rapidă (10 s) şi utilizarea mai eficientă a energiei

produsă de motorul termic.

67

Transmisia este epicicloidală cu control electronic (EGC - Electronically Gearbox

Control) şi face managementul celor două surse de putere ( motor termic şi motor hydraulic).

Aceasta înlocuieşte cutia de viteze manual de pe un automobil convenţional şi este

capabilă de schimbări automate de trepte.

Motorul termic 1,2 VTi cu trei cilindri pe benzină de ultimă generaţie, beneficiază de

ultimele tehnologii. Faţă de versiunea precedentă, masa motorului a fost redusă cu 21 kg, iar

frecările cu 30%. Pentru reducerea frecărilor, fusta pistoanelor a fost acoperită cu grafit DLC.

Motorul beneficiază de un management al sistemului de răcire care permite atingerea

temperaturii optime de funcţionare într-un timp cât mai scurt.

III.3.2. Modurile de operare

a. Modul termic.

Acest mod este utilizat la conducerea în mediu extra- urban cu viteze medii şi mari. În

acest mod toată puterea roţilor motoare este generată de motorul termic pe benzină. Motorul

termic este ţinut la turaţii joase pentru optimizarea consumului de carburant, raportul de

transmitere al cutiei de viteze fiind adaptat funcţie de viteza de deplasare.

Hzbrid Air mod TERMIC

68

Comparativ cu nu motor clasic, tehnologia Hybrid Air mod TERMIC prezintă

următoarele avantaje.

- propulsie continuă fără şocuri

- scăderea consumului de combustibil cu 5%

- nivel de zgomot redus

b. Modul aer

Acest mod este utilizat în mediu preponderent urban. Viteza maximă la care se poate

ajunge este de 70 km/h. Energia pentru propulsie este generată de acumulatorul hidraulic-aer care

se descarcă. În acest mod de funcţionare motorul termic este oprit. Statistic în trafic urban modul

AER este activ 80% din timpul de utilizare al automobilului.

Comparativ cu un motor clasic, tehnologia Hybrid Air mod AER prezintă următoarele

avantaje.

- reduce semnificativ consumul de combustibil

- nivel de zgomot foarte redus.

c. Modul hybrid.

În modul hybrid de propulsie sunt folosite ambele surse de energie: motorul termic şi

acumulatorul hidraulic-aer.

69

Sistemul electronic de control inteligent selectează automat modul de funcţionare a celor

două surse în funcţie de cererea de cuplu a conducătorului auto şi permite reîncărcarea

acumulatorului la deplasarea cu viteze reduse, îndeplinind condiţiile de mentenabilitate şi

performanţe dinamice.

d. Modul REGENERARE

În modul regenerare acumulatorul se încarcă. acest mod este activ în timpul decelerării

sau frânării automobilului. El devine activ indiferent dacă propulsia este pe modul termic, aer sau

hybrid.

70

III.3.3. Avantajele tehnologiei Hibrid Air.

Dintre multiplele avantaje ale acestei tehnologii se pot distinge.

accesibilitate – tehnologia este disponibilă la preţ scăzut, putându-se aplica atât

autoturismelor, cât şi vehiculelor comerciale uşoare. Va echipa autovehicule din clasa

B(motoare pe benzină de 82 CP), cât şi din clasa C (motoare pe benzină de 110 CP).

consum scăzut de combustibil - în mediul urban consumul se reduce cu 45%, ceea ce

presupune creşterea autonomiei până la 90%. Consumul de combustibil standard în ciclu

mixt este de 2,9 litri la 100 km, cu emisii de 69 g CO2/100 km, pentru Citroen C3 sau

Peugeot 208.

spaţiu interior – dispunerea sistemului Hybrid Air permite obţinerea unui spaţiu interior,

similar unui automobil cu propulsie clasică.

confort şi maneabilitate - funcţionarea în mod combinat permite reprize de acceleraţie

puternice. De asemenea transmisia cu variaţie continuă nu întrerupe cuplul motor, ceea ce

se traduce în confort sporit în timpul rulării.

disponibilitate internaţională – tehnologia Hybrid Air poate fi utilizată oriunde

indiferent de condiţiile climatice. Sistemul fiind relativ simplu permite mentenanţă şi

întreţinere uşoară.

71

III.4. Noul sistem hibrid dezvoltat de Audi

Audi testează un nou sistem hibrid, numit iHEV. Sistemul Intelligent Hybrid Electric

Vehicle permite oprirea motorului în timpul mersului şi repornirea sa doar când acest lucru este

necesar pentru a menţine viteza uniformă şi pentru a economisi carburant, totul fără a folosi un

motor electric şi un set de acumulatori. Sistemul hibrid testat de cei de la Audi are o funcţie

numită Predictive Efficiency Assistant, care va monitoriza date precum înclinarea drumului,

limitele de viteză locale şi indicatoarele rutiere pentru a face sugestii privind stilul de condus

abordat de şofer în vederea obţinerii celui mai bun consum de carburant posibil. Funcţia PEA

poate să calculeze rezistenţa la rulare, punctul în care şoferul poate să ia piciorul de pe pedala de

acceleraţie, momentul în care poate fi oprit motorul şi cât timp poate fi oprit motorul pentru a

ajunge într-un loc predeterminat la o viteză care să nu depăşească limita legală pe acel sector.

Inginerii Audi au testat deja efectele pe care le are tractarea unei remorci sau folosirea

unui portbagaj montat pe plafon, toate situaţiile rezonabile fiind deja încercate în tunelul de vânt.

Funcţia Predictive Efficiency Assist poate fi folosită în compania sistemului Active Cruise

Control, cele două permiţând folosirea intermitentă a motorului pe autostradă, fiind posibilă

rularea cu motorul oprit preţ de un kilometru, totul la viteze de autostradă.

În timp ce timpul de parcurgere a traseului creşte două sau trei minute, echivalentul a trei

procente, consumul de carburant este redus cu zece procente în testele lor realizate în condiţii

reale.

Sistemul hibrid al celor de la Audi a fost testat pe un prototip A7 modificat. Englezii de la

Autocar au avut ocazia să conducă deja prototipul, iar aceştia spun că modelul reuşeşte să

repornească motorul fără ca acţiunea să fie percepută la nivelul habitaclului, pe când modul de

rulare cu motorul cu ardere internă oprit se dovedeşte a fi foarte silenţios şi este activat rapid.

Sistemul hibrid dezvoltat de cei de la Audi se bazează pe eliminarea necesităţii unui tren de

propulsie electric, fiind concentrat pe oprirea motorului cu ardere internă şi utilizarea inerţiei

pentru a asigura propulsia în continuare.

72

III.5. Porsche 911 GT3 R Hibrid

Tehnologia propulsiei hibride şi-a demonstrat eficienţa în ceea ce priveşte economia de

combustibil. Reducerea consumului de combustibil înseamnă creşterea autonomiei automobilului

cu aceeaşi cantitate de combustibil şi un plus de putere dat de propulsorul electric.

Aceste avantaje ale tehnologiei hibride au fost punctele de plecare ale inginerilor de la Porsche

când au demarat proiectul GT3 R Hibrid. În anul 2008 plecând de la ideea unui automobil de

competiţie hibrid în paralel, cu puntea spate propulsată termic şi puntea faţă cu tracţiune electrică,

inginerii de la Porsche au început proiectarea automobilului GT3 R Hibrid. Automobilul

este echipat pe puntea faţă cu două motoare electrice, fiecare generând 60 kW (82 CP). Acestea

asistă motorul termic de 4 litri, 6 cilindri, boxer, montat pe puntea spate ce dezvoltă 480 CP.

Motoarele electrice sunt alimentate de un generator electric cu volantă montat central lângă pilot.

Foto: Porsche 911 GT3 R Hibrid

Sursa: Porsche

73

Componentele propulsiei hibride

1. electronică de putere (sistemul de control a motoarelor electrice)

2. motoarele electrice

3. cablul de înaltă tensiune (alimentează motoarele electrice)

4. baterie

5. electronică de putere (monitorizează şi controlează generatorul electric cu volantă)

Generatorul electric este de fapt un motor electric care se rotește la turații de aproximativ

40000 rot/min. Acesta conține o volantă care stochează energia mecanică și o transformă în

energie electrică. Volanta este accelerată în timpul frânării automobilului, energia mecanică

recuperată fiind transformată ulterior în energie electrică.

