مشروع السيارة المهجنة (تقنية 1)

الجهة المشرفة على المشروع:

هذا المشروع تم تحت إشراف مؤسسة الملك عبد العزيز ورجالة لرعاية الموهوبين. حيث تم اختيار 40 طالب من طلاب دبلوم تقنية المحركات والمركبات الآلية من جميع الكليات التقنية بالمملكة. وتم تنفيذ البرنامج تحت أشراف المؤسسة العامة للتعليم الفني والتدريب المهني, مركز خدمة المجتمع والتدريب المستمر, في ورش الكلية التقنية بالرياض. تحت إشراف هيئة التدريب بقسم التقنية الميكانيكية شعبة المحركات والمركبات الآلية, خلال الاجازة الصيفية لعام 1428 هـ (2007 م), برنامج الإثراء الصيفي.

الهدف من المشروع:

يهدف هذا المشروع على تنمية معارف الطالب وزيادة وعيه بالنسبة لمشاكل البيئة, وطرح الحلول ومناقشتها, القيام بتنفيذ مشروع نابع من مجال التخصص ويساهم في حل تلك المشكلة. وسوف يساهم المشروع في أثراء معلومات الطالب في مجال التخصص, وتدريبه على استخدام الإمكانيات المتاحة بورش الكلية لتنفيذ ذلك المشروع. وإتاحة المجال لاستخدام المعلومات الدراسية والمهارات المكتسبة خلال تدربه بالكلية التقنية.

ومن خلال العمل بالمشروع سيكتسب الطالب المهارات والمعارف التالية:

- التعرف على المشاكل المترتبة من استخدام السيارات التقليدية, على الإنسان, والبيئة. 

- التعرف على التقنيات المستخدمة للتغلب على تلك السلبيات.

- التعرف على طريقة عمل السيارة الكهربائية, والتعرف على الأجزاء ونظم التشغيل.

- التعرف على أسس هندسة وتصميم السيارات, التعرف على عمل نظم تشغيل السيارة ومعرفة مواصفات الأجزاء وكيفية اختيار الأجزاء الملائمة لظروف التشغيل والظروف البيئية.

- تصميم سيارة تعمل بالطاقة البديلة (الكهرباء) والتي تستخدم البطاريات في تشغيل الموتور الكهربائي. مع أمكانية إضافة محرك احتراق داخلي للسيارة وتحويلها إلى سيارة مهجنة.

- وضع قائمة بالأجزاء المطلوبة حسب المواصفات, والمعدات والأجهزة المحتاج إليها لتنفيذ المشروع,

- وضع الخطوات المطلوبة للتنفيذ والجدول الزمني لها.

- تنفيذ المشروع, تركيب الأجزاء وعمل المنتج النهائي.

- التدرب على العمل الجماعي.

- التدرب على اساسيات العمل بالورش (اللحام, الثقب, التركيب, الربط, التوصيل, التوصيلات الكهربائية,......).

- اختبار أداء السيارة.

- كتابة التقرير النهائي للمشروع.

وسيؤدى العمل بالمشروع على تنمية المعلومات التقنية في مجال التخصص, التعرف على طرق وأساليب الحصول على المعلومات. تنمية روح العمل الجماعي, تنمية المقدرة على اتخاذ القرار وإيجاد الحلول, وتوثيق وكتابة التقارير.

فكرة المشروع:

خلال اجتماع اللجنة الفنية المشكلة بالكلية التقنية لمتابعة برنامج رعاية الموهبين, تم استعراض فكرة المشاريع المعروضة واختيار أكثرهم جذبا وملائمة للطالب المشاركين بالبرنامج والذي فيه أثراء فكري وعملي ويحتوى على الجديد في مجال التقنية.

في العام السابق لتنفيذ ذلك المشروع, تم تنفيذ مشروع السيارة الكهربائية التي تسير عن طريق موتور كهربائي يحصل على الطاقة المشغلة عن طريق الشحن من مصدر التيار الكهربائي المتردد, واضيف للسيارة خلايا ضوئية لزيادة مدى السير للسيارة.

وعليه كانت فكرة ذلك العام هو عمل سيارة مهجنة تعمل بمصدرين للطاقة, المصدر الأول محرك احتراق داخلي, والمصدر الثاني موتور كهربائي. ويتم شحن البطاريات عن طريق محرك الاحتراق الداخلي ولا تحتاج البطاريات إلى شحن خارجي.

