Автомобиль с гибридным двигателем это не новое изобретение. Первый шаг в направлении создания гибридных транспортных средств, был сделан в 1665, когда Фердинанд Verbiest, Иезуитский священник, начал работу над планами постройки простых четырех колесных транспортных средств, которые могли бы работать на пару или конной тяге. Первые автомобили с гибридным двигателем появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.
Конечно все это были только прототипы и мелкосерийные автомобили. Однако сейчас острый недостаток нефти и экономический кризис подхлестнули разработку гибридных двигателей. А теперь давайте подробно разберемся что такое гибридный двигатель и какой от него толк? Гибридный двигатель - это система из двух двигателей -электрического и бензинового. В зависимости от режимов работы может включатся и бензиновый и электрический одновременно или по отдельности. Этот процесс управляется мощным компьютером, который принимает решение, что щас должно работать.Так при передвижении по трассам включается бензиновый двигатель, так как аккумулятора на трассе на долго не хватит. Если автомобиль двигается в городском режиме, то тут уже используется электродвигатель, при разгоне или больших нагрузках работают оба. Пока работает бензиновый двигатель заряжается аккумулятор. Такой двигатель даже с учётом того, что в системе используется бензиновый двигатель, позволяет сократить вредные выбросы в атмосферу на 90% и при этом существенно снижается потребление бензина в городе(на трассе работает только бензиновый двигатель, поэтому там экономии нету).
Начнем с того, как автомобиль трогается с места. При начале движения и на малых скоростях задействованы только аккумуляторная батарея и электродвигатели. Энергия, запасенная в батарее, поступает в энергетический центр, который, в свою очередь, направляет ее к электромоторам, заставляющим автомобиль плавно и бесшумно тронуться с места. После набора скорости к работе подключается двигатель внутреннего сгорания, и момент на ведущие колеса поступает одновременно от электродвигателей и ДВС. При этом часть энергии ДВС поступает к генератору, и теперь уже он питает электродвигатели, а излишки своей энергии отдает аккумуляторной батарее, утратившей часть запаса энергии в начале движения. При движении в нормальном режиме автоматически используется только передний привод, во всех остальных — полный. В режиме разгона момент на колеса поступает в основном от бензинового двигателя, а электромоторы при необходимости увеличения динамики дополняют ДВС. Один из самых интересных моментов — торможение. Электронные “мозги” автомобиля сами решают, когда нужно задействовать гидравлическую тормозную систему, а когда рекуперативное торможение, отдавая предпочтение последнему. То есть в момент нажатия педали тормоза они переводят электродвигатели в “генераторный” режим работы, и те создают тормозной момент на колесах, вырабатывая электроэнергию и подпитывая через энергетический центр аккумуляторную батарею. В этом и заключается изюминка “гибрида”.
В классических автомобилях энергия торможения теряется полностью, уходя как тепло через тормозные диски и другие детали. Использование энергии торможения особенно эффективно в городских условиях, когда приходится часто тормозить на светофорах. Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет и управляет работой всех систем активной безопасности.
Одним из первых удачных автомобилей оснащённых гибридным двигателем, который пошёл в массы стал разработанный компанией Toyota "Toyota Prius", расходующий 3,2 литра бензина на 100 км (в городе). Также компания Toyota выпустила и внедорожник с гибридным двигателем Lexus RX400h.Стоимость такого автомобиля в зависимости от комплектации колеблется от 68 до 77 тыс. долларов. Следует заметить тот факт, что первые версии Toyota Prius уступали автомобилям такого же класса и в скорости и в мощности, а вот Lexus RX400h уже не уступает своим одноклассникам ни в скорости ни в мощности.
Ведущие автомобильные концерны мира, так же обратили своё внимание на гибридные двигатели, как на решение проблемы экономии топлива и загрязнения окружающей среды. Так компания Volvo Group объявила о создании гибридного двигателя для грузовиков, тягачей, полуприцепов и автобусов. Разработчики компании рассчитывают на то, что их детище позволит получить 35% экономию топлива.
При всём при этом надо сказать, что гибридные автомобили "на Ура", пока что, пошли только в Северной Америке(Канада и США). И в Америке же всё больше на них растёт спрос, так как там до последних лет были популярны автомобили, которые потребляли много топлива, а так как топливо резко и круто начало дорожать американцы резко задумались об его экономии и как решение проблемы начали использовать именно автомобили с гибридными двигателями. В Европе к появлению гибридных двигателей отнеслись спокойно, так как там у них рулит экономный и более экологичный, чем бензиновый двигатель, старый добрый дизель. В отличии от США более 50% машин в Европе оснащены дизелями. К тому же дизельные автомобили дешевле гибридных, проще и надёжнее. Ведь всем известно, чем сложнее система, тем она менее надёжна! И вот именно из-за своей сложности и капризности, гибридных автомобилей практически нет на постсоветском пространстве. Официальные дилеры их сюда не завозят. И любой владелец такого авто у нас неминуемо столкнётся с проблемой СТО. Нет у нас СТО, которые бы занимались бы гибридными автомобилями. А уж сам такую машинку не починишь!
