Что такое гибридная система автомобиля?
Содержание
В последнее время большую популярность завоевывают транспортные средства, работающие на электротяге. Однако полноценные электромобили имеют существенный недостаток – небольшой запас хода без подзарядки. По этой причине многие ведущие автопроизводители оснащают некоторые свои модели гибридными установками.
По сути, автомобиль-гибрид это транспортное средство, основной силовой агрегат которого – двигатель внутреннего сгорания, но он усилен электрической системой с одним или несколькими электромоторами и дополнительным аккумулятором.
На сегодняшний день применяется несколько категорий гибридов. Одни лишь помогают ДВС на старте, другие позволяют ездить, используя электротягу. Рассмотрим особенности таких силовых установок: в чем их разница, как они работают, а также основные плюсы и минусы гибридов.
История гибридных двигателей
Идея в создании гибридных автомобилей (или помеси между классическим авто и электромобилем) обусловлена подорожанием топлива, ужесточением норм на автомобильные выбросы и обеспечением большего комфорта при управлении ТС.
Разработкой смешанной силовой установки впервые занялась французская компания Parisienne de voitures electriques. Однако первым работоспособным гибридным автомобилем оказалось творение Фердинанда Порше. В силовой установке Lohner Electric Chaise двигатель внутреннего сгорания служил в качестве генератора для электричества, от которого работали передние два электромотора (установлены непосредственно на колеса).
Транспортное средство было представлено публике в 1901г. Всего было продано около 300 экземпляров таких автомобилей. Модель оказалась очень практичной, но дорогой в производстве, поэтому рядовому автолюбителю такое транспортное средство было не по карману. Более того, в то время появился более дешевый и не менее практичный автомобиль, разработанный конструктором Генри Фордом.
Классические бензиновые силовые агрегаты заставили разработчиков на многие десятилетия оставить идею в создании гибридов. Интерес к «зеленому» транспорту возрос с принятием Законопроекта о поощрении в использовании электротранспорта жителями Соединенных Штатов. Он был принят в 1960г.
По стечению обстоятельств в 1973 году разразился всемирный нефтяной кризис. Если законы США не поощрили производителей задуматься над разработкой доступных экологичных авто, то кризис заставил их это сделать.
Первая полноценная гибридная система, основной принцип которой используется до сих пор, была разработана компанией TRW в 1968г. Согласно концепции, вместе с электромотором можно было использовать ДВС меньшего объема, но при этом мощность машины не терялась, а работа стала намного плавней.
Примером полноценного гибридного автомобиля является GM 512 Hybrid. Он работал от электромотора, который разгонял ТС до 17 км/ч. На этой скорости активировался ДВС, усиливая производительность системы, благодаря чему скорость авто повышалась до 21 км/ч. Если была необходимость ехать быстрее, электромотор отключался, и машина разгонялась уже на бензиновом моторе. Пределом скорости был показатель в 65 км/ч.
VW Taxi Hybrid – еще один успешный экземпляр гибридного авто, был представлен общественности в 1973г.
До сих пор автопроизводители пытаются вывести гибридные и полностью электрические системы на уровень, что сделало бы их конкурентно способными по сравнению с классическими ДВС. Хотя этого еще не произошло, многие разработки оправдали потраченные на их разработку миллиарды долларов.
С началом третьего тысячелетия человечество увидело новинку под названием Toyota Prius. Детище японского производителя стало синонимом понятия «гибридный автомобиль». Многие современные разработки позаимствованы у данной разработки. На сегодняшний день создано большое количество модификаций комбинированных установок, что позволяет покупателю выбрать для себя оптимальный вариант.
Принцип работы гибридных автомобилей
Не стоит путать гибридный мотор с полноценным электромобилем. Электроустановка задействуется в некоторых случаях. Например, в городском режиме, когда машина стоит в пробке, использование двигателя внутреннего сгорания приводит к его перегреву, а также к повышению уровня загрязнения воздуха. Для подобных ситуаций активируют электрическую установку.
По конструкции гибрид состоит из:
- Основного силового агрегата. Это бензиновый или дизельный двигатель.
- Электрического мотора. В зависимости от модификации их может быть несколько. По принципу действия они тоже могут быть разными. Например, одни могут использоваться в качестве дополнительного привода для колес, а другие – как помощник двигателю при старте машины с места.
- Дополнительной батареи. В некоторых автомобилях она имеет небольшую емкость, запаса энергии которой достаточно для активации на непродолжительный период электроустановки. В других этот элемент питания имеет большую емкость, чтобы транспорт мог свободно передвигаться от электричества.
- Электронной системы управления. Сложные датчики контролируют работу ДВС и анализируют поведение машины, на основании чего активируется/деактивируется электромотор.
- Инвертора. Это преобразователь нужной энергии, идущей от аккумулятора на трехфазный электромотор. Данный элемент также распределяет нагрузку на разные узлы в зависимости от модификации установки.
- Генератора. Без этого механизма невозможна подзарядка основной или дополнительной батареи. Как и в обычных автомобилях, генератор приводится в движение благодаря работе ДВС.
- Системы рекуперации. Большинство современных гибридов оснащаются такой системой. Она «собирает» дополнительную энергию от таких узлов автомобиля, как тормозная система и шасси (когда авто движется накатом, например с горки, преобразователь собирает высвобождающуюся энергию в батарею).
Силовые агрегаты гибридной установки могут работать как по отдельности, так и в паре.
Схемы работы
Существуют несколько успешных схем работы гибридов. Различают три основные:
- последовательная;
- параллельная;
- последовательно-параллельная.
Последовательная схема
В данном случае ДВС используется в качестве генератора электричества для работы электромоторов. По сути, бензиновый или дизельный двигатель не имеет прямой связи с трансмиссией авто.
Данная система позволяет устанавливать в подкапотное пространство маломощные двигатели с небольшим объемом. Их основная задача – приводить в действие генератор напряжения.
Такие автомобили часто оснащаются системой рекуперации, благодаря которой механическая и кинетическая энергия преобразуется в электрический ток для подзарядки батареи. В зависимости от размеров АКБ авто может преодолевать некоторое расстояние исключительно на электротяге без использования ДВС.
Самый известный пример гибридов данной категории – Chevrolet Volt. Его можно заряжать, как обычный электромобиль, но благодаря наличию мотора, работающего от бензина, запас хода значительно увеличивается.
Параллельная схема
В параллельных установках ДВС и электромотор работают в паре. Задача электрического двигателя – уменьшать нагрузки на основной агрегат, что приводит к значительной экономии топлива.
Если отключить ДВС от трансмиссии, машина способна преодолевать некоторое расстояние от электротяги. Но основная задача электрической части – обеспечивать плавность ускорения ТС. Основным силовым агрегатом в таких модификациях является бензиновый (или дизельный) мотор.
Когда авто замедляется или движется от работы ДВС, электромотор выступает в роли генератора для подзарядки батареи. Благодаря работе от двигателя внутреннего сгорания в таких автомобилях не требуется высоковольтная АКБ.
В отличие от гибридов с последовательной схемой, данные установки имеют больший расход топлива, так как электромотор не используется в качестве отдельного силового агрегата. В некоторых моделях, например, в BMW 350E iPerformance электромотор интегрирован в коробку передач.
Особенностью данной схемы работы является высокий показатель крутящего момента при небольших оборотах коленвала.
Последовательно-параллельная схема
Данная схема была разработана японскими инженерами. Называется она HSD (Hybrid Synergy Drive). По сути, она сочетает в себе функции первых двух типов работы силовых установок.
Когда автомобилю нужно стартовать или медленно двигаться в тянучке, задействуется электромотор. Для экономии энергии на высокой скорости подключается бензиновый ил дизельный (в зависимости от модели ТС) двигатель.
Если нужно резко ускориться (например, при обгоне) или авто едет в гору, силовая установка работает в параллельном режиме – электромотор помогает ДВС, что снижает нагрузку на него, и, как следствие – экономит расход топлива.
Планетарное соединение автомобильного двигателя внутреннего сгорания часть мощности передает на главную передачу трансмиссии, а часть – на генератор для подзарядки аккумулятора или электропривода. В такой схеме устанавливается сложная электроника, которая распределяет энергию в соответствии с ситуацией.
Самый яркий представитель гибрида с последовательно-параллельной схемой силового агрегата является Toyota Prius. Однако, некоторые модификации известных моделей японского производства уже получили такие установки. Примером тому служит Toyota Camry, Toyota Highlander Hybrid, Lexus LS 600h. Данную технологию также купили некоторые американские концерны. Например, разработка получила свое применение в Ford Escape Hybrid.
Типы гибридных агрегатов
Все гибридные силовые агрегаты разделяются на три типа:
- мягкогибридный;
- среднегибридный;
- полногибридный.
Каждый из них имеет свою функцию, а также уникальные характеристики.
Микрогибридный силовой агрегат
Такие силовые установки нередко оснащаются системой рекуперации, чтобы кинетическая энергия преобразовывалась в электрическую и возвращалась в батарею.
Приводной механизм в них – стартер (может также выполнять функцию генератора). Электрического привода колес в таких установках не имеется. Схема используется при частых стартах ДВС.
Среднегибридный силовой агрегат
Такие машины тоже не передвигаются за счет электромотора. Электромотор в данном случае служит в качестве помощника основному силовому агрегату при увеличении нагрузки.
Такие системы тоже оснащаются системой рекуперации, собирая свободную энергию обратно в аккумулятор. Среднегибридные агрегаты обеспечивают большую эффективность теплового двигателя.
Полногибридный силовой агрегат
В таких установках имеется генератор высокой мощности, который приводится в движение от ДВС. Система активируется на малых скоростях транспортного средства.
Эффективность системы проявляется при наличии функции «Start/Stop», когда машина медленно передвигается в пробке, но на светофоре нужно резко ускориться. Особенностью полногибридной установки является возможность отключить ДВС (выключается сцепление) и ехать на электромоторе.
Классификация по степени электрификации
В технической документации или в названии модели автомобиля могут присутствовать такие термины:
- микрогибрид;
- мягкий гибрид;
- полный гибрид;
- plug-in гибрид.
Микрогибрид
В таких автомобилях устанавливается обычный двигатель. Они не имеют электрического привода. Такие системы либо оснащаются функцией «старт/стоп», либо оснащаются рекуперативной тормозной системой (при торможении происходит дополнительная подзарядка аккумулятора).
Некоторые модели оснащаются обеими системами. Некоторые специалисты считают, что такой транспорт не считается гибридным транспортом, потому что в нем используется только бензиновый или дизельный силовой агрегат без интеграции в систему электропривода.
Мягкий гибрид
Такие машины тоже не передвигаются за счет электричества. В них тоже используется тепловой двигатель, как и в предыдущей категории. За одним исключением – ДВС поддерживается электрической установкой.
В таких моделях нет маховика. Его функцию выполняет электрический стартер-генератор. Электросистема увеличивает отдачу маломощного мотора при резком ускорении.
Полный гибрид
Под данными транспортными средствами подразумеваются машины, способные преодолевать некоторое расстояние на электротяге. В таких моделях может использоваться любая схема подключения, упомянутая выше.
Такие гибриды не заряжаются от сети. Батарея пополняется энергией за счет работы рекуперативной тормозной системы и генератора. Расстояние, которое можно преодолеть на одном заряде, зависит от емкости батареи.
Гибриды-плагины
Такие автомобили могут функционировать, как электромобиль, так и работать от ДВС. Благодаря совокупности двух силовых установок обеспечивается приличная экономия топлива.
Так как физически невозможно установить объемный аккумулятор (в электромобилях он занимает место бензобака), на одном заряде такой гибрид может преодолеть до 50 км без подзарядки.
Преимущества и недостатки гибридных авто
На данный момент гибрид можно считать переходным звеном от теплового мотора к экологически чистому электрическому аналогу. Хотя конечная цель еще не достигнута, благодаря внедрению современных инновационных разработок наблюдается положительная тенденция в развитии электротранспорта.
Так как гибриды являются переходным вариантом, то они имеют как положительные, так и отрицательные моменты. К плюсам относятся:
- Экономия топлива. В зависимости от схемы работы силовой пары этот показатель может увеличиться до 30% и более.
- Подзарядка без использования электросети. Это стало возможным благодаря системе рекуперации кинетической энергии. Хотя, полная зарядка не происходит, если инженеры смогут усовершенствовать преобразование, то электромобили вообще перестанут нуждаться в розетке.
- Возможность устанавливать мотор меньшего объема и мощности.
- Электроника намного экономичней, чем механика, распределяет топливо.
- Меньше перегревается двигатель, а также расходуется топливо при движении в пробках.
- Совокупность бензинового/дизельного и электрического двигателей позволяет продолжить движение, если высокомощный аккумулятор разрядился.
- Благодаря работе электромотора ДВС может работать более стабильно и менее шумно.
У гибридных установок имеется также приличный список недостатков:
- АКБ быстрее приходит в негодность из-за большого количества циклов заряда/разряда (даже в системах мягкого гибрида);
- Батарея нередко полностью разряжается;
- Детали на такие автомобили достаточно дорогие;
- Самостоятельный ремонт практически невозможен, так как для этого требуется сложное электронное оборудование;
- По сравнению с моделями на бензиновом или дизельном двигателе гибриды стоят на несколько тысяч долларов дороже;
- Регулярное техобслуживание более дорогостоящее;
- Сложная электроника требует внимательного обращения, а возникшие ошибки иногда могут прервать длительное путешествие;
- Сложно найти специалиста, который смог бы правильно настроить работу силовых установок. Из-за этого приходится прибегать к услугам дорогостоящих профессиональных ателье;
- АКБ не переносят значительных температурных колебаний и сами разряжаются.
- Несмотря на экологичность в процессе работы электромотора, производство и утилизация батарей сильно загрязняет окружающую среду.
Чтобы гибриды и электромобили составили настоящую конкуренцию двигателям внутреннего сгорания, требуется усовершенствование источников питания (чтобы они накапливали больше энергии, но при этом были не сильно объемными), а также систем быстрой подзарядки без вреда для АКБ.
Вопросы и ответы:
Что такое гибридное транспортное средство? Это такое транспортное средство, в котором для его движения задействуется более одного силового агрегата. В основном это смесь электрокара и авто с классическим ДВС.
Чем отличается гибрид от обычной машины? Гибридное авто обладает преимуществами электрокара (бесшумная работа мотора и езда без задействования топлива), но когда заряд батареи падает, задействуется основной силовой агрегат (бензиновый).