Componentele generatorului electric

1. rotor (volanta)

2. stator

3. electronica de putere

Sistemul de propulsie electric adițional furnizează putere exact atunci când ai nevoie. La

intrarea în curbe automobilul frânează, volanta este accelerată și generatorul produce energie

electrică. La ieșirea din curbe sistemul este „armat” oferindu-i automobilului un plus de putere de

120 kW (163 CP) timp de 6...8 secunde. Activarea propulsie electrice se face prin apăsarea unei

74

pedale aflate sub volanul automobilului. Pilotul este informat de starea de încărcare a sistemului

electric cu ajutorul unor leduri care se aprind în momentul în care volanta este încărcată la

maxim.

Componentele propulsiei electrice

Sursa: Porsche

1. reductor mecanic

2. ambreiaj multidisc

3. motoare electrice

4. electronica de putere

Propulsia electrică nu este activă tot timpul. Pilotul automobilului comandă închiderea

ambreiajelor multidisc (2) care transmit roţilor, prin intermediul reductoarelor (1), cuplul

produs de motoarele electrice (3).

Energia care în mod obişnuit este disipată prin căldură de sistemul de frânare al automobilului

este convertită în energie electrică şi utilizată ulterior. Generatorul electric cu volantă se bazează

pe tehnologia dezvoltată de Williams Hybrid Power (WHP).

75

Foto: Generatorul electric WHP

Sursa: WHP

Volanta WHP (rotorul) este realizată din fibră de carbon şi material compozit încărcat

magnetic. Inexistenţa materialelor metalice din rotor au eliminat pierderile prin curenţi de

inducţie, reducându-se astfel pierderile prin căldură. Fibra de carbon îi conferă rotorului

rezistenţă mecanică mare şi posibilitatea de a atinge viteze de rotaţie extrem de mari.

Datorită materialelor utilizate sistemul WHP se caracterizează în principal prin densitate

mare de putere, capacitate mare de stocare a energiei şi stabilitatea la variaţii ale temperaturii

ambiante.

Sistemul adiţional de propulsie electrică are masa totală de 150 kg, puntea faţă fiind încărcată în

plus cu 67 kg. În ciuda greutăţii mai mari GT3 Hibrid, comparat cu modelul cu propulsie exclusiv

termică are autonomie mai mare. Acest lucru îi conferă un avantaj deoarece poate fi echipat cu un

rezervor mai mic sau poate completa mai multe ture de pistă fără a fi necesară oprirea pentru

realimentare cu combustibil.

76

Foto: Generatorul electric WHP – secţiune şi component

Sursa: WHP

1. fibră de carbon (rotor)

2. stator

3. rulmenţi pe bază de material ceramic

4. material compozit încărcat magnetic

77

Capitolul IV. Sisteme Mecatronice Hibride.

IV.1.Noua tehnologie oferită de BOSCH

Grupul Bosch este, la nivel internaţional, cel mai important producǎtor în industria

tehnicii pentru autovehicule, a tehnicii industriale, a bunurilor de consum şi tehnicii pentru

clǎdiri. În anul 2009, cei aproximativ 270.000 de angajaţi au realizat o cifrǎ de afaceri de 38,2

miliarde de Euro. Grupul Bosch cuprinde compania Robert Bosch GmbH şi circa 300 de filiale şi

reprezentanţe regionale în peste 60 de ţǎri, iar prin parteneriate, Bosch este prezent în alte 150 de

ţări. Structura acestui concern mondial de dezvoltare, producţie şi distribuţie susţine politica de

extindere continuǎ a Grupului. Bosch investeşte anual peste 3.5 miliarde de Euro pentru cercetare

şi dezvoltare, înregistrând peste 3800 de patente la nivel mondial. Prin produsele şi serviciile

oferite, Bosch urmăreşte îmbunătăţirea calităţii vieţii oferind soluţii fiabile şi inovative.

Concernul a fost înfiinţat la Stuttgart în 1886 de cǎtre Robert Bosch (1861 - 1942) sub

numele de „Atelier de mecanicǎ finǎ şi electrotehnică”. Structura Robert Bosch GmbH asigurǎ

independenţa financiarǎ, precum şi libertatea antreprenorialǎ a Grupului Bosch. Aceasta îi

permite companiei sǎ facǎ investiţii pentru asigurarea viitorului sǎu, precum şi sǎ respecte

responsabilitatea sa socialǎ. Bosch continuă să asigure avansul dezvoltării tehnologice în

domeniul auto, prin îmbunătăţirea continuă a motoarelor cu ardere internă şi furnizarea de

sisteme de propulsie inovatoare, cum ar fi hibridul hidraulic. Concernul german, acordă o

deosebită atenţie şi la eficientizarea unor sisteme de propulsie alternative şi a altor unităţi

auxiliare, cum ar fi: sisteme de injecţie prntru biocarburanţi, sistemul de dezactivare a cilindrilor

1,4 TSI VW, sistemul Stop & Start, acumulator hidraulic de impuls HIS pentru cutiile automate

ZF etc.

IV.2.Sisteme de injecţie pentru carburanţii alternativi ecologici şi

economici

Pe lângă benzină şi motorină, carburanţii alternativi câştigă treptat teren. Printre aceştia se

numără gazele naturale (CNG = gaz natural comprimat), benzina cu conţinut mare de etanol,

etanolul în stare pură (E100), precum şi biodiesel-ul obţinut din plante.

Bosch a început deja producţia în serie a diverselor sisteme de comandă a motoarelor,

78

precum şi a componentelor de injecţie pentru astfel de carburanţi ecologici, prin intermediul

cărora emisiile de CO2 pot fi considerabil reduse.

Spre deosebire de benzină, la arderea gazului natural, emisiile de CO2 sunt cu 25% mai

mici. Autovehiculele alimentate cu gaz natural au intrat în producţia de serie cu mai mulţi ani în

urmă. Pentru a oferi şoferului o flexibilitate maximă în momentul alegerii carburantului,

autovehiculele sunt echipate de regulă cu sisteme Bifuel, motorul putând fi alimentat atât cu gaz

natural, cât şi cu benzină. Bosch furnizează, prin pachetul NG-Motronic, un sistem complet care

include atât unitatea de comandă Bifuel-Motronic a motorului, injectoarele NGI2 pentru gaz

natural, rampa de carburant, cât şi senzorii de presiune în rezervor, de temperatură şi de joasă

presiune.

Datorită rezistenţei mari la detonaţii a gazului natural, motoarele alimentate cu un astfel

de carburant pot fi constant optimizate. Dacă sunt supraalimentate se pot reduce dimensiunile,

astfel încât eficienţa şi puterea motoarelor să fie îmbunătăţite. Bosch sprijină această tendinţă a

pieţei prin fabricarea mai multor modele de injectoare de gaz natural din gama NGI2.

IV.2.1. Componente ale sistemului de injecţie pentru biocarburanţi

În prezent, prin alimentarea cu biocarburanţi, motoarele cu ardere internă pot economisi

resursele, iar emisiile de CO2 sunt reduse semnificativ. Cea de-a doua generaţie de biocarburanţi asigură

o reducere a emisiilor de CO2 de până la 90%. La obţinerea acestor carburanţi, se folosesc plante

utilizate integral pentru obţinerea etanolului, a biodieselului sau a biogazului, ca substituent al gazului

natural.

În Europa, carburantul diesel convenţional este deja amestecat în diferite proporţii cu biodiesel.

Aceşti biocarburanţi contribuie la reducerea emisiilor de CO2 atât în cazul autovehiculelor noi, care

dispun de o tehnologie corespunzătoare în acest sens, cât şi în cazul celor deja existente. Bosch îşi

adaptează deja sistemele de injecţie pentru utilizarea biocarburanţilor. Astfel, este posibil ca un

autovehicul să folosească surse energetice regenerabile, folosind condiţiile tehnice şi de infrastructură

existente.

Biodieselul oferă reduceri substanţiale ale emisiilor de monoxid de carbon, pulberilor în

suspensie, hidrocarburilor nearse şi sulfaţilor. În plus, biodieselul reduce emisiile compuşilor

79

cancerigeni cu aproape 85% faţă de motorină. În combinatie cu motorina, aceste reduceri ale

emisiilor sunt în general proporţionale cu cantitatea de biodiesel utilizată.

IV.2.2. Tehnologia FlexFuel – testată şi probată – pentru alimentarea cu etanol

În America de Sud, etanolul obţinut din plante constituie un important substituent al

benzinei convenţionale. Pentru aceste pieţe de desfacere, Bosch a conceput sistemul FlexFuel.

Astfel, motoarele în patru timpi pot fi alimentate cu amestec de benzină şi etanol, de la benzină

simplă până la etanol (E100) în stare pură. Unitatea de comandă a motorului pentru injecţie în

poarta supapei - Motronic, reglează în mod automat injecţia, aprinderea, precum şi ceilalţi

parametri, în funcţie de procentul de etanol din benzină. Sistemul FlexFuel, deja testat în condiţii

obişnuite de exploatare, este utilizat la scară largă în primul rând la autoturismele din Brazilia. În

anul 2008, aproximativ 500.000 de autovehicule au fost echipate cu acest sistem inovator

dezvoltat de Bosch.

Deoarece temperaturile scăzute pot afecta proprietăţile chimice ale etanolului, fapt care

influenţează în mod negativ pornirea şi funcţionarea motorului, compania Bosch şi-a extins

oferta, dezvoltând sistemul Flex Start®. Prin intermediul acestui sistem, dacă este necesar,

carburantul este încălzit în rampă, motorul putând astfel să pornească şi să funcţioneze fără

probleme şi la temperaturi exterioare scăzute. Prin urmare, se poate renunţa la sistemul de

alimentare cu benzină din dotarea acestor autovehicule, necesar numai pentru pornirea şi

încălzirea motorului.

IV.3. Sistemul de dezactivare a cilindrilor - 1.4 TSI VW

Reducerea consumului de combustibil şi a emisiilor poluante este una din priorităţile de

top a marilor producători de automobile, inclusiv a concernului Volkswagen.

Ultima tehnologie cu un aport semnificativ asupra scăderii consumului de combustibil va

echipa modelele VW începând cu anul 2012. Tehnologia numită CSO (Cylinder Shut-Off) constă

în dezactivarea anumitor cilindri de pe un motor cu ardere internă. Această tehnologie va fi

prezentă inclusiv pe motorul de cilindree mică de 1.4 litri cu injecţie directă supraalimentat (TSI).

Sistemul dezactivează temporar doi din cei patru cilindri ai motorului când acesta

funcţionează în domeniul sarcinilor mici şi medii. În privinţa consumului de combustibil, pe

80

ciclul european de omologare NEDC, se reduce consumul cu aproximativ 0.4 litri la 100 km. Mai

mult în funcţie de condiţiile de exploatare şi a stilului de condus consumul de combustibil poate

fi redus cu până la 1 litru la 100 de km. Inovaţia sistemului este susţinută şi de faptul că VW este

primul constructor care implementează acestă tehnologie pe motoarele supraalimentate de

producţie în masă.

Foto: Motorul 1.4 TSI de la VW

Sursa: VW

Sistemul dezactivează temporar doi din cei patru cilindri ai motorului când acesta funcţionează

în domeniul sarcinilor mici şi medii. În privinţa consumului de combustibil, pe ciclul european de

omologare NEDC, se reduce consumul cu aproximativ 0.4 litri la 100 km. Mai mult în funcţie de

condiţiile de exploatare şi a stilului de condus consumul de combustibil poate fi redus cu până la

1 litru la 100 de km. Inovaţia sistemului este susţinută şi de faptul că VW este primul constructor

care implementează acestă tehnologie pe motoarele supraalimentate de producţie în masă.

81

Conducătorul auto nu percepe în mod direct activarea sistemului, şi anume dacă motorul

funcţionează în patru sau doi cilindri. Datorită echilibrării superioare a motorului, funcţionarea cu

doar doi cilindri va avea impact minim asupra zgomotelor şi a vibraţiilor motorului.

Funcţionarea în doi cilindri este activă când turaţia motorului se situează între 1400 şi 4000

rot/min iar cuplul motor este între 25 şi 75 Nm. În urma statisticilor realizate de VW acest regim

de funcţionare se aplică la 70% din distanţa parcursă de un automobil care efectuează un ciclu de

omologare european NEDC.

După admisia aerului proaspăt în camerele de ardere sistemul dezactivează camele ce

acţionează supapele de admisie şi evacuare a cilindrilor 2 şi 3, în paralel cu sistarea injecţiei de

combustibil. Astfel se reduc pierderile prin pompaj ale cilindrilor 2 şi 3, nu se mai realizează

injecţia de combustibil iar cilindri funcţionali, 1 şi 4, vor avea randament mai bun datorită

creşterii sarcinii acestora.

Închiderea şi deschiderea supapelor se face prin intermediul unui sistem complex de acţionare.

Pe cei doi arbori cu came, de admisie şi de evacuare, în dreptul cilindrilor 2 şi 3 sunt montate

două piese mobile. Aceste piese mobile conţin camele normale a celor doi cilindri plus came cu

profil cilindric, care nu acţionează în sensul deschiderii supapelor.

Procesul de activare/dezactivare a sistemului se execută în aproximativ 13...36 milisecunde, în

funcţie de turaţia motorului. Pentru a minimiza impactul asupra funcţionării omogene a

motorului, tranziţia de la cilindri activi la inactivi se face şi cu controlul clapetei obturatoare şi a

sistemului de aprindere. Poziţia pedalei de acceleraţie este utilizată pentru a determina stilul de

condus al conducătorului auto.

De asemenea în cazul în care se efectuează multe schimbări de treaptă (condus sportiv)

sistemul este dezactivat pentru a beneficia de puterea maximă a motorului. Întregul sistem de

acţionare are masa totală de aproximativ 3 kg, toate elementele componente fiind integrate în

chiulasă. Această tehnologie, dacă este combinată şi cu un sistem Stop & Start, poate realiza o

economie de combustibil de aproximativ 0.6 litri la 100 km. Reducerea semnificativă a

consumului de combustibil se face în regim stabilizat de deplasare (viteza constantă 50 km/h, în

treapta a patra) şi poate atinge până 1 litru la 100 km.

82

Cu acest sistem VW reduce agresiv consumul de combustibil pentru motorul 1.4 TSI de 140

CP cu avantajul că posesorul automobilului se poate bucura de performanţele dinamice ale

acestui motor atunci când doreşte.

1.4 TSI cu CSO

CSO inactiv CSO activ

Camele cu profil normal acţionează

supapele

Camele cu profil cilindric nu mai deschid

supapele

IV.4. Sistemul de propulsie paralel complet hibrid Bosch

Bosch a început producţia de serie a modelelor hibride Volkswagen Touareg şi Porsche

Cayenne S, echipate cu tehnologie hibridă furnizată de Bosch. Ambele modele vor fi introduse în

premieră pe piaţă ca variante cu sistem de propulsie paralel complet hibrid. Bosch furnizează

componentele centrale, cum ar fi sistemul electronic performant şi motorul electric, dar şi

sistemul de comandă, care este „creierul“ autovehiculului – sistemul Motronic pentru

autovehicule hibride – cel care comandă motorul electric, motorul cu ardere internă sau pe

amândouă, atunci când acestea acţionează împreună. Performanţele preconizate sunt:

83

a. - Viteză maximă prin intermediul unităţii electrice

Noile autovehicule Volkswagen Touareg şi Porsche Cayenne S pot atinge o viteză

maximă de 50 până la 60 de kilometri pe oră folosind doar energie electrică. Atunci când şoferul

este grăbit, unitatea electrică şi motorul cu ardere internă acţionează împreună. În acest caz,

modelele Volkswagen şi Porsche accelerează de la 0 la 100 km/h în numai 6,5 secunde. La

utilizarea acestui sistem de propulsie, puterea creşte până la 279 kW (380 CP), în timp ce cuplul

poate atinge o valoare maximă de 580 Nm. În comparaţie cu varianta V8 din dotarea

autovehiculelor din primele generaţii, versiunile hibride au un consum de carburant redus cu până

la 40%. În cadrul ciclului UE, consumul de carburant este redus până la 8,2 litri de benzină la 100

de kilometri, iar nivelul de emisii de CO2 scade la 193 grame/kilometru. De asemenea, ambele

autovehicule îndeplinesc norma de poluare Euro 5 şi standardele ULEV 2 aplicabile în S.U.A.

Mai mult, dacă şoferul reduce viteza, până la circa 160 de kilometri pe oră, se activează

aşa numita funcţie de planare: motorul cu ardere internă se decuplează automat şi autovehiculul

continuă să ruleze fără a consuma carburant, în timp ce toate sistemele de siguranţă şi cele de

confort continuă să funcţioneze fără probleme. Chiar şi în cazul frânării, totul se derulează

automat. Unitatea de comandă a sistemului calculează pe baza presiunii aplicate pedalei de frână,

care este momentul de frânare ce trebuie aplicat electric prin intermediul motorului generator

integrat (IMG). Sistemele de siguranţă, cum ar fi de exemplu ABS sau ESP® nu sunt afectate –

din contră, au prioritate.

b - Sistemul inteligent de comandă – soluţia pentru confortul perfect

Combinaţia dintre motorul cu ardere internă şi motorul electric are la bază interacţiunea

perfectă dintre sistemul modern de comandă şi componentele hibride optimizate. Compania

Bosch beneficiază de o experienţă vastă în acest domeniu, fiind specializată în dezvoltarea de

sisteme de injecţie pentru motoarele pe benzină. „În cazul sistemului de comandă al

autovehiculelor hibride, am îmbinat în mod armonios tehnica cu inovaţia. Baza acestui sistem

este Motronic, care şi-a dovedit eficienţa la bordul multor autovehicule echipate cu motor pe

benzină cu sistem de injecţie directă. În plus, am integrat funcţiile necesare unei propulsii de tip

hibrid, pe care am dezvoltat-o împreună cu clienţii noştri”, explică dr. Matthias Küsell,

84

coordonatorul proiectelor de dezvoltare ce se adresează autovehiculelor hibride şi celor electrice

din cadrul Bosch.

