Автомобили с гибридным двигателем, плюсы и минусы, принцип работы

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.

Принцип работы гибридных двигателей

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».

Список автомобилей с гибридными двигателями
Audi Q5 Hybrid
BMW Active Tourer
Chevrolet Volt
Ford Escape Hybrid (Fusion Hybrid)
Hyundai Sonata Hybrid
Honda CR-Z (Insight Hybrid)
Jaguar Land Rover
Mitsubishi Outlander PHEV
Nissan Altima Hybrid
Toyota Prius (Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid

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.

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.

Плюсы такой конструкции заключаются в следующем:

• 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.

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

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.
» alt=»»>

Разновидности гибридных автомобилей. Как они работают и чем отличаются друг от друга.

Гибридные автомобили навсегда и очень крепко обосновались на наших дорогах, и выбор гибрида вместо автомобиля с обычным двигателем внутреннего сгорания больше не считается прихотью или расточительностью. На самом деле, далеко не все знают, как работает гибридный автомобиль и какие у него преимущества.

Прежде чем мы рассмотрим устройство гибридного привода изнутри, давайте объясним цель его появления в автомобилях. За прошедшее столетие мы привыкли к автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Однако успех этого вида транспорта кроме удобства, является источником экологических проблем, таких как загрязнение воздуха в связи с высокими выбросами CO2.

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является его способность эффективно работать только в относительно небольшом диапазоне скоростей. Именно этот недостаток заставляет использовать дополнительные устройства в виде коробки передач и сцепления, без которых невозможно было бы получить динамичное ускорение и добиться высоких скоростей. Даже при оснащении автомобиля многоскоростной коробкой передач, двигатель внутреннего сгорания вынужден работать в неоптимальном диапазоне параметров, что лучше всего видно при перегрузке дизельных двигателей, создающих дымовую завесу во время ускорения. Эти неудобства может значительно облегчить или полностью устранить гибридный дизель-электрический привод.

Типы гибридных автомобилей

Первое, что нужно знать – существует три основных типа гибридов . Первый так называемый Последовательный гибрид , в котором двигатель внутреннего сгорания механически не связан с колесами транспортного средства, а является приводом для генератора, вырабатывающего электричество, которое подается на электродвигатель, приводящий в движение колеса. Кроме этого есть еще параллельный и последовательно-параллельный гибридные приводы, речь о них пойдет ниже.

Последовательный гибрид – принцип действия

Последовательная гибридная система может быть оборудована дополнительным аккумулятором, который накапливает избыточную энергию, которая поддерживает генератор при более высоких нагрузках: при запуске, ускорении или движении в гору. Последовательная система обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания в комфортном диапазоне параметров и плавное, динамичное вождение – электродвигатель обеспечивает максимальный крутящий момент с самого начала движения.

Недостатком такого решения является двойное преобразование энергии , генерируемой двигателем внутреннего сгорания: от механической к электрической в ​​генераторе и от электрической к механической в ​​электродвигателе, что связано с неизбежными дополнительными потерями.

Параллельный гибрид – как он работает?

Второй тип гибридного привода – это параллельный гибрид , также к нему применяется термин мягкий гибрид . В этом решении двигатель внутреннего сгорания механически соединен с колесами, и является основным источником привода, а электродвигатель, расположенный на валу, соединяющем двигатель внутреннего сгорания с трансмиссией, используется для его поддержки в ситуациях, требующих повышенного крутящего момента – во время резкого ускорения или движения в гору.

Такое решение позволяет намного улучшить динамику автомобиля с двигателем внутреннего сгорания небольшой мощности, а также обеспечить ему наиболее благоприятные условия работы и при этом значительно снизить расход топлива. Однако эта система не устраняет традиционные компоненты привода, такие как коробка передач. Мягкие гибридные автомобили не могут работать только на электромоторе.

Последовательно-параллельный гибрид – принцип действия

Третий тип – это последовательно-параллельный гибрид. Также его называют полным гибридом . Как следует из названия, он сочетает в себе черты предыдущих решений, а именно, двигатель внутреннего сгорания механически связан с колесами и может (но не обязательно) быть источником их привода. Также колеса приводятся в движение электродвигателем, который может питаться от генератора или аккумулятора, подключенного к двигателю внутреннего сгорания. Аккумулятор также используется для хранения энергии, получаемой во время торможения.

Такая концепция позволяет получить высокую эффективность системы при сохранении относительно простой конструкции, попутно характеризующейся высокой надежностью. Это решение было разработано компанией Toyota – первым гибридом такого рода стал Toyota Prius – и в настоящее время этот тип используется во всех гибридных моделях японского бренда. На сегодняшний день Toyota является крупнейшим производителем гибридных автомобилей в мире. Автомобили с последовательно-параллельной системой являются наиболее распространенным типом гибридов.

Устройство полной гибридной системы автомобиля.

Сердцем гибридной системы является специальная планетарная передача, которая соединяет двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель, соединенный с колесами. Эта трансмиссия суммирует крутящие моменты, создаваемые двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем, и делит частоту вращения вала двигателя внутреннего сгорания между колесами и генератором, таким образом, выступая в качестве бесступенчатой ​​трансмиссии с электронным управлением.

Задача электродвигателя – поддерживать двигатель внутреннего сгорания в самые тяжелые моменты – при запуске и ускорении. Полный гибридный привод позволяет ехать на самом электродвигателе, преодолевая короткие расстояния на городских скоростях без запуска бензинового двигателя и без расхода топлива. Благодаря эффективной системе рекуперации энергии от торможения нет необходимости заряжать гибриды от внешнего источника , поэтому каждый километр в электрическом режиме ничего не стоит, и к тому же значительно снижает средний расход топлива.

Преимущества использования гибридных автомобилей

Основным преимуществом гибридного автомобиля является экономия топлива без зарядки аккумулятора. Все, что вам нужно сделать, это заправиться. Как вы могли уже догадаться, чем больше мы тормозим, тем больше энергии генератор подает в аккумулятор. Вот почему гибриды – идеальные машины для города. Обычные автомобили в пробках потребляют во много раз больше топлива, чем при езде по маршруту с оптимальной скоростью, в то время как расход топлива в гибриде на перегруженных улицах может упасть примерно до 2 л/100 км.

Если вдуматься, система, состоящая из трех двигателей, может показаться сложной, но на самом деле это решение является очень простым. Бензиновый двигатель , работающий в экономичном цикле Аткинсона, никогда не перегружен и работает в оптимальном диапазоне оборотов . Гибридный автомобиль не нуждается в стартере, генераторе или сцеплении. Автоматическую планетарную коробку передач построить гораздо проще, чем популярные автоматические коробки передач с двойным сцеплением. Дополнительная мощность электродвигателей также означает, что вы можете отказаться от турбины, которая усложняет конструкцию обычных двигателей . Не требуется также сажевый фильтр или двухмассовый маховик. Система рекуперации энергии при торможении делает долговечнее традиционные тормоза, которые в гибридах используются намного реже. Все эти факторы приводят к большей долговечности гибридных автомобилей.

Система планетарной передачи и два электродвигателя-генератора представляют собой бесступенчатую трансмиссию с электронным управлением, которая называется e-CVT (электрическая бесступенчатая трансмиссия), и гибридный автомобиль приводится в движение так же, как и обычная машина.

Наличие тягового аккумулятора обычно вызывает сомнения в его долговечности и высокой стоимости возможной замены. На практике же, срок службы гибридной батареи рассчитан на весь период использования автомобиля. Это возможно благодаря точному контролю компьютера над зарядкой и разрядкой батареи – аккумулятор гибрида никогда не разряжается полностью и не перезаряжается выше нормы.

Процесс зарядки подключаемой гибридной машины

Все три типа гибридного привода не требуют зарядки аккумулятора от внешней сети. Но все же, каждый из них может быть выпущен в виде плагин-гибрида , оснащенного тяговым аккумулятором гораздо большей емкости. Это обеспечивает большую дальность поездки в электрическом режиме, обычно она составляет порядка 20-50 километров.

Toyota Prius Plug-in Hybrid – первый в своем роде автомобиль в линейке Toyota, под капотом которого скрывается последовательно-параллельный привод, который благодаря увеличенной батарее может проехать до 50 км на самом электродвигателе, а после этого работает, как и любой другой гибрид. Примером последовательного гибридного привода является Chevrolet Volt (Opel Ampera).

Зарядка плагин-гибрида является простой операцией – вам нужен источник питания – вилка или зарядное устройство и соответствующий кабель, наконечник которого подключается к порту в автомобиле. Гибридный автомобиль заряжается от сети переменного тока – будь то дома от обычной розетки или от так называемого зарядного устройства. Зарядка гибридного модуля постоянного тока с помощью быстрого зарядного устройства невозможна, поскольку в основном, в этих автомобилях установлены слишком маленькие аккумуляторы – мощностью около 10 кВт/ч. Для их зарядки обычно достаточно самого простого однофазного кабеля.

Где зарядить плагин-гибрид?

Самый простой способ в вашем собственном гараже – можно просто из розетки, хотя небольшая домашняя зарядка будет более удобной. Если вы хотите подзарядить автомобиль в течение дня, существует растущая сеть общественных зарядных устройств, некоторые из которых даже бесплатные, а за некоторые придется заплатить.

Субсидии для покупки гибридных автомобилей

Субсидии на гибридные автомобили являются одним из нескольких способов продвижения экологически чистых автомобилей, используемых в мире. К сожалению, такая поддержка доступна не во всех странах. Несмотря на это, гибридные автомобили все чаще предлагаются большинством производителей, а их продажи неуклонно растут. Наибольшую долю в этой части рынка занимает Toyota, и именно автомобили этой марки возглавляют рейтинги продаж гибридов.

Гибридные автомобили в настоящее время представлены практически во всех сегментах и типах кузовов – от городского Ярис до внедорожников и роскошных спортивных автомобилей, таких как Lexus LC или Porsche Panamera.

ВАС МОЖЕТ ЗАИНТЕРЕСОВАТЬ:

Не забывайте поставить оценку публикации. Ваше мнение всегда важно для автора. Понравилась статья — подписывайтесь на канал, делитесь с своими друзьями в соцсетях. Приятного просмотра.