Почему мы коснулись этого вопроса на нашем портале? И почему мы хотим просветить Вас в вопросах работы гибридных двигателей? Всё предельно просто и понятно. Дело в том, что многие сферы нашей жизнедеятельности буквально пронизаны взаимодействием всевозможных технологий, которые в своём симбиозе порождают гораздо более эффективные методы, гаджеты и механизмы. И конечно же не посмели отставить в сторону и двигатели для наших четырёхколёсных любимцев. И вот именно о таких агрегатах, их положительных и отрицательных сторонах, о том как они работают мы и поговорим в данной теме. А пока совершим небольшой экскурс в историю. Поехали!
Немного истории
Автомобили с гибридными «сердцами» – изобретение далеко не новое, как может показаться на первый взгляд. Первооткрывателем и воплотителем идеи гибридного двигателя стал иезуитский священнослужитель по имени Фердинанд Вербист. В 1665 году он начал работать над планами создания простых четырёхколёсных повозок, работающих на паровой и конной тяге. Но а первые серийные модели с гибридными двигателями увидели свет уже на рубеже 19-го и 20-го веков. На протяжении десяти лет, начиная с 1887 года французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила серию и автомобилей с гибридными моторами. А в 1900 году компания General Electric создала гибридное авто с четырёхцилиндровым бензиновым двигателем. Компания Walker Vehicle Company of Chicago до 1940 года выпускала гибридные грузовые автомобили.
Конечно, на то время производство подобных автомобилей ограничивалось небольшими партиями и созданием разного рода прототипов. Однако в наше время острая нехватка нефтяных ресурсов и постоянно прогрессирующий экономический кризис побудили автомобильных конструкторов и разработчиков вернуться к истокам и возобновить выпуск автомобилей с гибридными двигателями.
Как работает гибридный двигатель – простыми словами о новых технологиях
Ну а теперь самое время разобраться с тем, что за агрегат гибридный двигатель и почему так рьяно стали производит автомобили с такими сердцами? Гибридный двигатель представляет собой систему двух связанных между собой двигателей: бензинового и электрического. Два двигателя могут работать как в связке, так и по отдельности, всё зависит от того, какой режим работы использован в данный момент. Процессом перераспределения «полномочий» управляет мощный компьютер, который в тот или иной момент решает какой из двигателей должен сейчас работать. Для передвижения в загородном режиме всю работу берёт на себя топливный двигатель, ибо аккумулятора на трассе хватает ненадолго. Для передвижения по городу включается электродвигатель.
Если же автомобиль подвергается большим нагрузкам или ему приходится часто и довольно интенсивно разгоняться, то оба двигателя работают уже вместе. Интересен тот факт, что пока автомобиль движется на топливном моторе, электрический в это время заряжается. Автомобиль с гибридным двигателем выбрасывает в атмосферу на 90% меньше веществ, чем привычные нам топливные моторы , и это несмотря на то, что в его состав входит и бензиновый агрегат тоже. Так же потребление бензина в городе можно свести к нулю, что, конечно же, не сказать о загородных поездках.
Давайте рассмотрим как автомобиль с гибридным двигателем трогается с места. В самом начале движения и на малых скоростях работают лишь аккумулятор и электрический двигатель. Энергия, что запасена в батарее питает энергетический центр, который далее распределяет её по электромоторам, которые уже и стартуют автомобиль с места бесшумно и очень плавно. После того, как набрана максимальная для электродвигателя скорость, подключается и бензиновый агрегат. Крутящий момент на ведущие колёса уже поступает от двух двигателей в одночасье. В процессе такой работы двигатель внутреннего сгорания отдаёт часть выработанной энергии на генератор, который далее и питает электродвигатели, разгружая АКБ, излишки же энергии передаются на аккумулятор, восполняя его, утраченный на начало движения, запас.
Если автомобиль движется в нормальном режиме, то автоматом используется ведущим лишь передний привод, в остальных же случаях распределение крутящего момента подаётся уже на две оси. В режиме ускорения крутящий момент на колёса поступает в основном от двигателя внутреннего сгорания, а если необходимо нарастить динамику, то в ход идут уже и электромоторы, дополняющие ДВС. Но вот более интересным моментом всё же является торможение. Электронный «мозг» автомобиля держит под контролем включение и выключение Когда стоит подключить гидравлику, а когда и рекуперативное торможение, но предпочтение всё же отдаётся второму. То есть, когда водитель гибридного автомобиля нажимает на педаль тормоза, электродвигатели переходят генераторный рабочий режим, создавая тем самым тормозной момент на колёсах, при котором также вырабатывается электроэнергия, которая и подпитывает аккумулятор через распределительный энергоцентр. В этом то и утаилась вся суть «изюминки» гибридного двигателя.
В привычной же нам классике энергия, выделяемая при торможении расходуется в пустую, просто теряясь в пространстве как тепло от тормозных дисков и других деталей. Использование тормозной энергии очень эффективно в условиях города, когда частое торможение на светофорах – обычное дело. Система VDIM, которая является управляющей автомобильной динамикой, управляет работой всех автомобильных систем активной безопасности, объединяя их в единый «организм».