Cea mai mare provocare a constat în realizarea unor schimbări line între sistemele de propulsie

electrice, hibride şi cu ardere internă, deoarece s-a avut în vedere ca, în cazul comutării dintre

acţionarea pe carburant şi funcţionarea cu generator de energie electrică, confortul să nu fie

afectat în nici un fel. În acest sens, sistemul de comandă are acces permanent la datele înregistrate

de senzorii motorului cu ardere internă, unitatea electrică, acumulator, ambreiaj şi alte

componente. Sistemul de comandă analizează şi reglează în timp real interacţiunea dintre cele

două sisteme de propulsie. O componentă esenţială este ambreiajul adaptiv, care permite o

comutare lină a treptelor de viteză. De asemenea, acesta urmăreşte ca motorul electric şi motorul

cu ardere internă să aibă exact acelaşi număr de rotaţii în momentul transmiterii cuplului. Küsell

vede în acest sistem piesa centrală a tehnologiei paralele hibride.

c - Modelele hibride şi sistemele de injecţie directă se completează perfect

Modelele hibride Volkswagen şi Porsche sunt echipate cu un motor cu şase cilindri în V,

cu o cilindree de 3 litri, supraalimentat, cu sistem de injecţie directă şi o transmisie automată cu 8

trepte de viteză. Motorul V6 dezvoltă o putere de 245 kW (333 CP) şi generează un cuplu maxim

de 440 Nm, începând de la 3.000 rpm. Agregatul este completat de un motor generator integrat

(IMG) furnizat de Bosch. Motorul electric, răcit cu apă, este integrat la fel ca şi ambreiajul

propriu, într-un model hibrid, dispus între motorul cu ardere internă şi transmisie, ocupând foarte

puţin spaţiu datorită diametrului de 30 de centimetri şi lungimii de numai 145 de milimetri. IMG

dezvoltă o putere de 34 kW şi un cuplu maxim de 300 Nm. Motorul generator integrat în

autovehiculele Volkswagen şi Porsche asigură o viteză maximă de 50 până la 60 de kilometri pe

oră folosind numai energie electrică, cât timp nivelul de încărcare al acumulatorului hibrid din

nichel-metal (NiMH) permite acest lucru. Acumulatorul are o capacitate de 1,7 kWh la o tensiune

de alimentare de 288 V. În timpul frânării, motorul electric, care acţionează în acest caz la fel ca

un generator, recuperează energia cinetică, care este înmagazinată în acumulatorul de înaltă

tensiune.

O premisă importantă în acest sens este motorul V6 supraalimentat. Unitatea de comandă

Motronic gestionează cu mare precizie procesele în motorul cu ardere internă, mergând până la a

85

comanda independent fiecare injecţie în parte. De asemenea, acesta transmite, prin intermediul

unei magistrale CAN suplimentare, toate datele relevante către componentele sistemului hibrid,

sistemul electronic şi acumulator. În plus, sistemul de injecţie directă reduce nivelul de emisii

poluante. Motorul cu ardere internă şi motorul electric se completează atât de bine, încât

tehnologiile paralele hibride oferă noi soluţii în materie de confort. Bosch a numit acest concept

„Active Damp Control”, care în cazul motorului cu şase cilindri, conferă senzaţia unui motor cu o

cilindree mult mai mare. Pe viitor, acest concept va optimiza motoarele turbo de mici dimensiuni

cu diferite puncte slabe tipice, cum ar fi cuplul redus, implementând pe piaţă conceptul de

reducere a cilindreei (downsizing) pentru un consum redus de carburant.

d - Componentele îmbunătăţite asigură pătrunderea pe piaţă

În comparaţie cu alte concepte de tip hibrid, sistemul paralel complet hibrid este mai

eficient din punct de vedere al costurilor. În acest caz, este suficientă o singură unitate electrică

care asigură atât propulsia, cât şi producerea energiei electrice necesare. Pentru ca această tehnică

ecologică să poată fi implementată pentru diferite clase de autovehicule, Bosch dezvoltă

permanent componentele diferitelor sisteme, de exemplu reducerea volumului acestora. În ciuda

dispunerii optime, a eficienţei maxime şi a spaţiului redus pe care îl ocupă, producătorii

sistemului electronic au reuşit să reducă cu o treime volumul acestuia, ajungând la zece litri, fără

a face compromisuri în materie de performanţă. În cazul sistemului electronic, este vorba despre

o componentă principală care face legătura dintre secţiunea de înaltă tensiune şi reţeaua de 12 V

de la bordul autovehiculului, prin intermediul unui invertor, transformând curentul continuu al

acumulatorului în curent alternativ trifazic pentru motorul electric şi vice versa.’

86

IV.5.Sistemul Stop & Start

Compania Bosch a lansat primul său system Start & Stop în 2007. Componenta principală

a sistemului este demarorul. Sistemul Stop & Start, opreşte automat motorul termic, fără

intervenţia conducătorului auto când automobilul staţionează. Scopul acestui sistem este

reducerea consumului de combustibil şi implicit a emisiilor de CO2, prin oprirea motorului în

fazele de mers încet sau în gol(relanti).

După oprire (faza stop), repornirea motorului (faza start) se face tot automat, conducătorul

automobilului apăsând pedala de ambreiaj ( la un automobil cu cutie de viteze manuală) sau

ridicând piciorul după pedala de frână ( la un automobil cu cutie de viteze automată.

Pe ciclul European de omologare (NEDC), în zona urbană, la un automobil echipat cu

astfel de sistem , reducerea consumului de combustibil poate ajunge la 8%. Cu cât traficul urban

este mai aglomerat, cu atât reducerea consumului de combustibil este mai semnificativă.

Mercedes Benz S350 este echipat cu motor Blue TEC şi sistem Stop & Start.

Foto: Mercedes Benz S350 . Sursa: Daimler

87

1 .demaror (îmbunătăţit)

2. pompă de ulei electric (pentru transmisie automată)

3. unitate de control

4. baterie de acumulatori adiţională

5. indicator Stop & Start pe bord

6. senzori adiţionali (ex capotă deschisă)

Implementarea sistemului Stop & Start diferă de la un constructor la altul. La aceste

sisteme demarorul este mai robust şi rezistă la mai multe cicluri de pornire, faţă de demarorul

clasic. De asemenea, mecanismul de cuplare cu coroana volantei trebuie să funcţioneze şi atunci

când motorul termic nu este complet oprit.

Mecanismul de cuplare al demaroarelor convenţionale pot reporni motorul termic doar

dacă acesta s-a oprit complet. Din acest motiv nu se pretează sistemelor Stop & Start, deoarece,

în anumite situaţii motorul trebuie repornit înainte să se oprească complet.

Foto: Demaror system Stop & Start. Sursa: Bosch.

Compania Denso a dezvoltat un demaror special pentru sistemele Stop & Start

denumit Tandem Solenoid (TS) Starter / demaror cu solenoid în tandem), care permite repornirea

motorului termic şi atunci când acesta este în faza de oprire dar nu s-a oprit complet.

88

Foto: Demaror TS. Sursa: Denso

Timpul de repornire al motorului termic, echipat cu un demaror TS Denso este redus cu

1,5 secunde comparativ cu un demaror convenţional. Acest lucru este posibil datorită

mecanismului de acţionare care cuprinde circuite separate de control pentru mişcarea de cuplare a

pinionului demarorului şi acţionarea efectivă a acestuia.

Foto: Demaror TS Sursă: Denso. Foto: Demaror clasic. Sursă: Denso.

1. coroana dinţată de pe volantă

2. pinionul demarorului

3. solenoid pentru cuplarea pinionului cu coroana dinţată

4. solenoid pentru energizarea demarorului

EMS. sistemul de control al motorului termic.

89

La un demaror clasic/convenţional energizarea solenoidului de cuplare a pinionului cu

coroana, precum şi energizarea motorului electric, se realizează simultan, cu acelaşi circuit

electric de control. Din acest motiv este necesar ca motorul termic să fie oprit complet pentru a fi

posibilă o repornire, altfel dinţii pinionului nu vor putea angrena cu coroana dinţată de pe volantă.

