Совершенствование моторов и в частности двигателей внутреннего сгорания еле-еле поспевает за требованиями, которые к ним предъявляются. С одной стороны на чаше весов, потребители с мечтами об одновременно экономичном и мощном движке, с другой — экология, которая ужесточает нормы токсичности. И напоследок — геологи, которые настойчиво напоминают об истощении запасов «черного золота». Одни из вариантов решения данной проблемы - гибридные силовые установки, которые состоят из обычного двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. В нашей статье мы поговорим о том, что такое гибрид двигателей легковых автомашин? Их отличие от автомобилей на топливных элементах и электромобилей, в них эти два вида двигателей вместе сочтены. Уже с 1997 года гибриды выпускаются серийно.
Сравним электромобиль и машину с обычным ДВС. Обыкновенная машина способна без дозаправки проехать четыре-пять сотен километров и за время пути в атмосферу отправляется некоторый объёмом вредных веществ. В любом регионе предостаточно заправочных станций, и за считанные минуты можно пополнить запасы топлива. Электромобиль на одном заряде батарей может проехать порядка 100-150 км. Он бесшумен, чист экологически, и практически превосходен, до того момента, пока не надо будет подзарядить аккумуляторы. В наше время существующие «электрических» машины тратят на этот процесс несколько часов.
Гибрид двигателя автомашин берет все лучшее от двух моторов: электрического и ДВС. Достоинство первого – в выдающихся характеристиках, а второго – в жидком топливе, удобном энергоносителе. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, электромотор не нужно «раскручивать» и заводить. Он может «спокойно вас ждать» не потребляя энергии. Однако как только подключили ток – на колесах сразу можно выдать максимальную тягу. В режиме частых стартов и стопов (другими словами при еде в городе) электродвигатель эффективнее ДВС. Двигатель внутреннего сгорания, напротив, более эффективен на ровных, оптимальных для данного мотора оборотах.
В гибриде два мотора работают друг на друга. ДВС питает энергией и крутит генератор и электромотор. Который, в свою очередь, позволяет двигателю внутреннего сгорания работать без резких нагрузок на разгоне, в наиболее «приятных» для него режимах. Практически все гибриды современного мира имеют систему рекуперации или, другими словами, «возврата энергии». Ее суть в том, что при движении машины накатом или торможении, электродвигатели крутятся от колес и работают как генераторы, тем самым, заряжая батарею. Отсюда – износ, экономичность и экологичность (особенно в условиях города).
Итак, мы видим технологичную прогрессивную машину, в которой объединяются достоинства и нивелируются недостатки двух моторов. Однако пока что рано праздновать стоит послушать, что говорят скептики.
Гибридные машины дороже и сложнее традиционных авто с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторы имеют невысокий диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду, ненавидят морозы, срок службы их всего несколько годов. «Экономность» гибрида напрямую связана с состоянием аккумулятора. Помимо всего прочего есть и проблема утилизации батарей, которые уже отработали свой срок. Гибриды в ремонте несколько дороже, да и за ремонт возьмется далеко не каждый специалист. Кроме того, многие тоже ставят под сомнение высокую экономичность и экологичность гибридов. Это частично подтверждает и ряд проведенных авторитетными автоизданиями тестов, они показали, что гибриды только в городе дают ощутимую экономию топлива, а на трассе существенно проигрывают дизелям, которые так популярны в современном мире. Почетные звания «Самые экологичные автомобили 2007 и 2008 годов» присуждалось также машинам с дизельными двигателями.
Хотелось бы подробнее рассмотреть виды гибридных двигателей.
Исходя из гибридизации их делят на: plug-in, «полные» и «умеренные». «Полный» может двигаться только на электричестве, не потребляя при этом топлива. «Умеренный» всегда применяет ДВС, а электромотор будет подключаться, если нужна будет дополнительная мощность. Plug-in hybrid (гибрид с подзарядкой) - такой гибрид включается для подзарядки в розетку. В итоге обладатель подобного гибрида оснащен всеми преимуществами электрической автомашины, без наибольшего недостатка: на одном заряде - ограниченный пробег. Когда заканчивается электрический заряд, подключается двигатель внутреннего сгорания и машина превращается в обычный гибрид.
По принципу взаимодействия топливной и электрической составляющих машин, гибридные приводы разделяют на три вида: параллельный, последовательный и последовательно-параллельный. Опишем их все:
Последовательная схема.
Эта гибридная конфигурация самая простая. Двигатель внутреннего сгорания используется только для генератора, а электроэнергия вырабатываемая последним питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею. Это избавляет нас от необходимости в сцеплении и коробке передач. Для подзарядки аккумуляторной батареи также используется торможение. Схема получила свое название потому, что на ведущие колеса поступает поток мощности, при этом проходя ряд некоторых преобразований. От механической энергии, которая вырабатывается ДВС в электрическую, которая вырабатывается генератором, и снова в механическую. При этом естественно часть энергии теряется. Последовательный гибрид может позволить использовать ДВС небольшой мощности, причем работает он постоянно в диапазоне максимального коэффициента полезного действия. Если отключить ДВС батарея и электродвигатель в состоянии обеспечить нужную мощность для движения транспортного средства. Поэтому в отличие от ДВС, они должны быть мощнее, а, следовательно должны стоит дороже. Лучше всего последовательную схему применять при движении в режиме частых остановок, ускорений и торможений, движении на невысокой скорости, т.е. в городских условиях. Поэтому зачастую ее используют ее на городском транспорте. Исходя из подобного принципа, работают большие карьерные самосвалы, в них надо передать большой крутящий момент на оси колес, а высокие скорости движения при этом не требуются.
Параллельная система.
Ведущие колеса тут приводятся в движение и электродвигателем, и ДВС. Для их параллельной согласованной работы используется управление при помощи компьютера. При этом необходимость в обычной трансмиссии сохраняется, и мотору приходится работать в переходных неэффективных режимах. Момент, который поступает от двух источников, в зависимости от различных условий распределяется: в переходных режимах (ускорение, старт) электродвигатель подключается в помощь ДВС, а в нормальных режимах и когда авто тормозит он работает как генератор, при этом заряжая аккумулятор. Получается что, большую часть времени в параллельных гибридах работает ДВС, а электродвигатель подключается ему в помощь. В результате параллельные гибриды используют меньшую аккумуляторную батарею, в сравнении с последовательными. Так как двигатель внутреннего сгорания непосредственно связан с ободом колес, то и потеря мощности значительно уменьшается, по сравнению с последовательным гибридом. Такая конструкция весьма проста, но недостатком ее является то, что обратимый механизм параллельного гибрида не может вместе делать две вещи: заряжать батарею и приводить в движение колеса. Параллельные гибриды малоэффективны в городе, но эффективны на шоссе. Несмотря на легкость реализации данной схемы, она не может значительно улучшить как эффективность использования ДВС, так и экологические параметры.
Последовательно-параллельная схема.
Пошла своим путем в создании гибридов Компания «Тойота». Система Hybrid Synergy Drive (HSD) разработанная японскими инженерами, объединила в себе особенности двух типов. В схему параллельного гибрида был добавлен делитель мощности и отдельный генератор. В результате такой гибрид получает черты последовательного гибрида: машина трогается и едет на малых скоростях только при тяги электродвигателя. При движении с постоянной скоростью и на высоких скоростях подключается двигатель внутреннего сгорания. Если нагрузки повышаются (движение в гору, ускорение и т.п.) дополнительно подпитывается от батареи электродвигатель - т.е. гибрид при этом начинает работать как параллельный. Из-за наличия отдельного генератора, который заряжает батарею, электродвигатель будет использован только для привода оси колес и при рекуперативном торможении. Передает часть мощности ДВС на колеса планетарный механизм, а остальная часть энергии переходит на генератор, либо питающий электродвигатель, либо заряжающий батарею. Компьютерная система все время для оптимальной эксплуатации регулирует подачу мощности от двух источников энергии. В данном типе гибрида большая часть работы возлагается на электродвигатель, а двигатель (ДВС) используется только на самых эффективных режимах. В результате чего мощность такого гибрида может быть несколько ниже.
Из всего, что было сказано выше можно сделать вывод, что такие гибриды двигателей легковых автомашин наверное пока рано читать решение всех проблем. Скорее всего, это лишь промежуточный этап в переходе автомобилей к вовсе безвредным. Гибридные автомобили – это такие устройства, на которых можно отработать все технологии использования и накопления энергии, технологии скоростной зарядки аккумуляторов, облегчение кузова и т.д. Все это станет возможным лишь в том случае, если подобные автомобили будут выпускаться серийно. Порой кажется, что сев за руль гибридного автомобиля человечество сделает огромный шаг в будущее электронных автомобилей.