Пожалуй, первым удачным экземпляром, оснащённым гибридным двигателем, выпущенным в массы стал известный уже ныне «Prius» от компании Toyota. Этот чудо автомобиль расходует всего чуть более трёх литров бензина на каждые сто километров в городском режиме. Также японская компания пошла далее, выпустив свой люксовый гибридный кроссовер Lexus RX400h. Но и стоимость данного авто в среднем в пределах 70 000 у.е. Заметим, что первое поколение Toyota Prius уступало автомобилям того же класса с двигателями внутреннего сгорания по скоростным и мощностным характеристикам, в отличие от Lexus RX400h, который изначально составлял хорошую конкуренцию в своём классе.
После Toyota лидирующие мировые автомобильные концерны тоже не оставили без внимания использование гибридных двигателей, так как в этом было увидено решение глобальной проблемы загрязнения природной среды и топливной экономии. И так последовало объявление о создании гибридной грузовой и транспортной техники от компании Volvo Group. По их расчётам выпуск данной продукции со временем сократит потребление топлива на целых 35%.
Но при всём величайшем желании и расчётах автомобильных концернов, автомобили с гибридными двигателями пока что не раскупают по всему миру как горячие пирожки. Популярность гибридных автомобилей набирает обороты лишь в Канаде и Штатах. Спрос на гибриды среди американского населения вырос из-за резкого подорожания топлива, которое нещадно палили раньше. Ведь американский автопром всегда славился своими «мускул-карами» с невероятно мощными моторами и огромным потреблением горючей жидкости. Европейские автолюбители к автомобилям с гибридными двигателями отнеслись в целом нейтрально. Там заправляет достаточно экологичный и более экономичный, заслуживший доверие ветеран, - дизель.
Большая часть автомобилей Европы заправляются дизелем, что нельзя сказать о США. Более того автомобили с дизельными двигателями гораздо дешевле гибридных, к тому же проще и надёжнее в своей конструкции. Ведь всем известен такой постулат: «чем сложнее сконструирована система, тем менее её надёжность». Именно этот фактор и определяет количество гибридных автомобилей на территории нашей страны. Официально такие автомобили к нам не поставляют, а проблема СТО просто неминуема в случае поломки. Профильных СТО по ремонту гибридных двигателей попросту нет в нашей стране. А самостоятельно такой аппарат, думаем, вряд ли кто-то возьмётся чинить.
Устройство гибридного двигателя – описание схемы
Итак, мы с Вами вкратце рассмотрели, что такое гибридный двигатель и почему его применение не настолько распространено в мире, как того бы хотелось. Теперь хотелось бы «копнуть» поглубже и рассмотреть схему его строения. А ведь их существует три. Предлагаем начать с простейшей схемы, которая вызывает у нас наименьший интерес – это последовательный гибридный двигатель.
Последовательная схема гибридного двигателя
В данной схеме запуск автомобиля происходит от электрического мотора. Двигатель внутреннего сгорания находится в связке с генератором, питающим батарею аккумулятора. Гибридные автомобили с последовательной схемой силового агрегата (Plug-inHybrid), зачастую, выпускаются с возможностью подключения к электрической сети по окончанию поездки.
Наличие данной функции подразумевает использование аккумуляторных батарей с большой энергоёмкостью, что существенно сокращает затраты топлива на использование двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь сокращает количество вредных выбросов в атмосферу. К таким автомобилям можно отнести Chevrolet Volt и Opel Ampera. Их так же называют электромобили с широким радиусом действия. Эти автомобили могут ехать лишь питаясь от аккумуляторной батареи со скоростью 60 км/ч и используя энергию генератора, приводящего в действие бензиновый двигатель целых 500 километров.
Параллельная схема гибридного автомобиля
При данной схеме параллельно подключенные двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель устанавливаются таким образом, что могут работать как отдельно друг от друга, так и вместе. Такой эффект достигается благодаря конструкции агрегата, в которой бензиновый двигатель, электромотор и трансмиссия соединены автоматически управляемыми муфтами. Автомобиль с такой схемой гибридного двигателя использует электромотор небольшой мощности, примерно в 20 кВт. Его основной задачей является добавление мощности ДВС во время ускорения автомобиля.
В большей части подобных конструкций электромотор устанавливается между двигателем внутреннего сгорания и
Он так же выполняет функции генератора и стартера. Известнейшими представителями среди автомобилей с последовательной схемой гибридного двигателя являются BMW Active Hybrid 7, Honda Insight, Volkswagen Touareg Hybrid, Honda Civic Hybrid. Данная схема появилась благодаря проявлению инициативы компании Honda с её системой Integrated Motor Assist - IMA. Работу данной системы можно подразделить на несколько характерных режимов:
- работа от электродвигателя;
Совместная работа электромотора и ДВС;
Работа от ДВС с параллельной зарядкой аккумуляторной батареи при помощи электромотора, который выполняет функцию генератора;
Подпитка аккумулятора в период рекуперативного торможения.
