Гібридні автомобілі, гідності автомобілів з гидридной установкою

1. Загальний опис силової установки

Давайте порівняємо автомобіль зі звичайним ДВС і електромобіль. Звичайний автомобіль здатний проїхати без дозаправки чотири-п'ять сотень кілометрів і при цьому отруїти атмосферу деяким об'ємом шкідливих речовин. Заправних станцій предостатньо в будь-якому регіоні, і поповнити запаси палива можна за лічені хвилини. Електромобіль може проїхати на одному заряді батарей близько 80-160 км. Він екологічно чистий, безшумний і практично бездоганний до того моменту, поки не настає черга підзарядки акумуляторів. У існуючих в наш час «електричних» машин цей процес триває кілька годин.

Гібридні автомобілі беруть все найкраще від обох моторів: ДВС і електричного. Гідність першого - в зручному енергоносії, рідкому паливі, а другого - в видатних моментних характеристиках. На відміну від ДВС, електромотор не потрібно заводити і «розкручувати». Він може «стояти і чекати" не споживаючи енергії. Але як тільки дали струм, відразу отримали максимальну тягу на колесах. Електродвигун ефективніше двигуна внутрішнього згоряння в режимі частих стартів і стопів (тобто при їзді в міському циклі). Двигун внутрішнього згоряння, навпаки, більш ефективний на постійних, оптимальних для даного двигуна оборотах.

У гібриді обидва двигуни працюють один на одного. ДВС крутить генератор і живить енергією електромотор. Той, в свою чергу, дозволяє ДВС працювати без різких розгінних навантажень, в найбільш сприятливих режимах. Практично всі сучасні гібриди мають систему рекуперації або, по-російськи, «повернення енергії». Суть її в тому, що при гальмуванні або при русі машини накатом, електродвигуни починають крутитися від коліс і працювати як генератори, заряджаючи батарею. Звідси - менший знос, екологічність і економічність (особливо в міському циклі.)

Отже, перед нами технологічний прогресивний автомобіль, в якому нівелюються недоліки і об'єднуються гідності двох моторів. Але. рано плескати в долоні, і послухаємо, що говорять скептики.

Розглянемо докладніше, якими бувають і як влаштовані гібриди.

За ступенем гібридизації їх ділять на «помірні», «повні» і plug-in. «Повний» в змозі рухатися лише на електриці, що не споживаючи палива. «Помірний» завжди задіює ДВС, а електромотор підключається, якщо потрібна додаткова потужність. Гібрид з підзарядкою (plug-in hybrid) - такий гібрид можна включати в розетку для підзарядки. В результаті власник подібного гібрида отримує всі переваги електричного автомобіля, без найбільшого недоліку: обмежений пробіг на одному заряді. Коли електричний заряд закінчується, підключається ДВС і автомобіль перетворюється в звичайний гібрид.

За принципом взаємодії електричної і паливної складових авто, гібридні приводи прийнято розділяти на три види: послідовний, паралельний і послідовно-паралельний.

2. Схеми роботи

2.1. послідовна схема

Це - найпростіша гібридна конфігурація. ДВС використовується тільки для приводу генератора, а вироблювана останнім електроенергія заряджає акумуляторну батарею і живить електродвигун, який і обертає провідні колеса. Це позбавляє від необхідності в коробці передач і зчепленні. Для підзарядки акумулятора також використовується рекуперативного гальмування. Свою назву схема отримала тому, що потік потужності надходить на провідні колеса, проходячи ряд послідовних перетворень. Від механічної енергії, що виробляється ДВС в електричну, що виробляється генератором, і знову в механічну. При цьому частина енергії неминуче втрачається. Послідовний гібрид дозволяє використовувати ДВС малої потужності, причому він постійно працює в діапазоні максимального ККД, або ж його можна зовсім відключити. При відключенні ДВС електродвигун і батарея в змозі забезпечити необхідну потужність для руху. Тому вони, на відміну від ДВС, повинні бути більш потужними, а, значить, вони мають і велику вартість. Найбільш ефективна послідовна схема при русі в режимі частих зупинок, гальмувань і прискорень, рух на низькій швидкості, тобто в місті. Тому використовують її в міських автобусах та інших видах міського транспорту. За таким принципом працюють також великі кар'єрні самоскиди, де необхідно передати великий крутний момент на колеса, і не потрібні високі швидкості руху.

Тут провідні колеса приводяться в рух і ДВС, і електродвигуном (який повинен бути оборотним, тобто може працювати в якості генератора). Для їх узгодженої паралельної роботи використовується комп'ютерне управління. При цьому зберігається необхідність у звичайній трансмісії, і двигуну доводиться працювати в неефективних перехідних режимах. Момент, що надходить від двох джерел, розподіляється в залежності від умов руху: в перехідних режимах (старт, прискорення) в допомогу ДВС підключається електродвигун, а в усталених режимах і при гальмуванні він працює як генератор, заряджаючи акумулятор. Таким чином, в паралельних гібридах більшу частину часу працює ДВС, а електродвигун використовується для допомоги йому. Тому паралельні гібриди можуть використовувати меншу акумуляторну батарею, в порівнянні з послідовними. Так як ДВС безпосередньо пов'язаний з колесами, то і втрати потужності значно менше, ніж в послідовному гібриді. Подібна конструкція досить проста, але її недоліком є ​​те, що оборотна машина паралельного гібрида не може одночасно приводити в рух колеса і заряджати батарею. Паралельні гібриди ефективні на шосе, але малоефективні в місті. Незважаючи на простоту реалізації цієї схеми, вона не дозволяє значно поліпшити як екологічні параметри, так і ефективність використання ДВС.
Прихильником такої схеми гібридів є компанія "Хонда". Їх гібридна система отримала назву Integrated Motor Assist (Інтегрований помічник двигуна). Вона передбачає, перш за все, створення бензинового двигуна зі збільшеним ККД І тільки тоді, коли двигуну стає важко, на допомогу йому повинен приходити електричний мотор. В цьому випадку система не вимагає складного і дорогого силового блоку управління, і, отже, собівартість такого автомобіля виявляється нижче. Система IMA складається з бензинового двигуна (який надає основний ресурс потужності), електромотора, який надає додаткову потужність і додаткової батареї для електромотора. Коли автомобіль з звичайним бензиновим двигуном сповільнюється, його кінетична енергія гаситься опором мотора (гальмування двигуном) або розсіюється у вигляді тепла при нагріванні гальмівних дисків і барабанів. Автомобіль з системою IMA починає гальмувати електромотором. Таким чином, електромотор працює як генератор, виробляючи електрику. Збережена при гальмуванні енергія запасається в батареї. І коли автомобіль знову почне прискорюватися, батарея віддасть всю накопичену енергію на розкрутку електромотора, який знову перейде на свої тягові функції. А витрата бензину зменшиться рівно настільки, скільки енергії було припасено при попередніх гальмуваннях. Загалом, в компанії Honda вважають, що гібридна система повинна бути максимально простою, електричний мотор виконує лише одну функцію - допомагає двигуну внутрішнього згоряння заощадити якомога більше пального. Honda випускає дві гібридні моделі: Insight і Civic.

3. Переваги автомобілів з гібридною установкою

3.1. Економна експлуатація

Економна експлуатація - головна перевага гібридів. Щоб досягти її, необхідно було шукати баланс, тобто зрівноважити всі технічні показники машини, але при цьому зберегти всі корисні параметри звичайного автомобіля: його потужність, швидкість, здатність до швидкого розгону, і безліч інших, дуже важливих характеристик, закладених в сучасних автомобілях. Мало того, здатність накопичувати енергію, в тому числі і не втрачати даремно кінетичну енергію руху під час гальмування, а заряджати акумуляторні батареї, крім основних явних переваг, привнесло автолюбителям деякі побічні «дрібні радості», наприклад, менший знос гальмівних колодок.

Як була досягнута економія:
-зниженням об'єму і потужності двигуна;
-робота двигуна в оптимальному і рівномірному режимі, в набагато меншій залежності від умов їзди;
-повна зупинка роботи двигуна, коли це необхідно;
-можливість руху тільки на електродвигунах;
-рекуперативного гальмування з зарядкою акумулятора.

Вся ця система до такого ступеня складна, що стала можлива повною мірою тільки в сучасних умовах, із застосуванням досить непростих алгоритмів роботи бортового комп'ютера. Навіть правильне і ефективне (з точки зору безпеки) гальмування управляється бортовим комп'ютером.

3.2. екологічна чистота

Зниження витрати вуглецевого палива, негайно позначилося на екологічній чистоті. Повна зупинка роботи двигунів в місцях скупчення автомобілів на дорогах міст, і перш за все в пробках, має саму першорядну роль. Застосування ж акумуляторних батарей, набагато меншої ємності, ніж в електромобілях, знизила проблему утилізації використаних акумуляторів. Розвиток гібридної технології в громадському транспорті, і для вантажних автомобілів, ще більше поліпшить екологічну обстановку міст.

3.3. Хороші ходові характеристики

Тепер немає необхідності встановлювати двигун з розрахунку пікових навантажень експлуатації. У момент, коли необхідне різке посилення тягового навантаження, в роботу включаються одночасно як електро-, так і звичайний двигун (а в деяких моделях і додатковий електродвигун). Це дозволяє заощадити на установці менш потужного двигуна внутрішнього згоряння, що працює основний час в найбільш сприятливому для себе режимі. Таке рівномірне перерозподіл і накопичення потужності, з подальшим швидким використанням, дозволяє використовувати гібридні установки в автомобілях спортивного класу і позашляховиках. Незважаючи на те, що електродвигуни мають досить сильним крутним моментом в перерахунку на масу і габарити двигуна, в порівнянні з іншими двигунами, розробники все ж в ряді моделей встановлюють не надто потужні електродвигуни, зменшуючи їх габарити. При цьому, з метою підсумовування потужностей, застосовуються комбіновані схеми передачі крутного моменту, з прямою передачею механічного крутного моменту, безпосередньо від двигуна. Така схема називається «гибридно-спільний привід».

3.4. Збільшення дальності пробігу

Час - це найцінніший ресурс для людини. Виняток половини заїздів на заправні станції, і навіть більшої кількості таких заїздів, при їзді по місту, вивільняє у автовласника деяку кількість часу для інших великих і важливих справ.

3.5. Збереження і повторне використання енергії

Усунутий головний недолік двигуна на вуглецевому паливі - неможливість повернення енергії назад в вуглецеве паливо. Інженери з транспорту давно намагалися зберегти енергію руху при гальмуванні, щоб її повторно використовувати. Наприклад, застосовувалися спеціальні конструкції з великим маховиком. Але тільки електричну енергію вдається зберегти з самими мінімальними втратами і максимально дешево. Як накопичувач застосовуються як акумулятори, так і спеціальні конденсатори.

3.6. Звичайна заправка паливом

4.Недостаткі автомобілів з гібридною установкою

4.1. висока складність

Гібридні автомобілі складніше і дорожче традиційних автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння. Акумуляторні батареї мають невеликий діапазон робочих температур, схильні до саморазряду. Крім того, вони дорожче в ремонті. Досвід автоіндустрії США говорить про те, що автомеханіки беруться за ремонт гібридних автомобілів з великим небажанням. США намагаються вирішити проблему дорожнечі податковими пільгами.
Далеко не всі великі автовиробники змогли створити власну гібридну систему. Компанія Porsche відмовилася від спроб самостійного виробництва гібридного автомобіля. Компанія Mitsubishi спочатку не намагалася створити гібридний автомобіль, а сконцентрувала всі свої зусилля на розробці електромобілів. Найбільш вдала на сьогодні серійна розробка - Hybrid Synergy Drive (вимовляється [ха? Йбрід сі? Неджи драйв]) компанією Toyota.

4.2. Утилізація акумуляторів

Гібридні автомобілі, як і електромобілі, хоч і в меншому ступені, схильні до проблеми утилізації акумуляторів. Вплив викидаються акумуляторів на навколишнє середовище, мабуть, ніхто не досліджував. Але ж воно може бути небезпечним.

4.3. Висока вартість деяких моделей.

Природно складність і "нетрадиційність" створення деяких моделей тягне за собою збільшення ціни на автомобілі.