وتختلف فكرة مشروع السيارة المقترحة عن السيارات المهجنة الموجودة بالأسواق, والتي يكون لها محور دفع واحد سواء جر امامي أو دفع خلفي ويركب كلا المصدرين محرك الاحتراق والموتور الكهربائي على نفس المحور. الاختلاف الجوهري لسيارة المشروع هو تصميم السيارة بحيث يكون المحور الأمامي يعمل بمحرك احتراق داخلي والمحور الخلفي يعمل بموتور كهربائي. ويمكن عند الحاجة تسيير السيارة بالدفع الرباعي من كلا المحورين. الغرض من المشروع تصميم وتنفيذ سيارة يمكن قيادتها على الطرق بواسطة محرك الاحتراق الداخلي. ويمكنها العمل داخل الاماكن المغلقة بواسطة الموتور الكهربائي, كما يمكن للسيارة أن تكون رباعية الدفع وتسيير خارج الطرق ومناطق الغرز. هذه السيارة لها محرك احتراق داخلي صغير كافي لسير السيارة بالسرعات المطلوبة على الطرقات, كما يمكن زيادة قوة الدفع في حالة الحاجة إلى ذلك (التسارع أو صعود طريق مائل) باستخدام الموتور الكهربائي.

مقدمة لفكرة السيارة المهجنة:

أدت عدة عوامل هامة إلى التفكير في تغيير الأسلوب المعتاد في وسائل النقل والمواصلات وما يطلق عليها السيارة التقليدية, مثل ارتفاع سعر الوقود عالمياً, زيادة التلوث الناجم عن تشغيل السيارات وضرره على الصحة, وتأثيره الضار كذلك على البيئة, وفي رفع درجة حرارة الكرة الأرضية. هذا التفكير أدى إلى عمل سيارة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة, أو أيجاد سيارات تعمل بطاقة بديلة أقل تلوث للبيئة ولا تعتمد على البترول.

من التقنيات الحديثة المستخدمة الأن, تقنية السيارة المهجنة (يطلق عليها أيضاً السيارة الهجين), وهي سيارة تدمج  نوعين أو أكثر من تقنية تسير السيارة في سيارة واحدة. في حالة السيارة المهجنة فإنه يستخدم الموتور الكهربائي الذي يعمل عن طريق البطاريات بالإضافة إلى محرك الاحتراق الداخلي (كما في السيارة التقليدية). هذا الدمج يؤدي إلى الاستفادة من مميزات السيارة الكهربائية, من عادم نظيف, إلى كفاءة أعلى وقلة الأجزاء المتحركة. وعلى تلافي عيوب السيارة الكهربائية باستخدام محرك الاحتراق للحصول على القدرة العالية المطلوبة في السرعات العالية وصعود المنحدرات, ومدي السير الطويل بين تعبئة السيارة, كما يستفاد من محرك الاحتراق الداخلي في شحن البطاريات أثناء سير السيارة.

السيارات المهجنة Hybrid car

وفكرة التهجين في وسائل المواصلات فكرة ليست بالجديدة, كما يعتقد البعض أن أول ظهور لها كان مع سيارة هوندا "إنسيت" أو تويوتا "بريوس".

فقد ظهرت فكرة التهجين من قبل مثل:

- السفن {قوة الرياح (الشراع)+ القوة العضلية (التجديف)+ قوة دفع الأمواج وتيار الماء}

- القطار (ديزل+ كهرباء)

- العجلة ذات الموتور (كهرباء+ طاقة بشرية) mo-ped

مصادر الطاقة بالسيارة المهجنة:

هي سيارة بها مصدرين للطاقة )الوقود+ البطاريات(. محرك احتراق داخلي بالإضافة إلى موتور كهربائي. (محرك بنزين+ وموتور كهربائي), أو(محرك ديزل+ وموتور كهربائي).

أنواع السيارة المهجنة:

يمكن تقسيم أنواع السيارة المهجنة إلى أربعة أنواع:
تهجين ضئيل micro, تهجين متوسط mild, تهجين تام full (يسمى أيضاً المتوازيparallels ), و المتسلسل series (يسمى أيضا المتوالي أو مطيل المدى).

