Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Как устроен и работает гибридный двигатель автомобиля

Перспективы в России

В России группой ученых (В. В. Давыдов, А. И. Лаврентьев и др.) под руководством д. т. н. профессора Н. В. Гулиа (Московский государственный индустриальный университет) предложен метод радикального увеличения эффективности гибридного силового агрегата за счет резкого снижения потерь в трансмиссии. Применение специально разработанной дифференциальной системы разделения потоков мощности позволяет поднять КПД бесступенчатой трансмиссии гибрида до 95 % — 97 % и передавать через варьируещее звено не более 15 % от полной мощности. Однако в такой системе в качестве накопителя энергии обязательно должен применяться маховик с механическим отбором мощности — в противном случае разделение потоков мощности в трансмиссии гибрида будет неэффективным при рекуперативном торможении и разгоне автомобиля.

Ё-мобиль — проект, нацеленный на создание в далекой перспективе автомобиля, работающего на электричестве, получаемом от генератора с газовым (бензиновым, дизельным) роторно-лопастным двигателем и ёмкостного накопителя энергии. Разработка городского гибридного автомобиля была начата силами компании «ЯРОВИТ Моторс», а затем предложена Михаилу Прохорову в качестве предмета совместной деятельности[источник не указан 3199 дней]. Сотрудничество «ЯРОВИТ» и Михаила Прохорова началось задолго до легкового гибрида — не позднее 2004 года, в котором тяжёлые грузовики «Яровит» проходили опытную эксплуатацию на предприятиях «Норильского Никеля», одним из совладельцев которого являлся Михаил Прохоров. В 2013 году проект Ё-мобиль из-за недостатка финансирования был свёрнут, документация передана НАМИ. Следует отметить, что в 2011 году также был создан проект Яровит-Ё-мотоспорт. В рамках этого проекта был создан спортивный болид класса R-1 с гибридной силовой установкой на узлах Лексуса, Мицубиси и д.р. доноров (конструкторы Кругленя А., Кобрусев С., Валюк В., Ковальчук В. и д.р.). Болид был презентован на Красной площади. В 2012 году началась разработка спортивного грузовика класса Т4. Летом 2014 года спортивный проект был свёрнут, зимой 2015 года Представительство Яровит-Моторс в Беларуси закрылось, не рассчитавшись со своими работниками по зарплате (на начало 2018 года задолженность Яровит-Моторс перед бывшими работниками так и не ликвидирована).

Современное применение

Стоянка гибридных такси по программе Fresh AIR в Арлингтоне

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, кроссоверов серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.

По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов. В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году. В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM). Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Плюсы и минусы автомобиля гибрида

Гибрид авто имеет массу достоинств. Среди них:

  • Расход бензина в пробках сокращается на 20-25 процентов.
  • АКБ подзаряжается во время движения.
  • Возможность зарядки от сети мощностью 220 в.
  • Мгновенный разгон (за 7 секунд машина ускоряется до 100 км/ч).
  • Мало выбросов углекислого газа в окружающую среду.
  • Отличная работа (КПД) в городской среде.
  • Уменьшение износа деталей тормозной системы.
  • Режим электродвигателя отличается бесшумностью.

     При покупке гибрида обнаруживаются и недостатки. На трассах выгоды гибридных машин не так очевидны. Аккумуляторы нового типа не характеризуются большим сроком службы. Напротив, любой резкий скачок температурных режимов может стать причиной преждевременной поломки. А утилизация отработанного мотора – целая проблема для автолюбителя.

     Тем не менее, достоинства автомобиля оцениваются по высшему разряду. При покупке электромобиля потребителя сдерживают только цены. Впрочем, и ремонт, и стоимость запасных частей обойдутся дороже. Не каждый профессионал возьмется за восстановление сложной конструкции движка.