Последовательно-параллельная схема гибрида
В данной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания связываются при помощи планетарного редуктора. Это позволяет одновременно передавать мощность от каждого из моторов на ведущие колёса в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. Последовательно-параллельная схема отличается от предыдущей тем, что на первой установлен генератор, который создаёт энергию для работы электромотора.
Известными представителями автомобилей с такой схемой гибридного двигателя являются Toyota Prius, Ford Escape Hybrid , Lexus RX 450h. В данном сегменте «гибридного» рынка лидирует компания Toyota со своей системой Hybrid Synergy Drive - HSD.
Силовой агрегат системы Hybrid Synergy Drive представлен следующим образом:
- ДВС связывается с планетарным редуктором;
Электродвигатель, который присоединён к коронной шестерне планетарного редуктора;
Солнечная шестерня планетарного редуктора соединенная с генератором.
Двигатель внутреннего сгорания работает в цикле Аткинсона, а значит на низких оборотах он вырабатывает малую мощь, результатом чего является лучшая топливная экономичность и меньшее количество выхлопных газов.
Авто с гибридным двигателем – плюсы и минусы
Положительные стороны гибридных двигателей
1. Самым важным плюсом автомобилей с гибридными двигателями является их экономичность. Топливный расход у таких автомобилей на 25% меньше чем у классических машин с двигателем внутреннего сгорания. А в условиях нашей ситуации с постоянно повышающимися цена на бензин это очень важный фактор.
2.
Следующий не менее важный пункт Следующий по важности пункт среди положительных сторон гибридных двигателей – это экологичность. Гибридные автомобили наносят гораздо меньше урона нашей экологии чем классические.
Это достигается благодаря более рациональному топливному расходу. А при полной остановке автомобиля, ДВС прекращает работать, передавая бразды правления электрическому мотору. Следовательно во время остановок гибридного автомобиля атмосфера не загрязняется выбросами СО2.
3. Батареи гибридных двигателей подзаряжаются от бензинового двигателя, чего нельзя сказать об электромобилях, что делает запас хода топливного двигателя гораздо большим. И ещё он может дольше обходиться без дозаправки.
4. Современные гибридные автомобили ничуть не уступают аналогичному классу традиционных по всем основным характеристикам. Так что развеем этот миф, которому многие, скорее всего верят.
5. В городских условиях с частыми остановками гибридные автомобили работают как электромобили.
6. Стоя на месте автомобиль с гибридным двигателем полностью бесшумен, так как он работает только на электродвигателе.
7. Заправка гибрида осуществляется бензином и таким же образом, как и традиционного автомобиля.
Минусы гибридных автомобилей
В мире нет ничего идеального, а значит и гибридные двигатели тоже имеют свои минусы.
1.
И основным минусом является дорогой ремонт. Так как конструкция таких двигателей очень сложна, то и найти специалиста, который займётся устранением проблем, очень сложно. Этим и объясняется большая стоимость обслуживания гибридов.
2. Аккумуляторы, установленные на гибриды подвержены саморазрядке. Также они не переносят резких перепадов температур. А срок службы их сильно ограничен. Но до сих пор пока не выяснили то, какое влияние на окружающую среду оказывают аккумуляторы из-за чего утилизировать их является проблемной задачей.
Очевидно, конечно, что гибридные двигатели имеют больше плюсов чем минусов, но в нашей стране они не прижились пока что. Первая причина для этого – цена. Стоимость в Украине популярной Toyota Prius составляет от 850 000 гривен. А ведь он не только самый-самый в своей популярности, но и самый дешёвый. Также в России планировалось наладить выпуск гибрида под названием «Ё-мобиль», но проект был свёрнут. На сегодня самым мощным автомобилем с гибридным двигателем является BMW ActiveHybrid X6.
Борьба за экологию в наше время идёт полным ходом и очень рьяно, в связи с чем автолюбителей стимулируют к приобретению автомобилей с гибридными двигателями. Так в Америке владельцам таких автомобилей предоставляются определённые льготы и бесплатные места на парковках. В нашей стране также планируются вводиться похожие законы, в частности будут уменьшены пошлины на импорт автомобилей с гибридными двигателями. Бензиновые двигатели уже понемногу отходят на задний план, утрачивая свои позиции. И гибридные двигатели – один из основных шагов, которые предпринимаются для этого. Но пока ценовая категория этих автомобилей остаётся на том же уровне, спрос на них будет малый.
О ценах на авто с гибридными двигателями
Как и всё новое, необычное и интересное, автомобили с гибридными двигателями отличаются от своих классических собратьев большей стоимостью. Сегодня гибридные автомобили гораздо превышают в стоимости автомобили с аналогичными характеристиками, но с бензиновыми двигателями.