Procesul de repornire al unui motor termic cu un demaror TS Denso şi unul clasic.

Sursa: Denso

La demarorul TS mecanismul de acţionare a pinionului este controlat în mod separat faţă

de motorul electric. Astfel cuplarea pinionului se face după ce turaţia motorului electic s-a

sincronizat cu cea a motorului termic, nefiind necesară oprirea completă a motorului termic.

Bateria de acumulatori pentru acest sistem este specială, poate fi mai mult descărcată

decât una obişnuită şi rezistă la mai multe cicluri descărcare – încărcare. Când motorul termic

este oprit bateria alimentează toate sistemele electice. Se poate opta pentu echiparea

automobilelor cu o baterie de acumulatori adiţională, pentru a putea face faţă consumului de

energie electrică, când motorul este oprit.

Convertorul DC/DC are rol de stabilizator de tensiune. Când demarorul este acţionat

tensiunea de la baterie scade şi poate afecta funcţionarea sistemelor electronice de bord (radio,

GPS, etc).

Convertorul previne acest efect prin stabilizarea tensiunii de alimentare a sistemelor

electrice în momentul pornirii motorului.

90

Senzorul de baterie monitorizează tensiunea, curentul şi temperatura. Cu aceste informaţii

sistemul de control Stop & Start determină starea de încărcare a bateriei, şi poate reporni motorul

termic în cazul în care se depăşeşte o valoare minimă.

Foto: Baterie de acumulatori pentru sistemele Stop & Start. Sursă: Bosch

Alternatorul este de asemenea special pentru sistemul Stop & Start. Faţă de un alternator

clasic acesta generează cu până la 60% mai multă energie electrică mai ales la turaţii scăzute.

Scopul este de a reâncărca bateria cât mai repede cu putinţă pentru a permite opriri dese ale

motorului termic.

Foto: Alternator pentru sistemele Stop & Start.

Sursă: Bosch

91

Foto: Componentele sistemului Stop & Start.

Sursă: Bosch

1. calculatorul de injecţie cu sistem de control Stop & Start

2. convertor DC/DC de 12 V

3. baterie de acumulatori (EFB.AGN) cu senzor de curent

4. demaror Stop & Start

5. senzor poziţie neutră levier de viteze

6. senzor viteză roată

7. senzor turaţie motor (arbore cotit)

8. alternator cu funcţie de recuperare a energiei în timpul frânării

Sistemul Stop & Start opreşte motorul termic dacă sunt îndeplinite condiţiile:

- viteza automobilului este sub un anumit prag (3…5 km/h)

- levier schimbător de viteze este în poziţia neutră

- pedala ambreajului nu este apăsată

- volanul nu este acţionat

92

- motorul este la relanti

Chiar dacă condiţiile de mai sus sunt îndeplinite, pentru a asigura buna funcţionare a

tuturor sistemelor automobilului, motorul termic nu este oprit dacă:

o depresiunea în sistemul de servo-frână scade sub o anumită valoare

o tensiunea bateriei este sub un prag minim

o sistemul de climatizare cere pornirea compresorului de AC

o temperatura lichidului de răcire a motorului este sub 20..50 oC

o temperatura exterioară este sub -10 oC sau peste 40

oC

În plus, pentru a nu afecta siguranţa utilizării automobilului sistemul Stop & Start se

dezactivează dacă:

o capota motorului a fost ridicată

o centura de siguranţă a conducătorului auto s-a decuplat

Îndeplinirea tuturor acestor funcţii de sistemul Stop & Start se datorează informaţiilor

provenite de la o serie de senzori montaţi pe automobil.

Sistemul Stop & Start impune câteva modificări şi asupra celorlalte sisteme ale

automobilului. De exemplu în cazul automobilelor cu cutii de viteze automate, sunt necesare

pompe de ulei electrice sau sisteme de acumulare a uleiului sub presiune (HIS), pentru a face

posibilă acţionarea elementelor de cuplare.

Prin folosirea sistemului Stop & Start, este redus semnificativ consumul de combustibil,

mai ales în cazul opririlor dese din traficul urban. Emisiile de CO2, fiind direct legate de

consumul de combustibil sunt reduse în cazul unui automobil cu sistem Stop & Start, comparativ

cu un motor clasic. Acest lucru este pus în evidenţă în diagrama de mai jos.

Combinaţia sistemului Stop & Start cu un sistem de recuperare a energiei de frânare prin

intermediul alternatorului, plasează aceste automobile în categoria celor micro hibride.

93

Foto: Reducerea consumului de combustibil pe zonă urbană a ciclului NEDC

Sursă: Bosch

Compania Bosch, estimează că în jurul anului 2017, automobilele noi vor fi echipate cu

sistem Stop & Start în proporţie de 90 %. În momentul de faţă, pe piaţa europeană, majoritatea

constructorilor auto au deja sisteme Stop & Start pe aproape toate modelele comercializate.

Foto: Automobile noi cu sisteme Stop & Start

Sursă: Bosch.

94

IV.6. Cutia de viteze automată cu 8 rapoarte de la ZF(8HP)

Transmisia automată 8HP de la ZF, a fost desemnată transmisia anului 2011, datorită

consumului scăzut de combustibil al automobilelor echipate cu această transmisie, calitatea

schimbării treptelor şi a performanţelor mecanice.

Foto: Cutia de viteze (transmisia) automată 8HP

Sursa: ZF

Producția pentru cutia de viteze automată 8HP a debutat în 2008 la fabrica ZF Friedrichshafen

din Saarbrucken.

Cutia de viteze automată 8HP, utilizează 4 mecanisme planetare (1,3) simple pentru

realizarea celor 8 trepte de viteză. Hidrotransformatorul 5 (convertorul de cuplu), conţine un

amortizor de vibraţii torsionale şi un ambreiaj de blocare. Cuplarea şi decuplarea treptelor de

viteză se realizează cu ajutorul ambreiajelor şi a frânelor multidisc (2,4). Comanda şi controlul

tuturor elementelor de cuplare şi a blocării hidrotransformatorului este realizată de modulul

mecatronic (6). Componentele de bază ale cutiei de viteze automate 8HP sunt:

hidrotransformatorul, numit și convertizorul de cuplu

ansamblul de mecanisme planetare cu ambreiajele și frânele multidisc

modulul electro-hidraulic de comandă și control

95

Foto: Cutia de viteze (transmisia) automată 8HP – componente

Sursa: ZF

1. mecanism planetar 4

2. ambreiaj multidisc

3. mecanisme planetare 1,2 şi 3

4. frâne multidisc

5. hidrotransformator

6. modul mecatronic

IV.6.1. Hidrotransformatorul

Hidrotransformatorul este subansamblul care transmite momentul motor cutiei de viteze, prin

intermediul unui fluid de lucru. În cazul în care hidrotransformatorul este deblocat, mișcarea

provenită de la motorul termic nu este transmisă direct mechanic, ci hidraulic, între motor și cutia

96

de viteze neexistând legătură mecanică.

Hidrotransformatorul, sau convertizorul de cuplu, este alcătuit din patru componente

principale:

pompă

turbină

stator sau difuzor

ansamblul ambreiajului de blocare

Foto: Hidrotransformator – convertizor de cuplu

Sursa:ZF

Convertizorul de cuplu are rol de element de cuplare progresivă, în transmisiile moderne

Hidrotransformatorul are formă de tor (en: torus), o jumătate fiind pompă iar cealaltă jumătate

turbină.

Pompa (1) este conectată la motorul cu ardere internă, iar turbina (3) este conectată cu

arborele de intrare în cutia de viteze. În volumul dintre pompă și turbină se află ulei de

transmisie. La accelerarea motorului termic uleiul este antrenat de pompă și direcționat către

97

turbină. Energia mecanică a motorului este transformată de către pompă în energie hidraulică și

transmisă turbinei. Când hidrotransformatorul este deblocat, între pompă și turbină nu există

legatură mecanică directă.

1. pompă

2. stator (difuzor)

3. turbină

4. ambreiaj de blocare

5. amortizor de vibrații torsionale

Transmiterea energie hidraulice de la pompă la turbină se poate asemăna cu mișcarea

transmisă între două ventilatoare puse față-n față. Dacă un ventilator este alimentat cu energie

electrică (pompă) și este pus în fața unui alt ventilator care nu este alimentat (turbină), prin

intermediul aerului, acesta va transmite mișcarea celui în repaus (nealimentat).