التهجين الضئيل:

هذا النظام يكون به موتور كهربائي ولكن لا يقوم بدفع المركبة. وفي هذا النظام يقوم الموتور بالتحكم في إدارة المحرك, وأعمال أخرى. هذا النظام يوفر من 5 إلى 15% من استهلاك الوقود.

التهجين المتوسط:

في هذا النظام تتحرك السيارة عن طريق محرك الاحتراق الداخلي, ويقوم الموتور الكهربائي بمساندة محرك الاحتراق عند الحاجة إلى قدرة إضافية.

السيارة المهجنة على التوالي:

وهي عبارة عن سيارة كهربائية يساندها محرك احتراق داخلي صغير. وفي هذا النظام يقوم الموتور الكهربائي فقط بدفع السيارة. بينما يقوم المحرك بإدارة مولد كهربائي فقط ولا يشارك في دفع السيارة. الطاقة الكهربائية المولدة من المولد الكهربائي تخزن في البطارية أو تمد الموتور بالكهرباء.

بعض السيارات الكهربائية يحصل الموتور الكهربائي للسيارة للطاقة عن طريق البطارية فقط, وعند وصول حالة شحن للبطارية لدرجة معينة من مستوى متدني , فإن محرك الاحتراق يعمل ويقوم بشحن البطارية, ولا يقوم بإمداد الموتور بالكهرباء.

السيارة المهجنة بالكامل:

هذه السيارة يمكن أن تدور عن طريق موتور الكهرباء أو محرك الاحتراق أو الاثنين معاً. وهي تختلف عن التهجين الضئيل أو المتوسط. وهذه الإمكانية تتيح أن تبدأ حركة السيارة بواسطة الموتور الكهربائي فقط, ثم في السرعات المتوسطة تعمل السيارة بواسطة محرك الاحتراق. وعند الحاجة لقدرة أعلى في حالة الحاجة للتسارع أو صعود مطلع, فإن الموتور الكهربائي ومحرك الاحتراق يعملا معا على نفس المحور لدفع السيارة. ويسمى هذا النوع أيضاً بالمتوازي حيث يقوم محرك الاحتراق والموتور الكهربائي بالعمل على التوازي لتوفير جهد الجر للسيارة.

طريقة عمل السيارة المهجنة:

 يوجد بالسيارة عدد 2 وحدة (موتور/مولد) بالإضافة إلى محرك الاحتراق الداخلي. ويمكن للسيارة أن تعمل عن طريق وحدة 2 أو تعمل عن طريق محرك الاحتراق الداخلي. ويمكن أن يشترك وحدة 2 ومحرك الاحتراق في دفع السيارة عند الحاجة إلى قدرة كبيرة. ويمكن لمحرك الاحتراق إدارة وحدة 1 لتوليد كهرباء لتشغيل وحدة 2 أو شحن البطارية. وتعمل وحدة1 عمل بادئ الحركة (السلف) في بدأ إدارة محرك الاحتراق الداخلي.

مميزات السيارة المهجنة:

تتميز السيارة المهجنة عن الأنواع التقليدية للسيارات. بأنها توفر في استهلاك الوقود, تقلل من العادم, وتكون أحسن من ناحية التحكم في أدائها.

كيف تقوم السيارة المهجنة بتوفير الوقود:

يعتقد البعض أن توفير الوقود يأتي من استخدام مصدرين للطاقة, وإنه عند استخدام الكهرباء فإننا نوفر في استهلاك الوقود. ولكن في الحقيقة أن استخدام الكهرباء يأتي من عمل محرك الاحتراق الداخلي وإنه يستخدم الوقود في عملية شحن البطارية. وكما هو معلوم فإن تحويل الطاقة من شكل إلى أخر يستهلاك جزء من الطاقة تعتمد على كفاءة التحويل أي أن هناك فقد (زيادة في استهلاك الوقود) مقداره 5% إلى 10% حسب كفاءة التحويل. إذا كيف توفر السيارة المهجنة في استهلاك الوقود؟