Обслуживание и эксплуатация гибрида в зимний период 

     Бытует мнение, что, когда наступают холода, электромобиль гибрид не используется: аккумулятор категорически не переносит критических температур и выходит из строя. На практике собственники машин активно эксплуатируют свое движимое имущество даже при – 26 градусов при соблюдении некоторых условий эксплуатации транспортного средства:

  • Перед началом сезона проводится диагностика батареи.
  • При наступлении зимнего периода собственник поддерживает зарядку АКБ до 70 процентов.
  • Если владелец не планирует пользоваться автомобилем зимой, то не нужно забывать заводить машину не менее чем три раза в неделю.
  • При разрядке батареи возможно «прикурить» средство передвижения. Для этого не рекомендуется нажимать на педаль газа. Для восстановления работоспособности автомобиля достаточно положить провода на батарею, подождать некоторое время и начинать заводить стартер.

     В гараже гибридный автомобиль не хранится. Он просто готовится к зимнему сезону. На станции технического контроля проверяются следующие компоненты и агрегаты: дроссельную заслонку, свечи, катушку зажигания. Обязательная диагностика проводится раз в год.

Марки гибридных автомобилей

     Первый электромобиль был изобретен еще в 1899 году Фердинандом Порше и с тех пор началась «гибридизация», но серийно машины будущего стали выпускаться только ровно через век. Первопроходцем считается Toyota Pirus, вышедшая с конвейера в Японии в 1997 году.

     В России на сегодняшний момент предлагаются следующие виды гибридных машин:

  • Audi Q Данное транспортное средство имеет мощность 245 лошадиных сил и разгоняется до максимальной скорости в 222 км/ч. Благодаря электромотору к базовой стоимости автомобиля прибавляется 1 миллион рублей. Таким образом, цена поднимается до 2 миллионов 500 рублей. Audi Q Автомобиль разгоняется до 100 км ровно за 7.3 секунд. Расход топлива равняется 6.2 л на 100 км.
  • BMW ActiveHybrid Стоимость данной модели составляет 5 миллионов рублей.
  • Cadillac Escalade. Американец по праву признан городским хэтчбеком. Его характеристики: полный привод, мотор 337 лошадиных сил, скорость до 180 км/ч.
  • Lexus RX400h — это доступная марка для среднего класса. За 1 миллион 200 тысяч будущий владелец получает минимальный расход бензина в городских условиях – до 3,9 литров.
  • Honda Civic Hybrid — Очень надежный и экономичный автомобиль.

  • Mercedes-Benz S Гибрид-седан считается самой дешевой моделью. Мотор и электродвигатель имеют суммарную мощность 299 лошадиных сил.
  • Toyota Prius. Эта марка – самая дешевая в России (1 миллион 200 тысяч рублей). Он ускоряется за 10,4 секунд и экономит топливо из расчета 3,7 на трассе и 3,9 – в пробках.

     Электродвигатель рассматривается автолюбителями как альтернативный источник энергии. Его заводская установка позволяет придать автомобилю небывалую динамичность, мощность. Кроме того, у автолюбителя не возникает проблем с «зелеными» правозащитниками. Также учтите, при осуществлении выгодной покупки собственники могут заезжать на заправочную станцию не чаще, чем 2 раза в неделю. Шагайте в ногу со временем и приобретайте автомобиль будущего!

Недостатки

Несмотря на достаточно большое число плюсов машин-«гибридов», подобная схема имеет и ряд недостатков, которые на практике довольно существенны.

К основному из них стоит отнести сложность конструкции и, как результат, высокую стоимость обслуживания и ремонта гибридных авто. Например, замена тягового аккумулятора на подержанном автомобиле – процедура весьма дорогостоящая.

Кроме того, частые включения и отключения ДВС негативно сказываются на его общем ресурсе и сроке службы стартера. Впрочем, последний аспект характерен и для популярной ныне системы «старт-стоп», активно применяемой в ряде моделей и отключающей двигатель автомобиля во время остановки на светофоре и подключающей при выжиме сцепления.

Еще одним недостатком, а точнее, особенностью гибридных автомобилей является тот факт, что экономия топлива достигается исключительно в городском режиме движения.

При езде на трассе гибридный авто практически полностью теряет свои преимущества в сравнении с автомобилем традиционной компоновки в виду того, что гибридная трансмиссия в движении практически не участвует.

