Гибридные силовые установки – устройство и принцип работы.
)
)
)
)
)
)
 | | Первые патенты на автомобили с гибридными силовыми установками, в которых использовались два источника механической энергии (двигатель внутреннего сгорания и электромотор) появились в 1887 – 1907 гг. Но тогда идея опередила время. Сто лет спустя к ней вернулись. Как выглядят современные гибриды? |
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), устанавливаемый на автомобиль, должен обеспечивать движение во всех режимах эксплуатации. Так как для интенсивного разгона нужна большая мощность, чем для езды с постоянной скоростью, конструкторы вынуждены применять мотор с «запасом» мощности для работы в переменных режимах.
В результате большую часть времени ДВС работает в режимах частичных нагрузок, для которых характерен повышенный удельный расход топлива на единицу мощности. При замедлении или остановке кинетическая энергия обычного автомобиля не используется.
В городских пробках работающий двигатель значительно увеличивает концентрацию выхлопных газов в воздухе. Реализация режима «стоп-старт» (когда двигатель автоматически глушится при остановках и запускается при нажатии на педаль газа) требует изменения конструкции стартера (вместо обычного – стартер-генератор).
Прошлое
Первыми в семействе транспортных средств «гибридами», дошедшими до серийного производства, стали большегрузные карьерные самосвалы и тепловозы. Об экономии горючего или улучшении экологических показателей в данном случае никто не думал. Существовала проблема передачи большой мощности от двигателя к ведущим колесам, и ее решили своеобразным способом. ДВС приводил в действие электрический генератор. Вырабатываемая электроэнергия передавалась на электромоторы, связанные с каждым колесом через собственный редуктор.
Конструкции такого рода позволяли удовлетворить специфические требования к транспортным средствам. Но они оказались неэффективными с точки зрения рационального использования энергии. Причиной этого было многократное преобразование энергии – сначала химической энергии топлива в механическую, затем механической – в электрическую, и электрической – снова в механическую.
Настоящее
В конце прошлого столетия стремление конструкторов максимально сократить расход топлива и уменьшить вредные выбросы в атмосферу стало причиной возобновления интереса к альтернативным источникам энергии и автомобилям с гибридными силовыми установками.
Независимо от применяемой конструктивной схемы, существующие гибридные силовые установки включают в себя двигатель внутреннего сгорания (это может быть бензиновый, дизельный или водородный ДВС), электрические мотор и генератор (или мотор-генератор), аккумуляторную батарею, трансмиссию и систему управления.
Электродвигатели и ДВС используются по-разному, в зависимости от способа соединения этих элементов – последовательный, параллельный или смешанный. Следует отметить, что указанные термины касаются передачи энергии, а не способа соединения агрегатов.
При последовательном способе получения механической энергии ДВС приводит в действие генератор, работая на постоянных оборотах в наиболее оптимальном режиме. Вырабатываемое электричество вращает электромотор, а его избыток поступает на зарядку аккумулятора. Другими словами, происходит последовательное превращение энергии, и механической связи между ДВС и колесами нет. При разгоне, когда электроэнергии от генератора не хватает, на помощь приходит аккумулятор. Примером может служить даже отечественная гибридная «Таврия» с двигателем Lombardini, генератором, аккумуляторной батареей и тяговым электродвигателем, созданная в Институте электродинамики НАНУ (правда, пока в единственном экземпляре; подробнее см. «АЦ» № 25’2004 г.).
При параллельном способе ДВС и электродвигатель могут работать как одновременно, так и поодиночке. Синхронизирует их работу компьютерная система управления. Пример – Honda Civic Hybrid с системой Integrated Motor Assist. Электромотор шириной всего 60 мм вмонтирован между двигателем и трансмиссией (сцеплением) и напрямую связан с коленчатым валом двигателя. Во время движения в обычном цикле работает бензиновый агрегат. При запуске двигателя и разгоне автомобиль получает дополнительную энергию от электромотора. Электроэнергия хранится в 44-вольтовой аккумуляторной батарее.
При смешанной схеме крутящий момент передается к ведущим колесам через согласующий редуктор, причем ДВС или электродвигатель могут работать либо по отдельности, либо вместе. Момент включения моторов и другие процессы регулируются бортовым компьютером. Такая схема реализована в «гибридах» Toyota Prius и Lexus RX 330 Hybrid. У Toyota Prius крутящий момент на передние колеса передается через оригинальный планетарный делитель мощности, работающий по принципу бесступенчатой трансмиссии. У Lexus RX 330 Hybrid к аналогичной системе добавлен дополнительный электромотор для привода колес задней оси. У этих автомобилей трогание с места производится на «электротяге», а ДВС запускается после разгона до определенной скорости или при разряде аккумуляторной батареи.
В «гибриде» Mercedes-Benz S-Klasse Hybrid используется оригинальное решение, которое классифицировать достаточно сложно: два электродвигателя (один – между мотором и сцеплением, второй – между сцеплением и автоматической коробкой передач). Первый электромотор выполняет функции стартера, электродвигателя и генератора. Второй, благодаря введенному в схему сцеплению, целесообразно использовать без запуска ДВС при движении в пробках или в определенных районах города. При разгоне оба электродвигателя могут включаться в помощь ДВС.
Общим во всех конструкциях является то, что при торможении мотор-генератор вырабатывает электроэнергию, которая поступает на зарядку аккумуляторной батареи. Тем самым частично используется кинетическая энергия автомобиля (рекуперация энергии). Для получения большей мощности при меньших габаритах электродвигателей и сокращения электрических потерь повышают рабочее напряжение (от 44 до 500 В).
Будущее
Существует еще ряд конструкций гибридных силовых установок, которые пока находятся в стадии разработки. Например, вместо электродвигателя и аккумуляторной батареи можно применить гидравлический накопитель энергии и мотор-насос. При торможении специальный насос, используя кинетическую энергию автомобиля, перекачивает жидкость в резервуар-гидроаккумулятор и сжимает находящийся в нем газ. При трогании с места и разгоне насос превращается в гидравлический двигатель, использующий энергию расширения газа. Рабочая жидкость, проходя через гидравлический двигатель, сливается в резервуар низкого давления, где ожидает следующего торможения.
Другой вариант основывается на предположении, что помощь электродвигателя нужна только при старте с места. Поэтому авторы разработок предлагают дооснастить ДВС соосным электродвигателем-генератором и пакетом «ультраконденсаторов». Батарея конденсаторов заряжается от генератора при торможениях и обеспечивает работу мощного электродвигателя на протяжении примерно 20 секунд. Этого вполне хватает, чтобы разогнать машину до 100 км/час.
Препятствия
При всех очевидных преимуществах, у автомобилей с гибридными силовыми установками есть и недостатки. Кроме усложнения конструкции, они требуют наличия специального оборудования для обслуживания и ремонта. Необходима подготовка специалистов, причем не только для обслуживания, но и для оказания помощи в случае попадания такой машины в аварию. В США уже начали специально готовить к этому работников Службы спасения, так как в некоторых гибридных автомобилях используется опасное для жизни напряжение (до 500 В). Пока не опубликованы исследования по поводу дополнительных затрат на утилизацию аккумуляторных батарей. Тем не менее, владельцы «гибридов» уже получили существенные льготы. Таким образом власти стимулируют развитие подобных авто, и основная причина этого – стремление улучшить экологическую ситуацию в крупных городах и сокращение запасов невозобновляемых природных ресурсов.
| Преимущества гибридных силовых установок | |
| |
|
| Honda Civic – Hybrid | |
| |
|
| Гибрид своими руками | |
| |
|
)