السر هنا هو استخدام محرك احتراق داخلي صغير بالمقارنة بالسيارات التقليدية. فإن الحاجة للسير بالسيارة بسرعة في حدود 100 كيلومتر/ساعة يحتاج في حدود من 30 إلى 40 حصان. ولكن المحركات التقليدية بالسيارات لها قدرة في حدود 100 إلى 150 حصان, هذه الزيادة تكون موجودة بالسيارة عند الحاجة إليها في حالة التسارع أو صعود مرتفع. هذا يعني أن عند سرعات السير العادية يعمل المحرك الكبير عند نصف أو ثلث حمل وهو هنا يعمل في مستوى كفاءة متدني, كما أن المحرك الكبير تكون أبعاده كبيرة ويحتاج إلى جزء من القدرة لإدارة نفسه. أما بالنسبة لمحرك السيارة المهجنة فإنه يكون صغير, ذو أجزاء صغيرة يستهلك جزء بسيط من القدرة لإدارة نفسه, وفي نفس الوقت يعمل بالقرب من الحمل الكامل ذو الكفاءة العالية فيوفر أيضاً في الوقود.

بالإضافة أن السيارة المهجنة تعمل عن طريق تقنية استعادة جزء من الطاقة المفقودة بالفرامل, فعند استخدام الفرملة يتحول جزء من طاقة الفرملة عند طريق مولد إلى طاقة كهربائية لشحن البطارية. وكذلك تقنية التوقف وبدأ الحركة, فكلما وقفت السيارة أثناء السير في إشارة المرور مثلاً فإن السيارة توقف عمل محرك الاحتراق ومحرك الكهرباء نهائيا. فتوفر السيارة جزء من استهلاك البنزين عند التوقف في إشارة المرور.
وهذا هو السر في توفير الوقود للسيارات المهجنة.

كيف تقوم السيارة المهجنة بتقليل تلوث الهواء:

عند السرعات البطيئة تعمل السيارة بالموتور الكهربائي (الموتور الكهربائي ليس له إنبعاثات Zero emission, توفير استهلاك الوقود بمحرك الاحتراق يقلل من كمية العادم المنبعثة, كذلك عدم عمل المحرك أو الموتور أثناء التوقف يقلل من انبعاثات العادم حيث أن نسبة التلوث لمحرك الاحتراق الداخلي تكون عالية عند سرعة الحمل الخالي.

التحكم في السيارة المهجنة:  

حيث أن التحكم الكهربائي أحسن دقة من التحكم الميكانيكي. فإن عمل السيارة بالموتور الكهربائي في معظم الوقت يمكن من تحسين أداء السيارة.

المشروع الحالي:

تم تصميم وإنشاء سيارة تعمل بمصدرين للطاقة محرك احتراق داخلي وموتور كهربائي. والجديد في التصميم هو أن دفع السيارة يتم عن طريق الموتور الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي, ولكن ليس على محور واحد ولكن على محورين مستقلين. فيقوم محرك الاحتراق الداخلي بدفع المحور الأمامي, ويقوم الموتور الكهربائي بدفع المحور الخلفي. وتعتمد الفكرة على أمكانية أن تكون السيارة ذات دفع أمامي أو دفع خلفي أو دفع رباعي, كما هو مبين بالشكل اللاحق.

فكرة السيارة (تقنية 1): (أ) جر أمامي (محرك احتراق داخلي), (ب) دفع خلفي (موتور كهرباء)
(جـ) محرك دفع رباعي (جر أمامي: محرك احتراق داخلي + دفع خلفي: موتور كهربائي)

يتم شحن البطاريات عن طريق محرك الاحتراق الداخلي.

يعتقد البعض بعدم حاجة الدول المنتجة للبترول لهذه التقنية في بلادهم حيث البترول متوفر بأسعار معتدلة.

ولكن الحاجة لهذه التقنية ليس فقط في توفير الوقود ولكن كذلك في المحافظة على البيئة وتقليل أثار التلوث الضار بالصحة. كما أن التوفير في استهلاك الوقود يحافظ على احتياطي المخزون لسنوات أكثر بالمستقبل.

فريق العمل المشارك:

م/عبد الرحمن الإحيدب

د/ قاسم مراد

د/ مجدي عبد العال

م/ إبراهيم العرف

م/ حسن عسيري

م/ فهد الهزاع

وقد تم إضافة عدد من طلاب البكالوريوس بقسم السيارات المتفوقين للمشاركة بالمشروع.

الاعداد للمشروع:

تم اختيار الطلاب المشاركين من طلاب قسم السيارات بالكليات التقنية بالمملكة, وكان أساس الاختيار هو التفوق الدراسي, حسب معدل الدرجات او التمييز في العملي. ثم تم عمل اختبار في المعلومات العامة والتخصصية والمقابلة الشخصية للتفضيل بين المتقدمين للمشاركة في المشروع.

بعد قبول المجموعة المشاركة بالمشروع 40 طالب, تم أشاركهم في برنامج متكامل تحت إشراف برنامج موهبة وخدمة المجتمع بالكلية التقنية بالرياض.

يتضمن البرنامج:

- نشاط اجتماعي (حلقات تعارف...)

- نشاط ثقافي (زيارات ميدانية, محاضرات توعية, ....)

- نشاط رياضي (مباريات, .....)

- نشاط علمي (محاضرات علمية تخصصية, دورات في الحاسب, والاليكترونيات,......)

- نشاط عملي (دورات عملية ومعملية, تركيب دوائر كهربائية , والتعرف على اساسيات اللحام,.....)

- المشاركة في المشروع (التصميم, والتنفيذ, كتابة التقرير, عمل الاختبارات, ........)

تم تقسيم طلاب المشروع إلى أربع مجموعات (تقسيم العمل, العمل مع الفريق, وإذكاء روح المنافسة,...), وكل مجموعة من الطلاب تعمل تحت رئيس عمل من طلاب البكالوريوس.

أسلوب العمل بالمشروع:

تم اعتماد فكرة المشروع, تم عمل دراسة لمتطلبات السيارة, تم تحديد الميزانية المطلوبة, تم شراء الأجزاء, تجهيز المحاضرات النظرية, وعمل الدورات التدريبية العملية, تقسيم مراحل العمل بالمشروع.

حيث أن فترة المشروع صغيرة والامكانيات محدودة وكذلك الخبرة والتقنية الجديدة لتسيير السيارة, جعل هناك احتمال من عدم اتمام المشروع بالفترة المحددة, ولهذا تم اتباع أسلوب صعود الجبل (فكرة جديدة تم استنباطها وتبنيها خلال العمل بالمشروع). وهذا الاسلوب يجنب العاملين بالمشروع الاحباط في حالة عدم الانتهاء من تنفيذ المطلوب. ولهذا تم تقسيم المشروع إلى مراحل صغيرة, كل مرحلة يتم الانتهاء منها يكون هناك تقدير للمجهود المبذول والاحتفال بتحقيق هدف من المشروع, ثم يتم الانتقال إلى الهدف الثاني كصعود الجبل. عند الانتهاء من المدة المحددة وعدم الوصول إلى القمة المنشودة يكون هناك انجاز يستحق الفخر به.

وعليه تم تقسيم مراحل المشروع إلى كالتالي وكما هو مبين بالشكل المرفق:

1- تجميع السيارة وتركيب محرك البنزين وأنظمة نقل الحركة, والتعليق والتوجيه, والملحقات وخلافه. وتسيير السيارة.

2- إضافة الموتور الكهربائي إلى المحور الخلفي, عمل التوصيلات الكهربائية ووصلات التحكم. وتسيير السيارة.

3- عمل طريقتين للتحكم بالسيارة لكل مصدر من المصادر. بحيث يمكن للسيارة السير بمحرك الاحتراق, أو السير بالموتور الكهربائي.

4- عمل وصلات شحن البطاريات إثناء السير بالسيارة بمحرك الاحتراق الداخلي, أو استخدام المحرك لشحن البطاريات عند السير بالكهرباء.

5- عمل وصلات التحكم بالسيارة لكي تعمل السيارة بمصدرين من الطاقة, حسب رغبة السائق باختيار مصدر الطاقة أما محرك احتراق داخلي أو الموتور الكهربائي. ويمكن للسائق التبديل بينهما أثناء السير.

6- جعل السيارة تسير بمصدري الطاقة في نفس الوقت. أي تكون السيارة ذات دفع رباعي.

الخلاصة:

- تم المرحلة الرابعة من مرحلة تنفيذ المشروع بنجاح, بدأ العمل بالمرحلة الخامسة ولم يكتمل.

- تم تنفيذ المشروع بواسطة 40 طالب, خلال 40 يوم, بميزانية 40 ألف ريال.

السلبيات:

* لم يتم عمل تقرير للمشروع.

*  لم يتم المحافظ على السيارة, تم تفكيك السيارة وأخذ انظمتها لتدريب الطلاب عليها للفك والتركيب.

السيارة تقنية 1: