تبسيط شرح المعلومات في مجال علوم السيارات:

3- السيارة الهيدروليكية المهجنة Hydraulic Hybrid Vehicle (HHV)

هي واحدة من المركبات التي المهجنة والتي تستخدم مصدرين مختلفين لدفع السيارة. السيارة تستخدم الوقود لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي الذي يقوم بشحن خزانات سائل هيدروليكي عن طريقة وحدة المضخة/ الموتور الموجودة على متن المركبة, والذي يستخدم في دفع السيارة خلال مرحلة التشغيل الهيدروليكي. المصدرين قد يكونا على التوالي series HHV أو على التوازي parallel HHV. مثلها مثل السيارة الكهربائية المهجنة التي يقوم فيها محرك الاحتراق الداخلي بتوليد الكهرباء التي تشحن البطارية والتي يتم استخدامها لدفع السيارة خلال مرحلة التشغيل الكهربائي.

السؤال المهم هنا:

كيف يمكن ان تحسن اقتصاديات استهلاك الوقود (انخفاض في استهلاك الوقود)؟

علما بأن المصدر الوحيد للطاقة المستخدم هو الوقود بخزان السيارة. أما أن يستخدم مباشرة عن طريق المحرك,  وأما يستخدم بطريق غير مباشر عن طريق ان يقوم المحرك بزيادة ضغط السائل داخل مجمع الضغط ثم يقوم هذا السائل المضغوط بتشغيل وحدة المضخة/ الموتور الهيدروليكية المتصلة بالعجل لدفع السيارة.

لننظر إلى الموضوع من وجهة تحويل الطاقة:

في السيارة التقليدية يتم تحويل 1- الطاقة الكيميائية بالوقود ----------> إلى 2- طاقة حرارية داخل المحرك عن طريق الاحتراق ------> إلى 3- طاقة ميكانيكية عن طريق المحرك يتم نقلها لدفع العجلات -----> تقوم العجلات بتحويل الطاقة الميكانيكية الواصلة إليها إلى 4- شغل للتغلب على مقومات الحركة للسيارة وإلى  طاقة حركة للسيارة.

في السيارة الهيدروليكية المهجنة, هناك تحويل إضافي للطاقة داخل منظومة تحويل الطاقة للسيارة التقليدية وهو4- تحويل الطاقة الميكانيكية للمحرك إلى طاقة بالسائل المضغط ثم يتم نقلها إلى لدفع العجلات -----> (ثم تكمل الدورة) فتقوم العجلات بتحويل الطاقة الميكانيكية الواصلة إليها إلى 5- شغل للتغلب على مقومات الحركة للسيارة وإلى  طاقة حركة للسيارة.

السؤال الأن  كيف أنه بزيادة مرات/ عدد التحويل للطاقة ينخفض معدل استهلاك الوقود؟ علما بأن في كل مرة يتم التحويل من صورة للطاقة إلى صورة أخرى يكون هناك فقد في الطاقة (طاقة كيميائية إلى طاقة حرارية- فقد في التبريد والتزييت والعادم), (طاقة حرارية إلى طاقة ميكانيكية- فقد في الاحتكاك داخل المكبس), نقل الطاقة (فقد في الاحتكاك).

يمكن تشبيه ما يتم هنا كالحساب المصرفي بالبنوك:

تخيل انك لديك حساب في البنك بعملة ما (عملة أ) وتقوم بصرفها بعملة أخرى لشراء المتطلبات (عملة ب), بالطبع سيكون هناك عمولة تحويل وهو ما ستخسره في نهاية عملية التعامل. تصور أنك لتحسين الوضع قمت بعمل حساب وسيط بالبنك (عملة جـ) يتم تحويل الحساب من (العملة أ) إلى (العملة جـ) ثم إلى (العملة ب). سيكون هناك عمولتين للتحويل وستخسر أكثر في نهاية عملية التعامل تلك. ما علاقة تلك القصة والبنك بالسيارة الهيدروليكية؟

لنفرض أن الطاقة بالوقود هي (العملة أ) وأن الطاقة المنقولة للعجلات هي (العملة ب), وأن الطاقة المنقولة من النظام الهيدروليكي هي (العملة جـ), إذا كيف أن التحويل إلى (العملة جـ) ثم إلى (العملة ب) سيحقق مكسب في نهاية المطاف بدلا من استخدام (العملة ب) مباشرة؟

الحقيقة أنه بإجراء تجارب على السيارة الهيدروليكية المهجنة ومقارنتها بالسيارة الوقود التقليدية وجد ان هناك توفير في الوقود وتحسن في معدل استهلاك الوقود؟؟؟؟؟

نرجع للمثال البنك مرة اخرى: تصور أن البنك سيعيد لك جزء كبير من ما تم صرفه على احد أهم المشتراوات "الفرامل" (75%) في حالة استخدامك التحويل إلى (العملة جـ), أما في حالة الشراء بـ (العملة ب) في تلك العملية فإن العائد هو 0%. سأتفق معك بهذا الرأي ولكن ما التماثل بين التصور والحقيقة؟

* في حالة استخدام النظام الهيدروليكي بالسيارة فإن الطاقة التي تهدر في الفرامل والتي تتحول إلى طاقة حرارية تنقل إلى الهواء الجوي, أما عند استخدام النظام الهيدروليكي فإنه يمكن تحويل 75% من تلك الطاقة الموجودة إلى ضغط السائل بالخزان من خلال نظام استعادة الطاقة للفرامل Regenerative Braking. هذا سيعوض الفقد في تحويل الطاقة (الناجم عن تشغيل النظام الهيدروليكي والاحتكاك), وكذلك بالمثل سيعوض مصاريف فتح حساب جديد (سعر مكونات النظام), وسيكون هناك وفر في الطاقة مما يحسن من اقتصاديات الوقود.

* بالإضافة إلى انه بإمكانك في حالة الحاجة اثناء السير إلى قدرة/ طاقة أعلى (التعجيل, والسرعة العالية, وصعود المطالع) يمكن استخدام المحرك والنظام الهيدروليكي معا (حالة التوصيل على التوازي parallel HHV) لدفع السيارة. (استخدام تحويل من حساب (العملة أ) و(العملة جـ) في نفس الوقت. ولهذا لا تحتاج إلى فتح حساب كبير (استخدام محرك اكبر) مما سيوفر في مصاريف البنك.

* بالإضافة إلى انك تقوم بالتحويل من (العملة أ) إلى (العملة جـ) في أعلى سعر بالسوق لتحويل العملة وبذلك تستفيد من عملية التحويل. (يتم تشغيل المحرك على السرعة الاقتصادية خلال عملية ضغط السائل بالمجمع, وليس بسرعات مختلفة كما في حالة السير بالسيارة).

* شيء أخير هو انه باستخدام النظام الهيدروليكي بالسيارة فإنه سيوفر من استهلاك اجزاء الفرامل المحتكة (البطانات والقرص) مما سيوفر في النفقات (توفير دفاتر الشيكات عند الصرف (بالعملة ب)).

الفقد الفعلي في طاقة الوقود المصاحب لتشغيل السيارة التقليدية والتغلب على مقاومة السير:

أين تذهب الطاقة: (سيارة البنزين) حوالي 14-30% من طاقة الوقود الموجود بخزان السيارة التقليدية يستخدم في دفع السيارة على الطريق, اعتمادا على دورة القيادة drive cycle. باقي الطاقة يفقد في المحرك, خط نقل القدرة واستخدام الملحقات. المرجع: Where the Energy Goes: Gasoline Vehicles
الفقد بالمحرك حراري, مثل المشع, حرارة العادم. الاحتراق الضخ الاحتكاك	Engine Losses thermal, such as radiator, exhaust heat, etc. combustion pumping friction
فقد التشغيل (مثل مضخة المياه, المولد, الخ.)	Parasitic Losses (e.g. water pump, alternator, etc.)
فقد نقل الحركة	Drivetrain Losses
القدرة بالعجلات تفقد في صورة: مقاومة هواء مقاومة تدحرج فرملة	Power to Wheels Dissipated as wind resistance rolling resistance braking
فقد السرعة الخاملة في هذا الشكل, تم اخذهم في الاعتبار كجزء من فقد المحرك وفقد التشغيل	Idle Losses in this figure, they are accounted for as part of the engine and parasitic losses.

مقارنة سيارة الوقود التقليدية وسيارة الهيدروليكية المهجنة (تماثل مع حسابات البنك):

السيارة التقليدية	السيارة	الوقود (طاقة كيميائية)	المحرك (طاقة ميكانيكية)	العجل (طاقة حركة)
	البنك	حساب (عملة أ)	تحويل (فقد عمولة تحويل)	حساب صرف تحويل (عملة ب)
		100%	-80%	20%

السيارة الهيدروليكية المهجنة	السيارة	الوقود (طاقة كيميائية )	محرك (طاقة ميكانيكية)	السائل المضغوط بالخزان	تشغيل النظام	العجل
	البنك	حساب (عملة أ)	تحويل (فقد عمولة تحويل)	حساب (عملة جـ)	تحويل (فقد عمولة تحويل)	حساب صرف تحويل (عملة ب)
		100%	-80%	20%	-5%	15%
		التوفير	محرك أصغر وتشغيل أكفئ	التوفير	عدم التشغيل الدائم للمحرك	استرداد طاقة من الفرامل 75%
		4+6%	+6%	6+3-5%	+3%	+6%
	المكسب التقريبي	10%		4%

*هذا يمثل التخفيض في تكلفة الوقود المستخدم, يضاف عليه كذلك التوفير في استهلاك اجزاء الفرامل.

الخلاصة:

السيارة الهيدروليكية المهجنة	سيارة الوقود التقليدية
استعادة 75% من الطاقة المفقودة بالفرامل (توفير في نفقات التشغيل)	استعادة 0% من الطاقة المفقودة بالفرامل
توفير في استهلاك اجزاء نظام الفرامل لعدم استخدام الاحتكاك	زيادة في استهلاك اجزاء نظام الفرامل نتيجة الاحتكاك
زيادة في السعر نتيجة تركيب النظام بالسيارة	سعر شراء للسيارة ارخص لعدم وجود النظام بها
يمكن التوفير في سعر السيارة باستخدام محرك اصغر لنفس الاداء	استخدام محرك اكبر لنفس الاداء
الانبعاثات الضارة من المحرك, والمحافظة على البيئة:
- استعادة 75% من الطاق المفقودة بالفرامل يقلل من استخدام الوقود	- عدم استعادة الطاقة المفقودة يزيد من استخدام الوقود
- استخدام محرك أصغر لنفس الاداء (قلة استخدام الوقود) (أو الحصول على اداء أعلى للسيارة في حالة استخدام نفس حجم المحرك)	- استخدام محرك اكبر لنفس الاداء (زيادة استخدام الوقود)
- مرحلة استخدام النظام الهيدروليكي فقط تكون الانبعاثات صفرية	- المحرك يعمل باستمرار (انبعاثات مستمرة طوال التشغيل)
- توقيف استخدام المحرك في حالة عدم الحاجة إليه	- المحرك يعمل بشكل متصل (خاصة خلال الحمل الخالي)

مما سبق يتبين أن هناك زيادة في سعر شراء السيارة الهيدروليكية بسبب إضافة اجزاء النظام لها (وحدة المضخة/ الموتور إلى السيارة التقليدية), ولكن مع استخدام النظام (فترة التشغيل) فإن ذلك سيغطي الزيادة في سعر السيارة عند إضافة النظام, كما أنه سيعود بالفائدة على البيئة.

أ- التوفير في الوقود مقارنة مع سيارة تقليدية لها نفس سعة المحرك يأتي من:

- استرجاع 75% من طاقة الفرامل

- تشغيل المحرك معظم الوقت على السرعة المثالية, مثل إبطال المحرك اثناء التوقف في الاشارات المرورية (عدم العمل عند الحمل الخالي)

ب- تقليل الانبعاثات يأتي من:

- التوفير في الوقود المستخدم (حسب الفقرة أ).