Автомобиль с гибридным двигателем это не новое изобретение. Первый шаг в направлении создания гибридных транспортных средств, был сделан в 1665, когда Фердинанд Verbiest, Иезуитский священник, начал работу над планами постройки простых четырех колесных транспортных средств, которые могли бы работать на пару или конной тяге. Первые автомобили с гибридным двигателем появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.
Конечно все это были только прототипы и мелкосерийные автомобили. Однако сейчас острый недостаток нефти и экономический кризис подхлестнули разработку гибридных двигателей. А теперь давайте подробно разберемся что такое гибридный двигатель и какой от него толк? Гибридный двигатель - это система из двух двигателей -электрического и бензинового. В зависимости от режимов работы может включатся и бензиновый и электрический одновременно или по отдельности. Этот процесс управляется мощным компьютером, который принимает решение, что щас должно работать.Так при передвижении по трассам включается бензиновый двигатель, так как аккумулятора на трассе на долго не хватит. Если автомобиль двигается в городском режиме, то тут уже используется электродвигатель, при разгоне или больших нагрузках работают оба. Пока работает бензиновый двигатель заряжается аккумулятор. Такой двигатель даже с учётом того, что в системе используется бензиновый двигатель, позволяет сократить вредные выбросы в атмосферу на 90% и при этом существенно снижается потребление бензина в городе(на трассе работает только бензиновый двигатель, поэтому там экономии нету).
Начнем с того, как автомобиль трогается с места. При начале движения и на малых скоростях задействованы только аккумуляторная батарея и электродвигатели. Энергия, запасенная в батарее, поступает в энергетический центр, который, в свою очередь, направляет ее к электромоторам, заставляющим автомобиль плавно и бесшумно тронуться с места. После набора скорости к работе подключается двигатель внутреннего сгорания, и момент на ведущие колеса поступает одновременно от электродвигателей и ДВС. При этом часть энергии ДВС поступает к генератору, и теперь уже он питает электродвигатели, а излишки своей энергии отдает аккумуляторной батарее, утратившей часть запаса энергии в начале движения. При движении в нормальном режиме автоматически используется только передний привод, во всех остальных — полный. В режиме разгона момент на колеса поступает в основном от бензинового двигателя, а электромоторы при необходимости увеличения динамики дополняют ДВС. Один из самых интересных моментов — торможение. Электронные “мозги” автомобиля сами решают, когда нужно задействовать гидравлическую тормозную систему, а когда рекуперативное торможение, отдавая предпочтение последнему. То есть в момент нажатия педали тормоза они переводят электродвигатели в “генераторный” режим работы, и те создают тормозной момент на колесах, вырабатывая электроэнергию и подпитывая через энергетический центр аккумуляторную батарею. В этом и заключается изюминка “гибрида”.
В классических автомобилях энергия торможения теряется полностью, уходя как тепло через тормозные диски и другие детали. Использование энергии торможения особенно эффективно в городских условиях, когда приходится часто тормозить на светофорах. Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет и управляет работой всех систем активной безопасности.
Одним из первых удачных автомобилей оснащённых гибридным двигателем, который пошёл в массы стал разработанный компанией Toyota "Toyota Prius", расходующий 3,2 литра бензина на 100 км (в городе). Также компания Toyota выпустила и внедорожник с гибридным двигателем Lexus RX400h.Стоимость такого автомобиля в зависимости от комплектации колеблется от 68 до 77 тыс. долларов. Следует заметить тот факт, что первые версии Toyota Prius уступали автомобилям такого же класса и в скорости и в мощности, а вот Lexus RX400h уже не уступает своим одноклассникам ни в скорости ни в мощности.
Ведущие автомобильные концерны мира, так же обратили своё внимание на гибридные двигатели, как на решение проблемы экономии топлива и загрязнения окружающей среды. Так компания Volvo Group объявила о создании гибридного двигателя для грузовиков, тягачей, полуприцепов и автобусов. Разработчики компании рассчитывают на то, что их детище позволит получить 35% экономию топлива.
При всём при этом надо сказать, что гибридные автомобили "на Ура", пока что, пошли только в Северной Америке(Канада и США). И в Америке же всё больше на них растёт спрос, так как там до последних лет были популярны автомобили, которые потребляли много топлива, а так как топливо резко и круто начало дорожать американцы резко задумались об его экономии и как решение проблемы начали использовать именно автомобили с гибридными двигателями. В Европе к появлению гибридных двигателей отнеслись спокойно, так как там у них рулит экономный и более экологичный, чем бензиновый двигатель, старый добрый дизель. В отличии от США более 50% машин в Европе оснащены дизелями. К тому же дизельные автомобили дешевле гибридных, проще и надёжнее. Ведь всем известно, чем сложнее система, тем она менее надёжна! И вот именно из-за своей сложности и капризности, гибридных автомобилей практически нет на постсоветском пространстве. Официальные дилеры их сюда не завозят. И любой владелец такого авто у нас неминуемо столкнётся с проблемой СТО. Нет у нас СТО, которые бы занимались бы гибридными автомобилями. А уж сам такую машинку не починишь!
Благодаря своей экономичности и надежности гибридные автомобили Тойота вызывают огромный интерес у потребителя. Плавный ход и устойчивость на дороге, оказывается, далеко не все достоинства этого японского автомобиля. Отличные ходовые качества машины удивительно сочетаются с экономичным расходом топлива. Работу гибридного автомобиля Тойота Приус обеспечивают два источника мощности: электромотор и двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Давайте попробуем разобраться, каким образом при повышении мощности машина может расходовать бензин на уровне малолитражки. Устройство гибридного автомобиля Тойота Приус состоит из:
ДВС и электромотор могут работать одновременно, поочередно и дополнять друг друга при необходимости. В гибридном устройстве, крутящий силовой момент на колеса может передаваться от электромотора и ДВС напрямую в различных пропорциях.
Это осуществляется с помощью планетарного редуктора (делителя мощности), который состоит из набора шестерней. Четыре из них присоединены к бензиновому двигателю, а наружная — к электромотору. Еще один сателлит присоединен к генератору, который при необходимости посылает энергию на электромотор или заряжает батарею.
Одним из главных достоинств Приуса можно считать то, что в отличие от электромобилей, для зарядки гибридного автомобиля не требуется подключение к сети питания. Процессор, управляющий всеми действиями машины, подзаряжает при необходимости аккумулятор от ДВС.
Основная задача инженеров Toyota состояла в том, чтобы создать экономичную машину, которая на трассе не уступала бы мощным «железным коням», но при этом имела бы небольшой расход двигателя. Для этого было использовано сочетание ДВС и электромотора. Чтобы достичь максимальной эффективности, в Тойоте Приус оба источника мощности могут работать отдельно, вместе и параллельно.
Итак, принцип работы гибридного Тойота Приус. Запуск двигателя и разгон автомобиля производится с помощью тягового электромотора. Он вращает внешний сателлит планетарного редуктора и передавая, таким образом, крутящий момент на колеса. Но на аккумуляторе далеко не уедешь. Поэтому, как только автомобиль набрал скорость, в дело включается ДВС.
Совместное использование электромотора и ДВС позволяют добиться максимального КПД (коэффициента полезного действия) всей системы, поскольку. При нажатии на тормоз двигатель внутреннего сгорания отключается и происходит так называемое рекуперативное торможение (вся энергия от сопротивления преобразуется в электрическую), при котором электродвигатель, работая в режиме генератора, заряжает аккумуляторную батарею.
Если автомобилю снова требуется повышенная мощность, например для обгона, вновь включается электромотор, энергии которого вполне хватает для резкого набора скорости. Схемы работы гибридных автомобилей были рассчитаны для увеличения экономичности авто и снижения выброса углекислого газа в атмосферу. При повышении расхода топлива (при нажатии на педаль газа), управляющий компьютер посылает сигнал на делитель мощности и включает электрический источник, что позволяет ДВС работать в режиме без нагрузок.
Toyota обладают уникальной надежностью и гибкостью, поскольку управление движением производится большей частью по проводам, минуя использование сложных узлов и агрегатов. Кстати, в гибриде Тойота Приус генератор выполняет роль стартера, и помогает «раскрутить» ДВС до необходимых 1000 оборотов.
Тип двигателя Тойота гибрид — Hybrid Synergy Drive (гибридный синергетический привод), позволяющий сочетать два источника мощности: ДВС и электромотор. Давайте выясним, какие топливные двигатели устанавливаются на Приус.
В середине 50 годов прошлого столетия инженер Ральф Миллер предложил усовершенствовать идею Джеймса Аткинсона . Суть идеи выражалась в повышении эффективности ДВС путем сокращенного хода сжатия. Именно этот принцип, который теперь часто именуют циклом Миллера/Аткинсона, используется в гибридных двигателях компании Тойота.
Итак, Тойота Приус гибрид, как работает двигатель этого автомобиля. В отличие от других моделей ДВС, процесс сжатия в цилиндре начинается не в момент начала движения поршня вверх, а несколько позже. Поэтому перед закрытием впускных клапанов часть смеси из топлива и воздуха выходит обратно во впускной коллектор, что позволяет увеличить время, в которое используется энергия давления расширяющих газов. Все это обуславливает значительное повышение КПД двигателя, увеличение экономичности агрегата, а также повышает крутящий момент.
Расход Тойота Приус гибрид на 100 км в городском цикле составляет 3,9 л, по трассе — 3,7 литров.
Конструкция гибридного синергетического привода предусматривает использование тягового электродвигателя. Мощность электромотора Тойота Приус- 56 кВт, 162 Нм. Этот агрегат обеспечивает движение автомобиля со старта и до набора постоянной скорости, включается, когда машина идет на обгон и участвует в торможении. Вся система Тойоты Приус продумана до мельчайших деталей. Зарядка гибридного автомобиля осуществляется в процессе движения, от ДВС через управляющий генератор.
Гибрид оснащен двумя аккумуляторами (основным высоковольтным и вспомогательным), оба находятся в багажнике автомобиля. Основное устройство аккумуляторной батареи автомобиля изготовлено из никель-металл-гидридного сплава и имеет емкость 6,5 А/ч, напряжение 201, 6 В. Этот агрегат имеет собственную систему охлаждения. Внутри высоковольтной батареи находится контроллер, управляющий процессом зарядки каждой ячейки (блока) всего 168 ячеек.
Расход и восстановление энергии аккумулятора контролирует управляющий процессор автомобиля. Аккумуляторная батарея Тойоты Приус не требует подзарядки от электрической сети, этот процесс осуществляется во время движения и торможения (большей частью) транспортного средства.
Вспомогательный аккумулятор: 12 В (35 А/ч, 45 А/ч, 51 А/ч).
Несмотря на достаточно высокую стоимость, гибридные автомобили вызывают все больше интереса у покупателей. В сравнении с другими гибрид-автомобилями, Тойота Приус действительно потребляет значительно меньше топлива, и обладает низким уровнем выброса углекислого газа.
Увеличение числа автотранспорта в мире и ряд экологических проблем, с которыми столкнулось человечество последние пару десятилетий, привело к серьезным изменениям в сфере автомобильной промышленности.
Продиктованы они, в первую очередь, существенно ужесточившимися экологическими нормами и возросшей ценой топлива, в связи с чем автопроизводители вынуждены искать способы снизить количество токсических выбросов и общий расход топлива в автомобилях.
При этом, несмотря на появление электромобилей, разработок транспортных средств с топливными элементами, единственным действенным способом на сегодня оказалось создание машин с гибридными двигателями – наиболее простой путь «вписаться» в эконормы и предложить потребителю удобный в использовании продукт.
О том, что представляет собой рынок машин «гибридов» сегодня, мы и постараемся рассказать в данном материале, ведь сегодня многие потенциальные покупатели не представляют, что значит гибридный автомобиль и какие преимущества предлагает.
Принцип транспортного средства, построенного на гибридной схеме, весьма прост. В его основу положен принцип обычного бензогенератора, когда силовой агрегат транспортного средства вращает генератор и осуществляет зарядку тяговой батареи.
Видео — как устроен гибридный автомобиль:
В свою очередь, энергия батареи позволяет автомобилю какое-то время двигаться исключительно на электрической тяге с «нулевым» количеством токсичных выбросов. После того, как энергия в батареях иссякнет, в работу снова включается бензиновый мотор, который позволяет продолжать движение и при этом восполняет заряд в аккумуляторных батареях.