98

Foto: Hidrotransformator – vedere explodată

Sursa: bankspower.com

1. pompă

2. stator (difuzor)

3. turbină

4. ansamblu ambreiaj de blocare cu amortizor de oscilații 5. carcasă

6. butuc canelat

7. cuplaj de sens unic

IV.6. 2. Cutia automată - mecanismele planetare

Realizarea unei trepte de viteză într-o cutie de viteze automată se face prin intermediul mai

multor mecanisme planetare (simple, Ravigneax sau Lepelletier). Comparativ cu o cutie de viteze

manuală cu angrenaje simple, la care o treaptă de viteze de formează de o singură pereche de roți

dințate, o cutie de viteze automată realizează o treaptă de viteze utilizând mai multe mecanisme

planetare. Prin blocarea elementelor componente ale mecanismului planetar (solară, platou

99

sateliți, coroană) se obțin diferite rapoarte de transmitere, care înseriate formează un raport al

cutiei.

Foto: Cutie automată – platou port-sateliți

Sursa: GM

Avantajele mecanismelor planetare comparativ cu angrenajele cu roți dințate simple:

poziţionarea coaxială a arborilor de intrare şi de ieşire din transmisie;

formă constructivă simetrică, circulară;

distribuirea cuplului şi a puterii pe mai multe perechi de angrenaje în cadrul unui

mecanism planetar;

permit automatizarea mult mai ușor.

Aceste avantaje implică o mai bună echilibrare dinamică a cutiei de viteze, cu efecte benefice

asupra solicitărilor din lagăre, a zgomotului şi vibraţiilor din timpul funcţionării. În plus, la

același cuplu transmis, datorită angrenării în trei sau patru puncte ale mecanismului planetar,

rezultă roţi dinţate mai mici, cu viteze şi forţe de angrenare micşorate, construcţii cu gabarite

100

reduse, greutate şi mase inerţionale mai mici, utilizarea mai raţională a spaţiului disponibil de

amplasare.

IV.6.3. Ambreiajele și frânele pentru cuplarea treptelor

Cuplarea sau mai bine spus formarea treptelor de viteză se realizează cu ajutorul ambreiajelor

și a frânelor multidisc. Aceste au rolul de a cupla două elemente pentru a se roti cu aceeași turație

(ambreiaj) sau de a bloca un element la turație zero (frână).

Foto: Componentele unui ambreiaj/frână multidisc de cutie automată

Sursa: BorgWarner

Acționarea ambreiajelor sau a frânelor se face cu actuatoare hidraulice. controlate prin

intermediul unor supape electromagnetice, de către modulul electronic de comandă (TCU).

Modulul electronic de comandă asigură preluarea semnalelor de la senzori și de la motor (via

CAN), prelucrarea acestora și transmiterea semnalelor de comandă la elementele de execuție

(actuatoarele hidraulice).

101

Foto: Modul electrohidraulic de comandă pentru o cutie de viteze automată

Sursa: BorgWarner

Cutiile de viteze automate sunt utilizate în general pe autoturismele de clasă medie şi

superioară, datorită avantajelor pe care la are:

transmite cupluri mai mari

amplifică cuplul motor

trecerea de la o treaptă la alta se face lin şi fără şocuri

funcţionare mai silenţioasă

Pentru automobilele de la care se așteaptă confort sporit în timpul rulării (zgomote și șocuri

reduse), conducere mai ușoară și forțe de tracțiune ridicate, este indicat să se folosească o cutie

de viteze automată. Acesta, comparativ cu o cutie manuală, îndeplinește foarte ușor aceste cerințe

datorită principiului de funcționare.

102

IV.7. Acumulator Hydraulic De Impuls His

Sistemele Stop & Start de pe automobile, în anumite condiţii de funcţionare, opresc şi

repornesc automat motorul termic, fiind avantajoase mai ales în traficul urban, deoarece

momentele de staţionare ale automobilului în trafic cu motorul pornit sunt mai des întâlnite

(opriri la semafor, ambuteiaje).

În cazul cutiilor de viteze automate, pentru cuplarea unei trepte de viteză este necesar ca uleiul

de transmisie să fie sub presiune. Pompa de ulei care creează presiune în modulul hidraulic de

control al cutiei este antrenată de motorul termic. Astfel, dacă se echipează un automobil cu cutie

automată cu sistem Stop & Start, la fiecare repornire a motorul va fi nevoie de timp suplimentar

pentru ridicarea presiunii de lucru. Acest timp, de aproximativ 0.9 secunde, este perceput de

conducătorul auto și poate fi deranjant.

Foto:Cutia de viteze automată ZF 8HP

Sursa: ZF

103

Pentru a elimina acest timp de aşteptare, inginerii de la ZF au echipat cutia de viteze

automată 8HP, cu un system adiţional care permite creşterea rapidă a presiunii uleiului în

momentul repornirii motorului termic, pentru automobilele echipate cu Stop & Start.

Acest system se numeşte HIS (Hydraulic Impulse Storage) şi conţine un accumulator de

presiune cu arc elicoidal, montat lângă modulul electrohidraulic de control.

Cu acest sistem automobilul poate redemara în aproximativ 0,35 secunde după repornirea

motorului termic. Faţă de o cutie de viteze automată fără acest system, timpul de aşteptare este

redus cu aproximativ 0,45 secunde.

Foto: Acumulator hidraulic de impuls ZF pentru cutiile automate (HIS) – componente

Sursa: ZF

1. conector electric

2. solenoid

3. arc elicoidal

4. piston

5. cilindru

6. supapă de încărcare/descărcare

7. racord de legătură cu modulul electrohidraulic

În timpul funcționării cutiei de viteze automate acumulatorul se încărcă. Uleiul sub

presiune pătrunde prin supapa (6) și împinge pistonul (4) spre mecanismul de blocare cu

solenoid (2). Când acumulatorul este încărcat complet pistonul comprimă arcul elicoidal (3)

și ajunge la capătul cursei unde este blocat.

104

Foto: Acumulator hidraulic de impuls ZF pentru cutiile automate (HIS) – mod de funcționare

Sursa: ZF

În momentul în care sistemul Stop & Start comandă pornirea motorului termic,

calculatorul transmisiei automate, prin intermediul contactului electric (1), alimentează cu

energie electrică solenoidul (2) care eliberează pistonul. Acesta, sub acțiunea arcului elicoidal

(3), evacuează uleiul sub presiune din cilindru. În acest mod se creează un impuls de

presiune care este suficient pentru acționarea elementelor transmisiei automate. Impulsul de

presiune este necesar doar pentru prima cuplare de treaptă de viteză. Pentru cuplările ulterioare

presiunea uleiului este asigurată de pompă.

Foto: Acumulator hidraulic de impuls ZF pentru cutiile automate (HIS) – descărcarea

acumulatorului

Sursa: ZF

105

Acumulatorul de presiune are lungimea de 190 mm și un diametru de 50 mm. Volumul

rezervei de ulei este de aproximativ 1 litru. Datorită dimensiunilor relativ reduse acumulatorul de

presiune poate fi instalat adițional de modulul electrohidraulic de control.

Comparativ cu alte soluții (pompă de ulei acționată electric) sistemul HIS are costul adițional

cel mai redus, metoda de implementare fiind relativ simplă și nu necesită modificări majore a

transmisiei automate.

Sistemul HIS permite reducerea emisiilor de CO2 și a consumului de combustibil cu

proximativ 5%

106

V. Concluzii

Din analiza lucrării de pot desprinde o serie de concluzii şi idei şi anume :

I. Transmisiile hibride reprezintă viitorul tehnologiilor pe piaţa auto.

Această afirmaţie este argumentată de caracteristicile de bază ale acestor transmisii.

a. au două sisteme de propulsie (termic, electric /pneumatic), care le conferă

performanţe dinamice superioare.

b. au două sisteme de stocare a energiei (rezervor – pentru energia nerecuperabilă,

baterii, acumulatori – pentru energia recuperabilă), care le conferă autonomie mărită.

Aceste caracteristici fac ca hibridele să poată satisface trei cerinţe majore cerute de societate:

1 - partajarea resurselor

2 – protecţia mediului

3 – siguranţă şi confort.

Prima cerinţă este îndeplinită de faptul că transmisiile hibride reduc consumul de

combustibil prin:

- oprirea motorului termic când funcţionează în regim de sarcini mici sau la relenti.

- recuperarea energiei în fazele de decelerare şi frânare;

- folosesc motoare termice mai mici, care în combinaţie cu motoarele electrice dau un

randament mai bun, funcţionând în regim economic.

- au în componenţă mecanisme şi sisteme prin care se reduce consumulde combustibil (

sistemul Stop $ Start, sistemul de dezactivare a cilindrilor,2 şi 3, sisteme de injecţie pentru

carburanţi alternative, etc).

107

A doua cerinţă derivă în mare măsură din prima, întrucât emisiile poluante sunt direct

proporţionale cu consumul de combustibil. În plus, pentru îndeplinirea ei se iau o serie de

măsuri referitoare la:

- înlocuirea benzinei şi motorinei cu: gaz natural comprimat CNG, etanol, biogz,

biodiesel, etc:

- folosirea catalizatoarelor pentru descompunerea elementelor poluante (HC, CO şi NOx)

în substanţe singure, neutre cu ajutorul unor metale rare (Pt, paladiu Pa, rodiu Rh)

Cea de-a treia cerinţă este îndeplinită de o serie de avantaje ale hibridelor faţă de

transmisiile clasice.

- viteză maximă prin intermediul unităţii electrice;

- system de comandă intelligent;

- fineţe şi uşurinţă în manipulare;

- comenzi rapide şi zgomot redus, etc.

II. Preocuparea constructorilor de talie mondială, de a-şi echipa

automobilele cu transmisii hibride.

Această trăsătură rezultă din multitudinea variantelor de configurare a diferitelor tipuri de

sisteme hibride.

Alegerea unei variante trebuie să satifacă cele mai exigente pretenţii referitoare la protecţia

mediului, performanţe dinamice, cost, clitate. Cum aceste cerinţe nu pot fi satisfăcute în egală

măsură, se va ajunge la un compromis, care de cele mai multe ori este costul foarte ridicat.

Costul ridicat este justificat, de precizia calitatea, şi complexitatea componentelor, care se

modifică continuu, pentru a se putea adapta noilor cerinţe.

În acest scop, majoritatea componentelor au o construcţie modulară, fiind obţinute prin

sisteme şi tehnologii flexibile de prelucrare, care folosesc maşini-unelte dotate cu inteligenţă

108

artificială (MUCN-uri), singurele capabile să relizeze prodctibilitate, caitate, precizie ridicată,

la preţ aceptabil, putând fi uşor adaptate la eventualele, schimbări de formă şi/sau dimensiuni.

Ca idei se pot remarca:

- ingeniozitatea celor de la Toyota Prius de a combina două maşini electrice, un motor

temic şi o transmisie planetară, în vederea obţinerii unui hybrid mixt total.

- funcţionarea în ciclu divizat al motorului Scuderi, doi cilindrii funcţionând în regim de

motor, iar doi în regim de compressor, astfel încât un ciclu complet să se realizeze la o

singură rotaţie a arborelui cotit.

- sistemul dezvoltat de concernul PSA, prin care un motor termic obişnuit este cuplat prin

intermrdiul unei transmisii planetare, cu un motor hydraulic alimentat de un rezervor de aer

comprimat (sistemul Hibrid Air).

- sistemul de dezactivare al cindrilor 1,4 TSI, care în dreptul cilindrilor 2 şi 3, conţine

două piese care pe lângă cama activă au şi o camă cilindrică, dezactivarea făcându-se printr-o

simplă deplasare axială.

- construcţia demerorului TS, al sistemului Stop $ Start, care are două bobine, una pentru

cuplarea pinionului, alta pentru antrenarea lui.

- adaptabilitatea, performanţele dinamice şi de consum remarcabile, precun şi

flexibilitatea în cea ce priveşte hibridizarea cutiei de viteze automate 8HP.

109

VI. Bibliografie

1. www.automobile - hibride

2. Gott, Philip, Linna, Jan-Roger and Mello, J.P. – The Evolution of Powertrain Technology 2008 and

beyond: Engines, Hybrids, Battery Electric, Fuel Cells and Transmissions. FISITA World Automotive

Congress, 23-27 May, 2004, Barcelona, Spain, Paper F2004F335.

3. Noreikat, K.E. – Antriebstechnik, die die Welt (nicht) braucht. VDI-Berichte, nr.1704, 24-25

Oktober, 2002, p.143-160.

4. Oprean, I.M. – Automobilul modern. Cerinte, Restricţii, Soluţii. Editura Academiei Române,

Bucureşti, 2003.

5. Rovera, Giuseppe, Vittorio, Ravello – Scenario and Trends on Hybrid Propulsion

Technologies. ATA, 56, 3 / 4, 2003, p. 78-89.

6. Walzer, Peter – Progress in Car Powerplant Technologies. FISITA World Automotive

Congress, 23-27 May, 2004, Barcelona, Spain, Paper F2004F020

7. *** - Hybrid Hype – Future Drive Technologies. AutoTechnology nr.1, 2006.

8. Andreescu, Cristian, Cruceru, Dragos, Recuperarea energiei cinetice a autovehiculelor,

Revista AutoTest, nr. 115, mai 2006;

9. Badin, Francois, Hybrid vehicles: realizations and potentials, Conferinţa Naţională CAR

2005, Piteşti 2-4 noiembrie 2005.

10. Cruceru, Dragos N., Contribuţii la modelarea şi simularea grupului motopropulsor hibrid la

automobile, Teza de Doctorat, 2007;

11. C.Brişan, R.V.Vasiu, L.Munteanu, A Road Auto-Generating Algorithm forDeveloping the

Road Virtual Models Usable in Driving Simulators, Transportation Research Part C: Emerging

Technologies, vol.26, pp.160-179,2012 (scor relativ de influenţă 2.23607) ISSN 0968-090X.

12. L.Munteanu, C.Brişan, St.Donescu, V.Chiroiu, On the compression viewed as a

geometric transformation, CMC: Computers, Materials & Continua, vol.20, nr.1, pp.1-20, 2012

(scor relativ de influenţă 0.61983) ISSN 1546-2218.

13. V.Chiroiu, C.Brişan, St.Donescu, L.Munteanu, On the sonic composite

vizualization with haptic interfaces, Proceedings of the 4th Intrenational

Conference “Advanced Composite Materials Engineering” COMAT 2012 Braşov,

14. L.Munteanu, C.Brişan, V.Chiroiu, Şt.Donescu, A 3D model for tire/road

dynamic contact, Acta Technica Napocensis, Series: Applied Mathematics and

mechanics, vol 55, issue III, pp.611-614, 2012, ISSN 1221-5872 (comunicare

prezentata la 36th International Conference on Mechanics of Solids, Acoustics

andVibrations ICMSAV XXXVI 25– 26 oct. 2012, Cluj-Napoca).

15. D.Dumitriu, Car vertical dynamics 3D simulator using a 7 DOF model,

ActaTechnica Napocensis, Series: Applied Mathematics and mechanics, vol 55, issue III, pp.647-

650, 2012, ISSN 1221-5872 (comunicare prezentată la 36th

International Conference on Mechanics of Solids, Acoustics and Vibrations

ICMSAV XXXVI 25– 26 oct. 2012, Cluj-Napoca).

110

16. L.Vlădăreanu, V.Vlădăreanu, P.Schiopu, Hybrid Force-Position Dynamic

Control of the Robots Using Fuzzy Applications, Applied Mechanics and

Materials Journal, ISSN 1662-7482.

17. M.Pustan, C.Birleanu, C.Dudescu, O.Belcin, J.C. Golinval, Size effect on

thedynamical behaviour of electrostatically actuated MEMS resonators, Acta

Technica Napocensis, Series: Applied Mathematics and mechanics, vol 55,

issue III, pp.599-604, 2012, ISSN 1221-5872.

18. C.Birleanu, M.Pustan, C.Dudescu, O.Belcin, Z.Rymuza,

Nanotribological investigations on adhesive effect applied to NENS naterials,Acta

TechnicaNapocensis, Series: Applied Mathematics and mechanics, vol 55, issue III,pp.671-676,

2012, ISSN 1221-5872.

19. A.Tăpuş, C.Brişan, L.Munteanu, V.Chiroiu, On the Grand Challenges in

Robotics, Proceedings of the Annual Symposium of the Institute of Solid

Mechanics, Editura Mediamira 2012.

20. O.Melinte, L.Vlădăreanu, A.Gal, The performances of a Haptic device whencompensating

the dynamic parameters, Proceedings of the Annual Symposium of the Institute of Solid

Mechanics, Editura Mediamira 2012.

21. D.Dumitriu, Inverse dynamics simulations of missile motion in the pitch lane, International

Conference of Aerospace Sciences „AEROSPATIAL 2012”,Bucureşti, 11-12 octombrie 2012.

22. A.Gal, O.Melinte, L.Vlădăreanu, PID sliding motion control by using a fuzzy adjustment,

Proceedings of the Annual Symposium of the Institute of Solid Mechanics, Editura Mediamira

2012.

23. V.Chiroiu, C.Brişan, St.Donescu, L.Munteanu, On the material visualization system with

haptic feedback, International Semiconductor Conference- CAS 2012 Sinaia.

24. V.Chiroiu, On the Applicability of Microcontinuum Theories in Nanomechanics,

International Exploratory Workshop "Nanomechanics and Nanotribology for Reliability Design

of Micro- and Nano Systems", Cluj- Napoca 24 octombrie 2012.

25. C.Dudescu, Nanomechanical behavior of micromembranes: From experiment

tosimulation.International Exploratory Workshop "Nanomechanics and

Nanotribology for Reliability Design of Micro- and Nano Systems", Cluj -Napoca 24 octombrie

2012.

26. Medved, V. (2001) - Measurement of human locomotion, CRC Presss, New York, ISBN

0849376750;

27. Mrozowski, J., Awrejcewicz, J., Bamberski, P. (2007) - Analysis of stability of the human

gait, Journal of Theoretical and Applied Mechanics (vol. 45), pag. 91- 98;

28. Ion N. Roboți pășitori, Bucureşti: Bren, (2001)

29. Iuliu N., Ioan V., Nicolae H., Robotica Modelarea Cinematică şi Dinamică, Bucureşti:

Editura Didactică şi pedagogică (1997)

30. Poescu, M.,E., Stabilitatea şi Stabilizarea Sistemelor dinamice, Editura Tehnică, Bucureşti

(2009)

111

31. Prodan, B., C.,(2010), Contribuţii privind, cinematica şi dinamica roboţilor paraleli cu cinci

grade de libertate, Teză de doctorat, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

32. Radu ŢÂRULESCU,Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la

roboţii mobili, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov,2009

33. Şerban, I.; Baritz, M.; Roşca, I.C.; Cotoros, L.D. - Statistical Analysis of Anthropometric

and Physiologic Performance of the Upper Limb, International Conference on Advancements of

Medicine and Health Care through Technology, MediTech, 29 august- 2 septembrie, Cluj-

Napoca, România

34. Spong, M., W., Hutchinson, S., Vidyasager, M., Robot Dynamics and Control, Second

Editon, http://www.google.ro/url?sa

=$rct=j&q=&esrc=s&sourcee=web&cd=&sqi=2&ved=0CFAQFjAA&url=http%3A%2F%2Ffile

s.marciobazani.webnode.com%2F20000001623eab25e83%2FSpong_Textbook%255B1%255D.p

df&ei=5RIMULT4CofD0QWApYXrCg&usg=AFQjCNGQoPi2hPEMN7_lb75XT1PUM8pWyw

, (2004)

35. Șerban I.,(2011) Studii și cercetări privind influența mediului înconjurător asupra stabilității

și locomoției umane, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov

36. Schneck, D.J., Bronzino, J.D. (2003)- Biomechanics Principles and Applications, CRC

Press, New York, ISBN 0-8493-1492-5;

37. Ştefan, C. (2012), Analiza teoretică şi experimentală a stabilităţii la deplasare a roboţilor

mobili, lucrarea de licenţă la Universitatea Transilvania din Braşov

38. Vamossy, Z., Automatizalt eszkozok, Budapest Muszaki Foiskola, Budapest(2002);

39. Viorel Handra-Luca, Vistrian Maties, Cornel Brişan, Roboţi Structură cinematică şi

caracteristici, Editura Dacia Cluj-Napoca, 1996

40. Westervelt, E., R., Grizzle, J., W., Feedback Control of Dynamic Biped Robot Locomotion,

London, Crc Press (2007)

41. Yutaka Nakamura a,b, Takeshi Moria, Masa-aki Satoc, Shin Ishiia, Reinforcement

learning for a biped robot based on a CPG-actor-critic method, a Nara Institute of Science and

Technology, 8916-5 Takayama-cho, Ikoma, Nara 630-0192, Japan, b Osaka University, 2-1

Yamadaoka, Suita, Osaka 565-0871, Japa, c ATR Computational Neuroscience Laboratories, 2-2

Hikaridai, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto 619-0288, Japan, Neural Networks 20 (2007) 723–735

42. Antonescu P., Mecanisme şi manipulatoare, Editura Printech, Bucharest, 2000, p. 103-104.

43. Antonescu P., Mecanisme - Calculul structural şi cinematic. I.P.B., Bucureşti, 1979.

44. Antonescu P., Comănescu A.,Grecu B., Îndrumar de proiect la mecanisme. Partea a I-a,

I.P.B., Bucureşti, 1987

45. Antonescu P., Petrescu FL., Metoda analiticã de sintezã a mecanismului cu camã si tachet

plat. În al IV-lea Simpozion internaţional de teoria şi practica mecanismelor, Vol. III-1.,

Bucureşti, iulie 1985.

46. Antonescu P., Oprean M., Petrescu FL., Contribuţii la sinteza mecanismului cu camã

oscilantã şi tachet plat oscilant. În al IV-lea Simpozion internaţional de teoria şi practica

mecanismelor, Vol. III-1., Bucureşti, iulie 1985.

112

47.Antonescu P., Oprean M., Petrescu Fl., La projection de la came oscillante chez les

mechanismes a distribution variable. În a V-a Conferinţã de motoare, automobile, tractoare şi

maşini agricole, Vol. I-motoare şi automobile, Braşov, noiembrie 1985.

48. Antonescu P., Oprean M., Petrescu Fl., Proiectarea profilului Kurz al camei rotative ce

acţioneazã tachetul plat oscilant cu dezaxare. În al III-lea Simpozion naţional de proiectare

asistatã de calculator în domeniul mecanismelor şi organelor de maşini-PRASIC’86, Braşov,

decembrie 1986.

49. Antonescu P., Oprean M., Petrescu Fl., Analiza dinamicã a mecanismelor de distribuţie cu

came. În al VII-lea Simpozion naţional de roboţi industriali şi mecanisme spaţiale, Vol. 3.,

Bucureşti, octombrie 1987.

50. Antonescu P., Oprean M., Petrescu Fl., Sinteza analiticã a profilului Kurz, la cama cu

tachet plat rotativ. În revista Construcţia de maşini, nr. 2., Bucureşti, 1988.

51. Antonescu P., Petrescu Fl., Contribuţii la analiza cinetoelastodinamicã a mecanismelor de

distribuţie. In SYROM’89, Bucureşti, iulie 1989.

52. Antonescu P., Petrescu Fl., Antonescu O., Contribuţii la sinteza mecanismului cu camã

rotativã şi tachet balansier cu vârf. În PRASIC’94, Braşov, decembrie 1994. 53. Arama C., Şerbănescu A., Economia de combustibil la automobile. Editura tehnicã,

Bucureşti, 1974.

54. Coman D., Algoritmi Fuzzy pentru conducerea roboţilor... Teză de doctorat, Universitatea

din Craiova, 2008.

55. Comănescu Adr., Comănescu D., Neagoe A., Fractals models for human body systems

simulation. Journal of Biomechanics, 2006, Vol. 39

56. Mitrea M., Asigurarea calităţii în fabricaţia de autovehicule militare, Editura Academiei

Tehnice Militare, Bucureşti, 1997.

57. Moise V., ş.a., Metode numerice. Ed. Printech, Bucureşti, 2007.

58. Moldovan L. – Automatizări în construcţia de maşini. Roboţi industriali vol. 1 Mecanica.

Universitatea Tehnică Tg-Mureş 1995.

59. Neacşa M., Tempea I., Asupra eficienţei bazelor de date a mecanismelor în diferite faze de

asimilare. Revista Construcţia de maşini, nr. 7, Bucureşti, 1998.

60. Ocnărescu C., The Kinematic and Dynamics Parameters Monitoring of Didactic Serial

Manipulator, Proceedings of International Conference of Advanced Manufacturing Technologies,

ICAMaT 2007, Sibiu, pp. 223-228.

61. Pandrea N., Determinarea spaţiului de lucru al roboţilor industriali, Simpozion Naţional de

Roboţi Industriali, Bucureşti 1981.

62. Petrescu F.I., Grecu B., Comănescu Adr., Petrescu R.V., Some Mechanical Design

Elements, Proceedings of International Conference

113

63. Stănescu A., Dumitrache I., Inteligenţa artificială şi robotica, Ed.Academiei, Bucureşti

1983.

64.. Păunescu T., Celule flexibile de prelucrare, Editura Universităţii “Transilvania” Braşov,

1998.

65. Petrescu F.I., Grecu B., Comănescu Adr., Petrescu R.V., Some Mechanical Design

Elements, Proceedings of International Conference

66. Băbescu M., Vehicule electrice hibride. Editura politehnică 2009

67. http://www.e-automobile.ro/categorie-transmisii/143-cutia-automata-8-viteze-zf-8hp.html