Например, гибридная Toyota Camry превосходит по стоимости своего бензинового собрата почти на 7 000 долларов. Стоимость гибридной Honda Civic возросла на 4 000 долларов по сравнению со своей традиционной моделью. Lexus GS 450h – это прекрасный динамичный (от 0 до 100 всего за 5,9 секунд) автомобиль, который ещё и гораздо экономичнее аналогичных по мощности седанов с восьмицилиндровыми двигателями. Топливный расход этого автомобиля приблизительно 8 литров на 100 километров в смешанном цикле. Средняя розничная цена на этот автомобиль в Украине в среднем будет составлять около 80 000 долларов.
На тему внедрения гибридных автомобилей, конечно, можно рассуждать долго и занимать определённые позиции и отстаивать свои точки зрения, но ясно одно – будущее не за горами и скоро этот скачок будет совершён. Перемены в автомобилестроении грядут грандиозные! И надеемся это будет то, что нужно всем нам.
Подавляющее большинство современных автомобилей в качестве силового агрегата используют двигатель внутреннего сгорания . На фоне постепенного истощения запасов нефти, а также возрастающих требований к экологичности, автоинженеры разрабатывают новые технологии, позволяющие отказаться от использования углеводородов в качестве топлива или, как минимум, снизить расход.
Решить эту проблему можно двумя способами: установить вместо ДВС электромотор или гибридный двигатель. К последнему прибегают многие автомобильные марки.
Как видно из названия, подобный силовой агрегат представляет из себя классический двигатель внутреннего сгорания и одновременно электродвигатель, объединенные в одно целое. По многим причинам такое решение предпочтительнее одной только электрической тяги.
На сегодняшний день электромобиль имеет серьезные минусы. Наиболее значимые из них – это отсутствие развитой сети электрозаправок, а также недостаточная дальность поездки без дозарядки (у разных моделей электромобилей она составляет от 80 до 160 км).
К тому же на то, чтобы полностью зарядить батареи потребуется несколько часов, а значит, мобильность такого авто ограничивается поездками от дома до работы и обратно.
Тем не менее, нельзя забывать и про плюсы электромотора, среди которых более высокий КПД (у ДВС максимальный КПД достигается только на определенных оборотах), отсутствие каких-либо выбросов, большой крутящий момент.
Электрический двигатель, в отличие от работающего на нефтепродуктах, не нуждается в постоянной подаче топлива. Он может находиться в выключенном состоянии сколь угодно долго, пока на него не будет подано напряжение. При подаче электричества он практически моментально передает колесам максимальную тягу.
Гибридный двигатель совместил преимущества обоих моторов, благодаря чему достигается экономичность, экологичность и неплохие динамические характеристики.
Принцип работы гибридных двигателей
Гибридный двигатель устроен таким образом, что оба мотора работают, условно говоря, друг на друга. Двигатель внутреннего сгорания крутит генератор и снабжает энергией электромотор, а тот позволяет «напарнику» работать в оптимальном режиме без резких колебаний и нагрузок. К тому же, гибриды обычно оснащаются системой рекуперации кинетической энергии KERS (аналогичную той, что применяется на болидах Формулы-1).
Эта система позволяет заряжать аккумуляторные батареи во время торможения и при движении машины накатом. Принцип ее работы в том, что при торможении колеса приводят в действие электромотор, который в этом случае сам играет роль генератора и заряжает аккумуляторы. Особенно полезна KERS при езде по городу в режиме «тронулся-остановился».
По степени гибридизации силовые агрегаты разделились три типа: «умеренные», «полные» и plug-in. В «умеренных» постоянно работает двигатель внутреннего сгорания, а электромотор включается только тогда, когда необходима дополнительная мощность.
Автомобиль с «полным» гибридом способен двигаться на одной электротяге, не расходуя горючего.
Plug-in, как и полный гибрид, может передвигаться только на электричестве, но имеет возможность заряжаться от розетки, совмещая таким образом все преимущества электромобиля, и избавляясь от его главного недостатка — ограниченного пробега без подзарядки. Когда заряд батарей кончается, plug-in работает как обычный гибрид.
Схемы взаимодействия электромотора и ДВС
Инженеры разных компаний по-разному подходят к вопросу гибридного двигателестроения. Современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.
Последовательная схема
Это наиболее простой вариант. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. Автомобиль при этом движется только на электротяге.
Также для зарядки аккумуляторной батареи применяется система рекуперации кинетической энергии. Своим названием данная схема обязана последовательным преобразованиям энергии: энергия сгорания топлива двигателем внутреннего сгорания превращается в механическую, затем в электрическую при помощи генератора и снова в механическую.
Плюсы такой конструкции заключаются в следующем:
- ДВС всегда работает на неизменных оборотах, с максимальным КПД;
- нет необходимости оснащать автомобиль мощным и прожорливым двигателем;
- не нужно сцепление и коробка передач;
- автомобиль способен передвигаться и с выключенным двигателем внутреннего сгорания за счет энергии, запасенной аккумуляторной батареей.
Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:
- потери энергии в процессе преобразований;
- большой размер, вес и высокая стоимость аккумуляторных батарей.