Надо сказать, что наряду с этой схемой существует и другая, носящая название plug-in hybrid. В ней аккумулятор заряжается не только от мотора, но и от обычной бытовой электросети, а его емкости достаточно для поездок на небольшие расстояния (как правило, около 30-40 километров). По факту это значит, что доехать до работы и обратно вы можете, совершенно не используя бензиновый двигатель (и, соответственно, не тратя топлива).
Наверняка многие зададутся вопросом, а для чего вообще «городить огород» с аккумуляторами, электромоторами, батареями и двигателем внутреннего сгорания? Что дает гибридная схема силовой установки?
Перед тем, как ответить на этот вопрос, стоит вспомнить, когда «традиционный» автомобиль расходует наибольшее количество топлива. Известно, что максимальный расход (и, соответственно, токсичность выбросов) приходится на этап разгона до крейсерской скорости, а также в городском режиме движения при частых разгонах-торможениях.
Видео — как можно улучшить гибридный автомобиль:
Таким образом, электропривод в машинах с гибридной силовой установкой вступает в действие именно в этих режимах. При полностью заряженной батарее «гибрид» начинает движение на электротяге, а при достижении определенного скоростного порога (в зависимости от модели он составляет от 20 до 40 километров в час) в действие вступает двигатель внутреннего сгорания.
При этом наиболее широкий ряд «гибридов» от Тойота представлен непосредственно в Японии и США. На внутрияпонском рынке машины продаются под маркой Тойота, а в Америке по традиции наиболее популярен Лексус (в России, надо сказать, наибольшая часть гибридных авто также продается под этой торговой маркой).
Наиболее насыщенным с точки зрения количества гибридных авто от Тойота по праву стоит считать рынок Японии. На него компания выводит все новейшие модели, на которых «обкатывает» технологии, которые должны пойти в серию на «глобальных» моделях.
В частности, флагманские модели типа Toyota Avalon и другие уже сегодня предлагают ряд технических новаций, связанных с увеличением надежности «гибридов», а также большим запасом хода от одного заряда батареи.
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.
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».
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.
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.
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:
Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:
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.
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 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.
Идея создания гибридного автомобиля с использованием электрического мотора появилась больше 100 лет назад. Гибридные автомобили выполняют несколько основных функций:
Гибридные автомобили и их устройство
Существуют умеренные и полные гибридные автомобили. Конструкция умеренных гибридов использует бензиновый двигатель как основной, а электрический источник питания подключает как подстраховку в редких случаях. Полные же гибриды подразумевают возможность использования альтернативного источника питания в качестве основного двигателя.
Существует несколько видов конструкций гибридов, отличаемых по способу подключения двигателя:
Последовательная схема подключения узлов
Параллельная схема подключения узлов
Последовательно-параллельная схема подключения узлов
Когда машина начинает движение, расходуется запас электромотора и аккумулятора. На высокой скорости к работе электрических источников энергии подключается бензиновый двигатель. В результате работы бензинового двигателя образуется некий излишек энергии, который подзаряжает генератор. От генератора питается электромотор, а он, в свою очередь, подзаряжает аккумулятор .
При торможении используется принцип рекуперативного торможения – электромотор в этом случае выполняет функцию генератора, подпитывая аккумулятор. Таким образом, энергия, полученная в результате торможения, используется на благо автомобиля.
Гибридный авто состоит из следующих основных узлов:
Устройство гибридного авто на примере Toyota Prius
Автомобиль гибрид предназначен, в первую очередь, для эффективного использования энергоресурса. Для достижения этого эффекта используется несколько приемов:
Индустрия гибридных авто активно развивается, ведь пока мы не можем говорить о совершенстве данных конструкций и их доступности. Рассмотрим более подробно некоторые преимущества и недостатки конструкций гибридных автомобилей:
Но существуют и некоторые недостатки, связанные с гибридными машинами:
Не смотря на некоторые недостатки, отрасль производства гибридных автомобилей динамично развивается и совершенствуется. С каждым новым сезоном производители представляют лучшие гибридные автомобили , обладающие более широким набором функций и более доступными для автолюбителей.
