Как устроен авто гибрид
Как устроены гибридные автомобили
Гибридная силовая установка сочетает двигатель внутреннего сгорания и электромотор, что обеспечивает меньший расход топлива и снижает токсичность выхлопных газов. Однако чем экономичнее гибридный автомобиль, тем более ёмкие аккумуляторы ему требуются и, следовательно, тем выше его цена.
В зависимости от того, какую роль в силовой установке играет электромотор, гибриды делятся на умеренные (mild hybrids) и полные (full hybrids). У первых электромотор служит помощником двигателю внутреннего сгорания, как, например, у хэтчбека Honda Insight. Вторые способны проехать некоторое расстояние на одной электротяге, как Lexus RX 400h. Есть ещё якобы микрогибриды — придуманный маркетологами термин для рекламы системы start/stop. Но последняя по сути — генератор с расширенными функциями. А мы говорим о схемах, где электродвигатели передают крутящий момент на колёса.
Существует также три основные схемы устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная. Последовательная гибридная схема появилась первой (её придумал в 1899 году сам Фердинанд Порше), но в легковых автомобилях распространена меньше. По ней, например, построены силовые агрегаты карьерных самосвалов, некоторых автобусов и локомотивов. В последовательной схеме колёса приводит в движение электромотор, а малолитражный ДВС крутит генератор, вырабатывающий электроэнергию. Тут отсутствует необходимость в коробке передач и мощном двигателе внутреннего сгорания. Зато требуются аккумуляторы, как правило, никель-металлогидридные, большой ёмкости.
Самая распространённая сейчас схема — параллельная. Она запатентована ещё в 1905 году немцем Генри Пипером. Ей отвечают почти все умеренные гибриды. Они оснащаются мощным электромотором ( кВт), который помогает двигателю внутреннего сгорания при разгоне, а при торможении запасает рекуперативную энергию. В качестве трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача.
Но компания Honda нашла возможным оснастить своё бензоэлектрическое купе шестиступенчатой «механикой». В качестве источника питания используются литиево-ионные или литиево-полимерные аккумуляторы. Умеренные гибриды не требуют ёмких батарей на борту, благодаря чему доступны по цене. Однако некоторые автопроизводители присматриваются к дорогущим суперконденсаторам, которые способны кратковременно отдавать ток очень высокой мощности.
Распространены также смешанные, или, как их ещё называют, последовательно-параллельные гибриды. Классические представители этого семейства — хэтчбек Toyota Prius и Лексусы с индексом h, оснащённые фирменным «синергитическим» приводом HSD (Hybrid Synergy Drive). Чтобы объяснить принцип его работы мы приводим ниже наглядную демонстрацию.
Благодаря планетарной передаче и возникает синергия — взаимодействие двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Тут ДВС крутит колёса в паре с электромотором, одновременно вращая генератор. В традиционной коробке передач нет необходимости: электроника регулирует обороты моторов и генератора, превращая такую систему в бесступенчатую трансмиссию ECVT.
Большинство двигателей, установленных на гибридах, — бензиновые. Многие работают по циклу Аткинсона с более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели. Распространение, казалось бы, более экономичных дизельэлектрических силовых установок сдерживает прежде всего то, что большинство гибридов продаются в не знакомой с дизелем Америке. Кроме того, дизельный мотор дороже бензинового, а это лишь увеличивает немалую цену гибрида.
Евгений Багдасаров, 30 октября 2009 в 18:44. Фото из архива редакции и фирм-производителей
Как устроен и работает гибридный двигатель автомобиля
Главный силовой агрегат современных машин – двигатель внутреннего сгорания. Но в условиях истощения залежей нефти, роста требований к экологической чистоте топлива инженеры прибегают к новым технологиям. Полный отказ от углеводородного топлива или снижение его расхода обеспечивают электрический мотор или гибридный машинный двигатель. Последнюю деталь устанавливают на современных авто.