То есть, реально низкий уровень расхода топлива в сравнении с автомобилем, имеющим ДВС аналогичного рабочего объема и мощности, вы не получите.

При этом, учитывая дороговизну в обслуживании гибридного транспортного средства, можно смело говорить о том, что покупка подобной машины рационально не оправдана для водителей, ездящих за городом на значительные расстояния.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Транспорт с гибридной силовой установкой расходует на 30 % меньше топлива по сравнению со стандартными моделями. На этом преимущества использования гибридного автомобильного двигателя не заканчиваются:

  • минимальное количество вредных выбросов за счет технологий рекуперативного торможения, наличия емкой АКБ;
  • согласованность функций ДВС и электромотора;
  • полезные инновации – опции стоп-старта, рециркуляции отработанных газовых смесей (подогревают тосол), изменение фазы распределения газов;
  • наличие водяного насоса с электроприводом, системы климат-контроля и усиления руля, улучшенного качения покрышек;
  • эффективность при работе на холостом ходу в городских условиях;
  • возможность продолжительной поездки без дозарядки аккумулятора – заправляется бак;
  • поддержка выбранного режима за счет компьютерного управления;
  • низкий уровень шума работающего мотора.

К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:

  • необходимость регулярной нагрузки на АКБ;
  • батарея может разряжаться до критического состояния при низкой температуре;
  • проблемы с самостоятельным ремонтом машины;
  • дорогая цена запчастей, которые не всегда есть в наличии в сервисных центрах.

Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Принцип работы гибридных двигателей основан на комбинировании возможностей ДВС и электромотора. Бензиновый агрегат развивает максимальный крутящий момент на высоких оборотах, в то время, как электрический двигатель — на низких. Объединение установок позволяет исключить из конструкции механизмы преобразования механической энергии, увеличить КПД силового агрегата и снизить расход топлива.

Полная конструкция

Автомобиль с гибридным мотором устроен иначе, чем привычные машины с ДВС. Здесь под днищем находятся:

  • двигатель внутреннего сгорания;
  • один или несколько электрических моторов;
  • блок аккумуляторных батарей.
  • для управления и преобразования энергии установлен электронный блок с инвертором.

Источником энергии в гибридном двигателе служит ДВС, работающий на бензине или дизеле. Мощность, преобразованная генератором, запускает тяговый электродвигатель и заряжает аккумуляторные батареи. Именно от блока аккумуляторов электромотор получает дополнительное питание, если не будет хватать энергии генератора.

Инвертор преобразует постоянный ток высоковольтного аккумулятора в 3-фазный переменный ток большего напряжения. Энергия используется для:

  • управления электромотором;
  • обратной конвертации тока с генератора для подзарядки батареи;
  • питания бортовой электросети.

Конструктивно инвертор представляет собой корпус с набором электронных плат и транзисторными сборками.

Общий принцип работы гибридного автомобиля рассмотрим далее.

Функционирование двигателя

Режим совместной работы ДВС и электромотора зависит от конструктивного устройства гибридного силового агрегата и режима движения автомобиля. Так, в начале движения бензиновый двигатель не всегда нужно запускать. Машина тронется за счёт работы электрического мотора, питающегося от батареи.

Электромотор поддерживает работу автомобиля на холостом ходу: при стоянке на светофоре, временной остановке. В это время ДВС отключен, до те пор, пока хватает мощности электротяги. Обычно бензиновый мотор подключается на скорости 60км/ч. При больших нагрузках, например, для заезда в горку, понадобится двойное усилие обоих агрегатов. В таком режиме автомобиль сможет проехать более 500 км.

Отличительно, как работает гибридный двигатель во время торможения. Тормозная система привычного автомобиля с ДВС преобразует кинетическую энергию в тепловую, рассеивая её в воздухе. Гибриды оснащены системой рекуперации, т.е. возвращения. При замедлении движения электромотор переключается в режим генератора, отдавая электрическую энергию в аккумуляторную батарею.

Не паникуйте!

Интернет-форумы – чрезвычайно полезный источник информации о надежности автомобилей. Единственный существенный недостаток таких сообществ – паника при встрече с незначительными и редко встречающимися дефектами. В интернете легко найти многочисленные описания неисправностей, приключившихся с Приусом или Лексусом. Например, отказы инвертора – устройства, преобразующего постоянный ток в переменный.

Обычного читателя подобного рода сообщения приводят в ужас. Но паниковать не стоит, так как гибридных автомобилей в тысячи раз больше, чем драматичных случаев, число которых можно пересчитать по пальцам одной рукой. Просто каждая такая ситуация настолько необычная, что вызывает большой резонанс и создает ошибочное впечатление, что проблемы – обычное дело владельцев гибридов.

Тем не менее, опрошенные нами механики и собственники гибридных автомобилей, хотя и слышали о малоприятных сюрпризах, в реальности с ними не сталкивались. А один из крупнейших официальных сервисных центров Toyota за все время менял батарею высокого напряжения всего два раза, да и то на совершенно новых автомобилях из-за слишком долгого пребывания на таможне, где не осуществлялась подзарядка батареи, необходимая гибриду, как воздух для всего живого.

При слишком редком использовании автомобиля схожие ситуации возникают и среди владельцев Honda Civic IMA. Если емкость батареи падает ниже 30%, то компьютер выдает сообщение о том, что зарядка невозможна и необходима замены аккумулятора. Но это единичные случаи.

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.

В погоне за мощностью

Опрошенные RT эксперты считают, что развитие технологий электродвижения является общемировым трендом гражданской авиации, для которой ключевое значение имеют экономичный расход топлива и повышение экологических стандартов.

«Технологии движутся в сторону уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и экономичности. Гибридные силовые установки сейчас используются в автомобилях. Но ничего не мешает оснащать ими летательные аппараты. Естественно, этим стоит заниматься и в нашей стране», — заявил в беседе с RT обозреватель журнала «Арсенал Отечества» Дмитрий Дрозденко.

  • Экспериментальный комплекс авиационных двигателей ЦИАМ

В то же время эксперт обратил внимание, что на текущий момент перспективные электродвигатели не вырабатывают мощность, необходимую для обеспечения крейсерского полёта подавляющего большинства лайнеров гражданской авиации, включая Ил-114-300. 

В свою очередь, заслуженный пилот России, член комиссии при президенте по вопросам развития авиации Юрий Сытник подчеркнул в беседе с RT, что электродвигатель ЦИАМ и его модификации будут применяться в авиации лёгкого класса — в пассажирских перевозках, сельском хозяйстве и мониторинге территорий.

По словам эксперта, «на текущем этапе появление электродвигателей способно стать стимулом для развития малой авиации, а в перспективе технологии электродвижения будут применяться на узкофюзеляжных самолётах». 

Причины начала разработок

Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. Благодаря совершенствованию технологий и налоговым льготам производителям или покупателям гибридов такие автомобили иногда оказываются даже дешевле обычных. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются и другие льготы — в частности, освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе и бесплатными автостоянками и т. д.

Гибридные автомобили стали компромиссным решением таких недостатков электромобилей как значительная масса аккумуляторов и необходимость их длительной зарядки, недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций и недостаточная дальность пробега.

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.

  • 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.

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).


рекуперативного торможения

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.

Мне нравится1Не нравится

Что в итоге?

Покупка гибридного авто — отличный способ экономить топливо и заботиться об окружающей среде. Ничего страшного в приобретении автомобиля с гибридной установкой нет, главное при покупке авто все как следует проверить. Если вам попадется достойный экземпляр, поверьте, проблем с ним не будет. В принципе, при покупке обыкновенных авто с дизельным или бензиновым мотором, можно «попасть» на гораздо более серьезную сумму, нежели при покупке гибрида. Единственный недостаток в том, что обычное авто вам починят практически везде, а вот с гибридом не все так однозначно.

Текст: vopros-avto.ru

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации