Моторы для гибридных автомобилей

Автомобили с гибридным двигателем, плюсы и минусы, принцип работы

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».

Список автомобилей с гибридными двигателями
Audi Q5 Hybrid
BMW Active Tourer
Chevrolet Volt
Ford Escape Hybrid (Fusion Hybrid)
Hyundai Sonata Hybrid
Honda CR-Z (Insight Hybrid)
Jaguar Land Rover
Mitsubishi Outlander PHEV
Nissan Altima Hybrid
Toyota Prius (Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid


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:

  1. потери энергии в процессе преобразований;
  2. 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.
» alt=»»>

Источник

Гибридный двигатель: как это устроено

Мечта о двигателе, который сможет не выделять углекислый газ в атмосферу, а «кормить» машину, была в головах энтузиастов давно. Однако популярность такие двигатели начали набирать относительно недавно, и вот, уже в линейках ведущих автопроизводителей мы может видеть автомобили с гордым шильдиком «гибрид». Однако, надо разбираться что это такое, гибридный двигатель, и с чем его нужно «есть» – ведь их разновидностей великое множество. Давайте пройдёмся по истории.

История

Как мы с вами знаем, гибридный двигатель в автомобиле — это далеко не новинка, как нам пытаются доказывать некоторые производители. Первый раз такой двигатель уже пытались сделать в очень далёком 1665 году, для телеги. Священник по имени Фердинанд Вербист работал над телегами, которые могли работать с помощью двух двигателей, а именно лошади и пара. Будем считать его пионером гибридизации колёсного транспорта.

Однако, если говорить об автомобилях, то первые попытки переводить автомобили на агрегаты «двойного назначения» была на рубеже 19 и 20 века. Французскими «пионерами» автомобильных гибридов официально считаются Compagnie Parisienne des Voitures Electriques, которые целых 10 лет с 1897 по 1907 года выпускали гибриды и электромобили. Соединённые Штаты активно использовали гибридные грузовики с двигателями от Walker Vehicle Company, а General Electric в 1900 году выпускали автомобили с гибридным четырёхцилиндровым двигателем. Однако не будем забывать, что это были мелкосерийные производства или даже прототипы, ведь в то время никто не думал об экологических нормах и о возможности лишиться полезных ископаемых в обозримой перспективе. Это был рассвет автомобилестроения, который подарил нам множество автомобильных легенд и талантливых инженеров.

Механика

Любой сложный агрегат имеет в своём «арсенале» принцип своей работы или действия. В случае и с гибридными моторами нужно знать о том, что двигателя, формально, в таком автомобиле два: бензиновый и электрический. Меняются эти «братья-близнецы» в своей работе в зависимости от режима работы силовой установки, а иногда и работают парно. Управляет такой сменой двигателей электронная система, определяя какой из двигателей нужно включать в данный момент. К примеру, на трассах нужен бензиновый, ведь ёмкости аккумулятора может не хватить, а вот в пробках как раз можно и «катиться» на электротяге. Если углубиться в механику, то есть три принципа работы таких «гибридов».