История гибридных двигателей
Гибридный автомобильный двигатель – это система из бензинового мотора внутреннего сгорания и электродвигателя. Впервые выпуском подобного транспорта занялся бренд Parisienne des Voitures Electriques в 1897 году. Американская компания General Electric приступила к производству гибридов с 1900 году. Инженеры корпорации создали машину с четырехцилиндровым двигателем на бензине. Абсолютно новый вид транспорта был экономически нецелесообразным по причинам низкой мощности и дешевизны топлива.
Интересно знать! Грузовики-гибриды несерийно выпускались в Чикаго до 1940-х годов.
Ввиду ухудшения экологической обстановки, подорожания топлива для ДВС идея создания смешанных силовых агрегатов стала актуальной в наше время. Серийное производство гибридов практически первыми наладил бренд Тойота. Авто Toyota Prius liftback были выпущены в 1997 году. В 1999 Хонда презентовала модель Insight. На 2014 год количество гибридов составило более 7 млн.
Принцип работы и устройство гибридных двигателей
Современные инженеры подробно объясняют, что же такое мотор-гибрид в машине. Двигатель представляет собой систему из бензиновой (дизельной) и электрической силовых установок. Для полноценной работы цепи задействуются другие узлы с компьютерным управлением.
Полная конструкция гибрида
Понять, как же работает современный гибридный автомобильный двигатель, поможет описание его устройства. Мотор состоит из:
Функционирование двигателя-гибрида
Принцип бесперебойной работы современного гибридного двигателя основывается на отдельном или одновременном функционировании ДВС и электромотора. Для управления системой применяется бортовой компьютер. Прибор по режиму движения определяет вид активного силового агрегата:
Важно! В процессе работы ДВС происходит зарядка электрического мотора.
Схемы взаимодействия мотора и ДВС
Развитие технологии гибридных двигателей привело к реализации нескольких вариантов взаимодействия электроагрегата и стандартного мотора.
Последовательная схема
В схеме series hybrid ДВС активирует генератор, вырабатывающий энергию для запитки электрического двигателя, вращающего колеса. Последовательный автомобиль-гибрид задействует маломощный ДВС, но только в условиях максимального КПД. Модели-малолитражки выпускаются с большой АКБ.
Параллельная схема
Оснащение машины системой parallel hybrid обеспечивает вращение колес от бензинового и электрического мотора. Электрическая установка также выполняет функции стартера и генератора, располагается между коробкой передач и ДВС. Дополнительная мощность создается электродвигателем в зависимости от режима езды. Аккумуляторные батареи отличаются компактностью, заряжаются при движении машины.
Подробное описание параллельной схемы для гибридной силовой моторной установки современного автомобиля отмечает ее недостаток. Электрический двигатель не выполняет одновременное вращение колеса и зарядку батареи.
Последовательно-параллельная схема
Смешанный гибрид совмещает последовательную и параллельную схему работы. Электрические агрегаты работают как генератор, создавая электроэнергию и как мотор, создавая тягу. Для объединения двигателей используется планетарный редуктор. ДВС вырабатывает минимум мощности при цикле Аткинсона, что обеспечивает экономию топлива. Устройство параллельно-последовательной схемы и принцип для работы смешанного гибридного двигателя предполагают:
Важно! Наиболее эффективно принцип комбинированной тяги реализован у бренда Тойота и называется Hybrid Synergy Drive.
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:
К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:
Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.
Типы гибридных агрегатов
Гибридный современный двигатель – экономичный и экологичный агрегат, но полностью разобраться, что же это такое, поможет обзор вариантов исполнения основной конструкции:
Классификация по степени электрификации
В зависимости от электрификации существует несколько видов гибридных машин.
Микрогибрид
У моделей есть функции рекуперации энергии во время торможения, автоматика типа стоп-старт. Микрогибриды подразделяются на три типа:
При экономичности топлива и экологичности, электрического воздействия на привод не происходит.
Важно! Данный транспорт нельзя назвать гибридными машинами на 100 %.
Мягкий гибрид
Что же такое мягкий двигатель типа гибрид? Электрическая силовая установка обеспечивает поддержку ДВС, работа в режиме чистого электричества не осуществляется. Рекуперация происходит только при торможении. Конструкция моделей не предусматривает маховика, на его месте находится стартер-генератор. Мягкие гибриды отличаются небольшой мощностью, которая компенсируется электрической частью только при ускорении или разгоне.
Интересно знать! Система Kinetic Energy Recovery мягкогибридных машин также используется в Формуле-1.
Полный гибрид
Электрическая часть задействуется в режиме поездок по городу, на высоких скоростях работает стандартный ДВС. Схема соединения электромотора с двигателем внутреннего сгорания реализуется последовательным, комбинированным или разветвленным способом.
Транспортное средство не заряжается от сети, а только в процессе рекуперации. При разрядке литий-ионного аккумулятора можно переключиться на ДВС.
Гибриды-плагины
Что такое plug-in и надежный ли это гибридный автомобильный двигатель? Электрическая часть осуществляет сбор энергии для заряда батареи, совместно с двигателем внутреннего сгорания обеспечивает вращение колес.
Инновационные модели двигаются при задействовании усилий двух моторов, отличаются объемной мощной батарей (от 70 до 100 лошадей). Рядом с люком бензобака расположен порт для зарядки от розетки. Особенность плагинов – преодоление расстояния до 50 км только на электрической тяге.
Привод дополнительных аксессуаров в автомобилях с полным гибридным приводом
Конструкционные доработки привода дополнительных агрегатов заключались в том, чтобы компоненты работали не от ДВС, а от электричества. Приводная часть полногибридных моделей включает следующие элементы:
Перспективы автомобилей-гибридов
Новизна технологии совмещенного мотора приводит к неполному пониманию автолюбителями, что же такое и как работает гибридный двигатель на подобном автомобиле. С учетом 20-летних разработок бренда Тойота у гибридов есть множество перспектив развития. Машины с облегченным кузовом, емкими и компактными аккумуляторами, простой и быстрой зарядкой, усовершенствованным режимом рекуперации в ближайшем будущем завоюют рынок.
У гибридных авто ДВС не подвергается критическим нагрузкам, а с учетом цикла Аткинсона его моторесурс выше, чем у стандартного двигателя. Для сокращения расходов на топливо машины оснащаются ГБО, совместимыми с электронными блоками управления. При внешней схожести с бензиновой техникой автовладельцы сталкиваются со сложностью обслуживания и огромным разбегом стоимости. Даже при отсутствии поломок и значительном пробеге цена машины окупиться через 5 лет. Но минимальные затраты на горючее стоят таких вложений.
Однако, будущее гибридного транспорта – только за моделями plug-in, которые реально экономят топливо. Плагины привлекательны бесшумным плавным электродвигателем, динамикой бензинового мотора, обеспеченной массивным электрическим бустом. Чтобы использовать машину полноценно, необходимо развитие зарядной инфраструктуры – установка специальных розеток на АЗС.
Всё о гибридах: как они устроены и какими бывают
Гибридные автомобили уже перестали вызывать удивление на улицах, но их конструкция до сих пор является для многих загадкой
Ответить на вопрос об устройстве современного гибрида одновременно и просто, и сложно. В общем понимании, это автомобиль, силовая установка которого состоит из электромотора и двигателя внутреннего сгорания, которые так или иначе совместными усилиями вращают колёса. Этого достаточно, чтобы объяснить любому непосвящённому, что значит загадочное слово Hybrid на кузове обычной с виду машины. Но стоит копнуть глубже — и голова идёт кругом от того, какое количество технических решений и вариантов компоновок наворотили создатели современных гибридов! Запутаться в обилии терминов и инженерных решений проще простого, но в нашем материале мы разобрались, какими вообще бывают гибриды и как они все устроены. Первый критерий, по которому можно разделить все гибридные автомобили, — насколько развита их способность двигаться на электротяге.
Микрогибриды — простейшая форма гибридной жизни
Самая примитивная форма гибридизации — это продвинутая версия системы «старт-стоп». Здесь никакие электромоторы не толкают автомобиль вперёд, и гибридной такая технология является достаточно условно, поэтому сразу выделим микрогибриды в особую категорию вне всяких классификаций. В таких автомобилях специальный мощный стартер способен не только раскручивать двигатель для запуска, но и работать как генератор при рекуперативном торможении. Собираем «бесплатное» электричество — экономим на паразитной нагрузке ДВС (у которого нет необходимости вырабатывать бортовое электричество в дополнение к основным тяговым обязанностям), а значит и расходе топлива. Подобранная буквально с дороги и сохранённая в усиленной батарее и/или специальном накопителе электроэнергия идёт потом на перезапуск двигателя внутреннего сгорания при работе системы «старт-стоп», питание климатической установки, электроприводов, светотехники и других бортовых устройств, а сэкономленное на этом топливо — на дополнительные километры пробега. Подобные технологии используют многие производители: это i-ELOOP от Mazda, e-HDI от Peugeot, Blue Drive от Hyundai и другие.
Производители заявляют, что микрогибридная технология позволяет экономить до 10-15% топлива
Высшая степень электрификации: гибриды типа plug-in
Но настоящие, полноценные гибриды всё-таки способны на большее, как с точки зрения экономии топлива, так и в плане тяговых возможностей. Всё потому, что их электродвигатели не только собирают электроэнергию в роли генераторов для зарядки батарей, но и вращают колёса совместно с двигателем внутреннего сгорания. Только делают это по-разному. Самые совершенные конструкции обеспечивают возможность двигаться как с помощью совместных усилий ДВС и электромотора, так и на чистой электротяге, причём достаточно продолжительное время. Для этого их батарея имеет увеличенный объём, электромотор — высокую мощность (70-100 л.с. и выше), а наряду с лючком бензобака в кузове имеется и порт для подключения электрического шнура для зарядки от обычной розетки. Это решение получило общераспространённое обозначение plug-in (плаг-ин) и по своей сути представляет собой промежуточное звено между традиционными автомобилями и электрическими
Всё потому, что благодаря в разы более объёмной, чем у обычных гибридов, батарее «плагины» могут преодолевать на электротяге без единой вспышки в цилиндрах ДВС до 50 километров. Это вполне приличная по городским меркам дистанция, безвредно для окружающей среды повторять которую можно снова и снова при условии регулярной «дозаправки» батарей из розетки. Но усреднённый показатель с учётом условий движения и разницы в технических характеристиках — около 25-30 км. Что тоже, впрочем, немало. Ведь способность полноценно передвигаться на электричестве в коротких городских поездках является серьёзным конкурентным преимуществом перед другими, более простыми гибридами, которые едва ли доедут на электротяге до следующего светофора!
Меньшая степень электрификации: полные и умеренные гибриды
Гибридные автомобили, которые не умеют заряжаться от розетки, также делятся на подвиды: это полные и так называемые умеренные (mild в англоязычных источниках). Первые благодаря большему объёму батарей, большей мощности электромотора способны двигаться исключительно на электротяге обычно в пределах 2-4 километров, а вторые используют слабенький электромотор только в качестве помощника для ДВС и «на батарейках» (ввиду их скромного объёма и общей примитивной конструкции системы) не способны проехать и метра. При этом умеренные гибриды запасают энергию только посредством рекуперативного торможения, а полные ещё и с помощью двигателя внутреннего сгорания, соединённого, как правило, с отдельным генератором.
Типичный представитель класса умеренных гибридов — Honda Civic Hybrid, CR-Z и все остальные «Хонды», использующие фирменную технологию IMA (Integrated Motor Assist). Умеренными гибридами также являются американцы Buick LaCrosse, Chevrolet Malibu и Impala, BMW ActiveHybrid 7. А ещё умеренным гибридом является… гиперкар Ferrari LaFerrari! Ему ни к чему чистая электрическая тяга, а вот дополнительная мощность в 163 л.с. в дополнение к бензиновым 800 будет очень кстати!
Идеологически умеренные гибриды ближе к классу микрогибридов и часто понимаются как единое целое. Хотя различие между ними всё же есть: в отличие от умеренных, микрогибриды неспособны поддержать бензиновый двигатель своей тягой. Полные же гибриды концептуально стремятся к классу «плагинов» и кратковременно способны произвести на неподготовленного человека примерно такое же впечатление — могут ведь ехать бесшумно! Однако реальное использование чётко обозначает пропасть между потребительскими качествами первых и вторых, если, конечно, использовать преимущество зарядки от розетки гибрида типа plug-in.
Все гибриды также делятся на подвиды в зависимости от того, какой двигатель непосредственно вращает колёса. Здесь мы переходим ко второму основному критерию классификации гибридных машин — компоновке.
Умеренные гибриды ещё и едут более чем умеренно, так как электродвигатели там применяются слабые (10-20 кВт), максимальный запас электроэнергии ничтожен, а масса выше, чем у не гибридных версий той же модели. Впрочем, то же самое, только в чуть меньшей степени, можно сказать и про большинство полных гибридов. Взять хотя бы наши впечатления от теста гибридного Nissan Pathfinder нового поколения
Компоновка: последовательные гибриды
В случае, когда двигатель внутреннего сгорания в принципе не вращает колёса механическим способом, гибрид представляет собой по сути электромобиль с бортовым генератором электричества, роль которого и исполняет ДВС. Такие гибриды принято именовать последовательными. Эта схема отличается простотой, так как нет необходимости сооружать сложную трансмиссию — электромоторы вращают колёса через единственную главную передачу, которая служит для формирования нужного крутящего момента. Но класс последовательных гибридов сегодня представлен единичными моделями, так как эффективность подобного решения неоднозначна. Ведь энергию сгорания топлива приходится преобразовывать сначала в механическую, потом механическую в электрическую, а в конце электрическую — в работу непосредственно на колёсах
Поэтому функционирующий по такой схеме гибрид должен обязательно иметь хорошо развитые электрические способности. Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников упомянем, прежде всего, Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 километров (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой чисто электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором между ДВС и трансмиссией
Но если вышеупомянутая схема по своей сути ближе к электромобилю, то такие автомобили, как Porsche Panamera S E-Hybrid и Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE и Passat GTE, Mercedes-Benz S 500 e и С 350 e, BMW X5 xDrive40e и другие сочетают в себе привычные нам свойства бензиновых машин и способность проехать получасовой маршрут на электричестве. Для того, чтобы сохранить все «бензиновые» преимущества, мощные моторы таких машин имеют жёсткую связь с колёсами. Электродвигатель не нарушает привычную компоновку этих моделей, потому как встроен в коробку передач, и при необходимости мощности ДВС и электромотора суммируются. Эта схема называется параллельной, так как моторы обоих типов работают одновременно. В зависимости от выбранного водителем режима, бензиновый мотор может либо вращать колёса совместно с электродвигателем, либо последний будет работать в качестве генератора и запасать электричество в батарее на будущее. Чисто электрический режим реализован посредством сцепления между трансмиссией и ДВС: если оно разомкнуто, то электромотор вращает колёса в одиночку.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором отдельно от ДВС и трансмиссии
Отдельно стоит достаточно обширная и одновременно разношёрстная группа гибридных автомобилей, у которых один или несколько электромоторов не сблокированы с коробкой передач и двигателем, а вынесены на периферию. Первопроходцем в таких решениях стала компания Toyota со своей технологией HSD (Hybrid Synergy Drive), которая лежит в основе подавляющего большинства бензиново-электрических Toyota и Lexus. Это очень сложная и достаточно эффективная конструкция: помимо батареи и обслуживающей систему электрики, она состоит из двигателя внутреннего сгорания и двух электромоторов, объединённых посредством планетарной передачи. Планетарная передача — это механическая конструкция из нескольких шестерён и осей, которая объединяет, разделяет и преобразует крутящий момент от нескольких источников.
Один из электромоторов системы служит стартером и генератором, а второй является тяговым и рекуперирующим электричество при замедлении. Благодаря особенностям планетарного механизма, ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора. Для подробного разбора устройства гибридной установки Toyota потребуется отдельный большой материал, а в рамках этого общего нужно понимать главное: традиционная трансмиссия здесь заменяется планетарной передачей и контролирующей силовые модули (ДВС и два электромотора-генератора) электроникой — в зависимости от потребностей водителя, тяговый электромотор выдаёт определённую мощность отдельно или совместно с двигателем внутреннего сгорания, а избыточная тяга последнего средствами планетарного механизма идёт на вращение второго мотора-генератора и, соответственно, зарядку основной батареи.
Однако не одна только Toyota решилась на инженерные извращения в области гибридов. Несколько более простую схему разнесённых ДВС и электромоторов используют Volvo и Peugeot для создания гибридных полноприводников. Идея проста и одновременно красива: переднюю ось пусть приводит турбодизель (ещё одно экзотическое решение в мире питающихся обычно бензином гибридов), а заднюю — электродвигатель. При необходимости (или по принуждению водителя) включения полного привода гибрид начинает работать как последовательно-параллельный: ДВС одновременно вращает через обычную автоматическую коробку передач переднюю ось и питает через генератор электромотор, который крутит колёса задней оси. В чистом же электрорежиме автомобиль является заднеприводным. Volvo V60 Plug-In Hybrid ещё и оказалась самой дальнобойной в электрическом плане за всю историю наших тестов гибридов — за счёт ёмкой батареи и хорошо отлаженных алгоритмов универсал покрыл на электротяге 46 километров!
Нечто подобное, только наоборот, изобрели в BMW, когда проектировали футуристичный суперкар i8. У него бензиновая установка с автоматической коробкой передач и электромотором-генератором находится сзади, а тяговый электродвигатель — на передней оси. Система работает таким образом, что гибридное купе может быть либо переднеприводно-электрическим, либо полноприводно-гибридным. Переход на задний привод невозможен по той причине, что в случае опустошения батареи ДВС, по задумке инженеров, начинает работать одновременно в режиме вращения колёс задней оси и питания переднего электродвигателя через второй мотор-генератор — это всё та же последовательно-параллельная схема. Интересной особенностью BMW i8 является то, что передний электродвигатель вращает «ось» через двухступенчатую коробку передач, что позволяет достигать на одной только электрической тяге скорости 120 км/ч.
Гибридное будущее однозначно за конструкциями типа plug-in, потому что именно они дают реальную экономию топлива. К тому же, большинство «плагинов» — это два автомобиля в одном: бесшумный и плавный электрический плюс бензиновый со взрывной динамикой, которую обеспечивает увесистый электрический «буст». Однако для полноценного использования такого автомобиля владелец должен иметь возможность обеспечить его зарядной инфраструктурой. В противном случае проще остановиться на обычном полном гибриде, не имеющем функционала подключения к розетке — пусть его пробег на электричестве и ничтожен в сравнении с «плагинами», но и весит вся конструкция меньше, и стоит дешевле. Смысл в вымирающих умеренных гибридах, которые неспособны двигаться без участия ДВС, практически отсутствует — эффект от применения электротяги здесь едва ли оправдывает лишнюю массу и более высокую стоимость в сравнении с негибридными версиями. Есть будущее и у микрогибридов: отношение затрат к достигаемому с помощью этой технологии эффекту выглядит выгодным. Что касается механической схемы, то это больше вопрос настройки: конечного пользователя не должно волновать как и с помощью чего распределяются потоки мощности и энергии в недрах автомобиля — индустрия знает примеры как отличной, так и не слишком идеальной работы любой из известных схем.