Наибольшая эффективность такой схемы достигается при движении с частыми остановками, когда активно работает KERS. Поэтому она нашла применение в городском транспорте. Также гибридные двигатели с последовательной схемой применяются в карьерных самосвалах, которым для работы важен большой крутящий момент и не требуется высокая скорость.
Параллельная схема
Принцип работы «параллельного» гибридного двигателя полностью отличается от вышеописанного. Автомобили с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, ездят с использованием и ДВС, и электромотора. Электродвигатель в таком случае должен быть обратимым, т.е. способным работать в качестве генератора. Согласованная работа обоих моторов достигается посредством компьютерного управления.
В зависимости от режима езды блок управления распределяет крутящий момент, поступающий от обоих элементов гибрида. Основную работу выполняет двигатель внутреннего сгорания, электромотор же подключается когда нужна дополнительная мощность (при трогании, ускорении), при торможении и замедлении он работает как генератор.
Плюсы подобной компоновки в том, что нет необходимости устанавливать аккумуляторную батарею большой емкости, потери энергии намного меньше, чем при последовательной схеме, поскольку ДВС напрямую связан с ведущими колесами, а кроме того, сама по себе конструкция довольно проста, а значит, дешева.
Основные минусы схемы – меньшая топливная экономичность по сравнению с другими вариантами и низкая эффективность в городских условиях. Машины с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, наиболее эффективны при движении по трассе.
По данной схеме построены гибридные автомобили марки Хонда. Главный принцип руководства компании: схема гибридного двигателя должна быть как можно более простой и дешевой, а функция электромотора заключается лишь в помощи ДВС сэкономить максимально возможное количество топлива. У этой марки существует две гибридных модели – Civic (снят с производства в 2010 году) и Insight.
Последовательно-параллельная схема
Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. Благодаря этому автомобиль при трогании и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме).
На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).
Поскольку в системе имеется отдельный генератор, заряжающий аккумуляторную батарею, электромотор используется только для привода ведущих колес и во время рекуперативного торможения . Через планетарный механизм (он же делитель мощности), часть крутящего момента от ДВС частично передается на колеса и частично отбирается для работы генератора, который питает либо электромотор, либо аккумуляторную батарею. Электронный блок управления все время регулирует подачу мощности из обоих источников.
Плюсы последовательно-параллельного гибридного двигателя данной схемы, в максимальной топливной экономичности и высокой экологичности. Минусы системы – сложность конструкции и высокая стоимость, поскольку требуется дополнительный генератор, достаточно емкая аккумуляторная батарея и сложный электронный блок управления.
Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус. Подобными гибридными двигателями оснащаются машины Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.
Критическая ситуация с экологией и постоянный рост цен на топливо заставляют искать производителей транспорта новые решения. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) усовершенствуются, модифицируются и «смешиваются» с электродвигателями. Для чего это делается, как работает гибридный двигатель, рассмотрим в сегодняшней публикации.
Идею соединить два агрегата (двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель) новой не назовешь. В 1897 году французская компания Parisienne des Voitures Electriques начала производство авто с гибридными двигателями, а немногим позднее американская General Electric выпустила первый гибрид с бензиновым четырехцилиндровым двигателем. Но тогда такое новшество оказалась экономически нецелесообразным. Топливо было дешевым, а мощность автомобиля-гибрида уступала мощности традиционных моделей. Но времена изменились. Топливо дорожает, экологическая обстановка ухудшается. Автомобили со смешанными силовыми агрегатами стали актуальными и начали набирать популярность.
Простыми словами о сложном
Что же представляет собой гибридный двигатель? Гибридный двигатель – это система, состоящая из двух связанных между собой агрегатов: электрического и бензинового. Они могут работать как по отдельности, так и одновременно. Управляет этой системой бортовой компьютер автомобиля. Он решает, в зависимости от режима движения, какой тип силового агрегата нужно задействовать в конкретный момент времени.
Для движения по городу, когда от двигателя не требуется выработки большой мощности, используется электродвигатель. Во время движения по загородным трассам компьютер отключает электродвигатель и задействует топливный агрегат.
При смешанном режиме езды, когда двигатель автомобиля работает под нагрузкой с периодическими ускорениями и остановками – два агрегата работают в тандеме. Причем во время работы топливного двигателя, идет зарядка электрического. Отдельного внимания заслуживают .
Экономия электроэнергии в гибридных двигателях
Известно, что на движение автомобиля затрачивается огромное количество энергии. В связи с этим возникает закономерный вопрос: как электромотор даже в условиях малых нагрузок может долго работать без дополнительного прицепа с аккумуляторами. Чтобы понять принцип работы электродвигателя автомобиля, нужно проследить весь процесс от начала движения до остановки.
Когда автомобиль трогается либо движется на малых скоростях, всю работу осуществляет электродвигатель, который питается от аккумулятора. Далее в его задачу входит разогнать автомобиль до предельно возможной для электродвигателя скорости. После этого компьютер дает команду на включение топливного двигателя. При этом ДВС часть энергии отдает на генератор, который подменяет АКБ и продолжает вместо нее питать электромотор, параллельно заряжая аккумулятор. Автомобиль при этом работает на двух силовых агрегатах одновременно.
При движении со средней скоростью электродвигатель отключается, работает только ДВС, пополняя запас энергии аккумулятора. При повышении нагрузки на ДВС ему на помощь снова приходит электромотор. Но электроэнергия пополняется не только за счет работы ДВС. Тормозной механизм автомобиля с гибридным двигателем устроен таким образом, что образовавшаяся во время торможения энергия, преобразовывается в электрическую и тоже идет на питание электромотора. Такое торможение получило название «рекуперативное».
Рассмотренный выше алгоритм работы описывает общую картину работы гибридного силового агрегата автомобиля. На сегодняшний день существует три типа таких двигателей: последовательный, параллельный и смешанный.
Последовательная схема гибрида
Принцип работы такой схемы можно считать самой простой из гибридов. Двигатель внутреннего сгорания в данном типе является вспомогательным элементом и предназначен для работы генератора. Генератор, получая энергию от ДВС, преобразует ее в электрическую и запитывает электромотор, который приводит автомобиль в движение.
Такая схема, как правило, применяется в маломощных автомобилях (малолитражках). Но используемый аккумулятор имеет большую емкость, с возможностью зарядки от обычной электросети. Большая емкость АКБ позволяет минимизировать использование ДВС, то есть автомобиль может двигаться на электродвигателе, который питается только от аккумулятора. Chevrolet Volt – это одна из моделей автомобилей, в которой использована последовательная схема гибрида.
Параллельная схема гибридного автомобиля
Принцип работы параллельной схемы заключается в том, что ДВС и электромотор установлены таким образом, что появляется возможность их использовать как вместе, так и по отдельности. Но все же основная функция электромотора в такой схеме – это создание дополнительной мощности ДВС при ускорении. Кроме того электродвигатель выполняет функции стартера и генератора. Аккумуляторы при такой схеме не требуют дополнительной подзарядки, им хватает энергии, вырабатываемой при движении.
Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid – модели с параллельной схемой гибридного двигателя.
Последовательно – параллельная схема гибрида
В этой схеме ДВС и электромотор связывает между собой планетарный редуктор, при помощи которого мощность от обоих двигателей передается на ведущие колеса.
Смешанная схема отличается от параллельной наличием генератора, создающего энергию для электродвигателя.
Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid – это представители полного гибрида.
Положительные стороны гибридных двигателей
- Основное достоинство гибридов заключается в его экономичности. Минимальная экономия топлива составляет 20%, что в условиях роста цен довольно ощутимое преимущество.
- Совместное использование двух двигателей снижает количество выбросов СО2.
- Отличные ходовые характеристики, которые достигнуты благодаря рациональному накоплению и последующему перераспределению мощностей, выработанных совместно двумя двигателями.
- В сравнении с традиционным автомобилем гибрид обладает ощутимым запасом хода, то есть он может продолжать движение даже с пустым баком.
- Характеристики гибридных двигателей полностью идентичны традиционным моделям с ДВС, вопреки сложившимся стереотипам, а с учетом других преимуществ порой даже превосходит их.
- Электродвигатели практически бесшумны, что добавляет комфорта при эксплуатации автомобиля.
- В сравнении с электромобилем, АКБ гибрида заряжается от топливного двигателя, что увеличивает запас его хода.
- Заправка автомобиля осуществляется тем же бензином, что и традиционные авто.
Недостатки гибридов
- Высокая стоимость автомобиля.
- Обслуживание автомобиля требует больших затрат. Ремонтировать такую машину самостоятельно вряд ли удастся, а квалифицированных мастеров найти большая сложность. С комплектующими также гарантированно будут проблемы.
- Перепады климатических температур плохо влияют на АКБ и приводят к их саморазряду.
Внешне автомобили с гибридными силовыми агрегатами не отличаются от классических бензиновых собратьев. Конечно, если бы модели автомобилей с гибридными двигателями имели такую же стоимость, как аналоги с ДВС, а обслуживание не вызывало сложностей, вряд ли кто отказался бы от такой машины. Но на данный момент реалии таковы, что разница в цене гибрида и аналога составляет в среднем 4000 долларов. Даже если взять в расчет все плюсы таких машин, включая экономию топлива, то разница все равно будет несоразмерная. Если не будет поломок, а пробег будет значительным, машина окупится в лучшем случае лет через пять. Такое положение вещей не вселяет оптимизма. Но как говорится: «Сколько людей – столько и мнений», поэтому выбор всегда остается за конкретным человеком.
Идея создания гибридного автомобиля с использованием электрического мотора появилась больше 100 лет назад. Гибридные автомобили выполняют несколько основных функций:
- Экономия дорогостоящего бензина за счет его замены использованием электродвигателя.
- Гибридные автомобили являются более экологическими по сравнению с классическими бензиновыми.
- Увеличение расстояния, преодолеваемого на гибридном двигателе за счет использования двух источников энергии.
Гибридные автомобили и их устройство
Существуют умеренные и полные гибридные автомобили. Конструкция умеренных гибридов использует бензиновый двигатель как основной, а электрический источник питания подключает как подстраховку в редких случаях. Полные же гибриды подразумевают возможность использования альтернативного источника питания в качестве основного двигателя.
Конструкции автомобилей с гибридным двигателем
Существует несколько видов конструкций гибридов, отличаемых по способу подключения двигателя:
- Автомобили с последовательной схемой подключения. В рамках схемы использован двигатель внутреннего сгорания малой мощности, подключенный к электрогенератору. Электромотор приводит машину в движение и является основным двигательным механизмом. Модели гибридных автомобилей с такой схемой — Chevrolet Volt, а также Opel Ampera. В таких автомобилях используют электрические батареи увеличенной емкости.
Последовательная схема подключения узлов
- Параллельная схема подключения. В рамках данной схемы могут работать вместе и по отдельности как бензиновый, так и электрический двигатели. В основном используется электромотор мощностью 20 Вт, которая возрастает при увеличении скорости автомобиля.
Параллельная схема подключения узлов
- Смешанная, последовательно-параллельная схема. Принцип построения такого двигателя схож с двигателем с параллельной схемой, но в смешанную схему добавлен генератор, от которого питается электромотор.
Последовательно-параллельная схема подключения узлов
Как работает гибридный двигатель?
Когда машина начинает движение, расходуется запас электромотора и аккумулятора. На высокой скорости к работе электрических источников энергии подключается бензиновый двигатель. В результате работы бензинового двигателя образуется некий излишек энергии, который подзаряжает генератор. От генератора питается электромотор, а он, в свою очередь, подзаряжает аккумулятор .
При торможении используется принцип рекуперативного торможения – электромотор в этом случае выполняет функцию генератора, подпитывая аккумулятор. Таким образом, энергия, полученная в результате торможения, используется на благо автомобиля.
Устройство гибридного автомобиля
Гибридный авто состоит из следующих основных узлов:
- Бензиновый двигатель (двигатель внутреннего сгорания). Но в гибридных автомобилях, в отличие от классических, ДВС маломощный, так как используется в тандеме с электромотором.
- Электрический двигатель. Альтернативный источник энергии для автомобиля. Часто в таких двигателях используется технология рекуперации – электромотор работает не только в качестве силовой установки, приводящей машину в движение. Он также выполняет функции генератора, накапливая энергию во время торможения и спуска с возвышенностей.
- Генератор предназначен для производства электроэнергии.
- Аккумуляторные батареи хранят запас электроэнергии для электродвигателя.
- Топливный бак используется для хранения бензина для ДВС.
- Коробка передач позволяет управлять как ДВС, так и электродвигателем.
Устройство гибридного авто на примере Toyota Prius
Автомобиль гибрид предназначен, в первую очередь, для эффективного использования энергоресурса. Для достижения этого эффекта используется несколько приемов:
- Используется энергия торможения за счет технологии рекуперации.
- Бензин экономится за счет переключения механизма на работу электромотора.
- При производстве машины гибрида используют легкие материалы, которые облегчают конструкцию, тем самым уменьшая потребление ресурсов.
- Эффективно используются аэродинамические свойства материалов и конструкций.
Индустрия гибридных авто активно развивается, ведь пока мы не можем говорить о совершенстве данных конструкций и их доступности. Рассмотрим более подробно некоторые преимущества и недостатки конструкций гибридных автомобилей:
- Экономия при расходе топлива и энергоресурсов. Несомненный плюс гибридов – сокращение расходов, к тому же электромотор может самостоятельно производить энергию.
- Экология. Гибриды существенно меньше вредят окружающей среде, чем классические автомобили.
- Дальность пробега. Гибридные автомобили заправляют гораздо реже, чем обычные бензиновые.
- Аккумуляторные батареи гибридов гораздо легче и удобнее в использовании, чем батареи электрических автомобилей.
- Электродвигатель работает практически бесшумно.
- Гибридный автомобиль может обходиться без ДВС на городских улицах.
Но существуют и некоторые недостатки, связанные с гибридными машинами:
- Аккумуляторы электродвигателей должны постоянно эксплуатироваться, в противном случае срок из действия сокращается. Кроме того, они способны самостоятельно разряжаться, не переносят резких перепадов температур. Еще не развита инфраструктура предприятий, способных правильно утилизировать эти элементы.
- Сложная конструкция двигателя делает его ремонт сложным и дорогостоящим. Часто детали невозможно отремонтировать и приходится заказывать новые у производителей, что затягивает процесс ремонта.
- Гибридные двигатели работают в основном с бензиновыми автомобилями, хотя использование дизельного топлива экономически более выгодно.
- Стоимость автомобилей с гибридными двигателями гораздо выше средней на рынке. Такое дорогое приобретение не всем по карману.
Не смотря на некоторые недостатки, отрасль производства гибридных автомобилей динамично развивается и совершенствуется. С каждым новым сезоном производители представляют лучшие гибридные автомобили , обладающие более широким набором функций и более доступными для автолюбителей.