Принципы работы

  • Схема параллельная Подобные автомобили одновременно используют оба двигателя постоянно, а электродвигатель используется как генератор для бензинового. Согласовывает работу двух двигателей компьютер, а блок управления помимо основных функций ещё и распределяет крутящий момент от обоих двигателей. Основным источником тяги является ДВС, а электрическая тяга появляется только при необходимости, например для резкого ускорения. При торможении электродвигатель работает как генератор. В данной компоновке потребитель не переживает об обслуживании большой батареи, а общая конструкция проста и недорогая в создании. Но минусами в данной системе является топливная экономичность в сравнении с другими схемами, помимо этого в городском потоке гибридная составляющая не эффективна. Такой автомобиль лучше всего раскрывается при движении по магистралям.
  • Последовательная схема Самый простой вариант гибридного автомобиля. Момент с ДВС уходит напрямую в генератор, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. Автомобиль этой компоновки движется только на электрической тяге. Данная схема является классическим примером последовательного преобразования энергии, при котором топливо, сгорающее в ДВС, будет превращаться в механическую, после этого в электрическую для генератора, и снова в механическую, но уже для колёс. Такие автомобили всегда работают «на максимуме», то есть двигатель показывает максимальный КПД. Кроме этого, нет необходимости в установке мощного двигателя, а также можно смело отказываться от коробки передач. А если в ДВС закончится бензин – аккумуляторы могут подзаряжаться при торможении и автомобиль спокойно сможет добраться до заправки. Однако минусами тут будет являться большая энергопотеря от преобразований энергии и большая стоимость аккумуляторов вместе с их габаритами. Такой автомобиль идеально можно использовать в городском транспорте, ну или для промышленных машин, которым важен крутящий момент, а не скорость.
  • Параллельно-последовательная схема Как вы понимаете, это квинтэссенция прошлых двух типов двигателя, получившая в свою схему работы дополнительный генератор и делитель мощности. Начинает движение такой автомобиль только на электротяге, и продолжает двигаться на малых скоростях тоже без привлечения своего неэкологичного «коллеги», который может обеспечивать только работу генератора. Если вам будет нужно ускориться – бензиновый агрегат с радостью вам поможет, и включится в работу, дав отдохнуть электромотору. В случае повышенной нагрузки электромотор всегда может получить дополнительное питание от аккумулятора. 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.

Купить или нет?

Если к концу прочтения этого текста у вас появилась идея о покупке данного автомобиля – я вас слегка «приземлю». Не так у нас и много гибридов: всего 18 моделей, которые смогли найти около 400 владельцев. Это связано с тем, что в нашей стране нет инфраструктуры для комфортного использования автомобилей, банально, с точки зрения заряда аккумуляторов. Параллельно с этим – стоимость сертификации таких автомобилей тоже увеличит конечную цену для покупателей, в итоге такой автомобиль будет, откровенно, дорогим. Помимо этого, его нужно будет обслуживать, а далеко не все это могут делать. В случае с попыткой покупки такого автомобиля на вторичном рынке – это гарантированная «лотерея», ведь батарея имеет своё количество циклов перезарядки. Безусловно, постепенно возрастает культура обслуживания, и владелец гибрида с радостью поделится с вами необходимой информацией, подсказав, где его обслужить, но куда вы сможете уехать из города? Налоговые льготы тоже обходят стороной владельцев и потенциальных потребителей таких автомобилей, однако

«…По оценкам отраслевых экспертов, доля электромобилей в общем объеме мирового выпуска к 2020 году составит не менее 17 процентов, 75 процентов из которых будут гибридными (то есть транспортными средствами, имеющими не менее двух различных преобразователей энергии (двигателей) и двух различных (бортовых) систем аккумулирования энергии для целей приведения в движение транспортных средств). Целевое видение российского рынка электромобилей подразумевает отставание от глобальных темпов роста доли электромобилей в продажах в среднем на четыре–пять лет. Таким образом, доля электромобилей в продажах на российском рынке к 2020 году может достичь 1–1,5 процента (15 000–25 000 автомобилей)». Из «Стратегии развития автомобильной промышленности до 2025 года».

Вместо послесловия

Технологии — это всегда хорошо. Разработки новых типов топлива – всегда возможность смотреть в будущее. Главное, чтобы переход на эти технологии был доступен всем и каждому, а инфраструктура позволяла пользоваться таким автомобилем везде, без ограничений. Я допускаю возможность пользования гибридами только при наличии розетки в подземном паркинге, либо при наличии загородного дома, в котором вы сможете установить зарядную станцию. На территории Москвы я видел всего 5 станций для подзарядки гибридов, а гибрид живьём – только в каршеринге. В целом, я прокатился с удовольствием и даже не отказался бы иметь подобный автомобиль для езды по городу. Остальное – дело времени. Вполне возможно, производители смогут развить сферу электромобилей и сделать их доступными. А ещё лучше, перенесут производство в нашу страну, как один японский автопроизводитель. Поживём – увидим.

Источник

Читайте также:  Замена мотора м54 бмв
Поделиться с друзьями