Прототип гибридного автомобиля появился еще в конце 19 века. Сегодня это транспортное средство, способное передвигаться на небольшой скорости без использования топлива, а за счет использования электрической энергии.
Гибридный двигатель — это система, состоящая из электродвигателя и топливного двигателя. При работе каждый двигатель может работать отдельно или оба в независимых циклах.
Устройство и принцип работы
Наиболее распространенным режимом работы гибридного двигателя является то, что при движении автомобиля на низкой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок. Когда автомобиль движется по автостраде — двигатель внутреннего сгорания (ДВС) включен. В случае больших нагрузок, например, при резком подъеме в гору, включаются оба двигателя.
Одним из преимуществ электродвигателя, несомненно, является большее снижение расхода топлива, так как он работает на постоянно пополняемой энергии аккумулятора.
Возможность, хотя бы частично, снизить количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, является еще одним плюсом гибридной системы автомобиля.
Гибриды характеризуются низкой мощностью, которую помогает компенсировать двигатель внутреннего сгорания.
Двигатели в гибридах могут быть бензиновыми или дизельными. Кроме того, производители газомоторного оборудования разработали системы, способные работать на этих транспортных средствах.
Пример гибридного проекта
Структура гибрида включает в себя:
— Двигатель внутреннего сгорания. Его конструкция и размеры разработаны для снижения веса, выбросов и расхода топлива.
— Электродвигатель был разработан с учетом особенностей гибрида. Он был разработан не только для работы с топливным элементом, особое внимание было уделено его выходной мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора автомобиля. Он может быть интегрирован в приводной блок или располагаться отдельно от него, причем в некоторых моделях используются оба варианта одновременно.
— Трансмиссия. Работа трансмиссии в гибриде практически идентична работе трансмиссии в обычном автомобиле. Однако они могут отличаться в зависимости от типа гибридного двигателя. Трансмиссии могут быть гибридными со встроенным электродвигателем, а также обычными механическими или автоматическими трансмиссиями. Например, коробка передач в автомобиле Toyota имеет разветвленные потоки мощности. Двигатель такого типа работает в плавном режиме, что значительно экономит расход топлива.
— Топливный бак. Необходим для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания. Чтобы было понятно, что топливная система имеет ряд преимуществ, приведем один факт в ее пользу: энергия, получаемая при сжигании 1 литра бензина, сопоставима с энергией, вырабатываемой батареей весом около 450 кг.
— Аккумулятор. Его основная функция заключается в выработке энергии, достаточной для работы электродвигателя. Для питания бортовой сети в автомобиле используются два аккумулятора — высоковольтный и обычный 12 (В). Первоначально для питания всех систем перед запуском используется только обычная батарея, так как для работы высоковольтной батареи и инвертора требуется постоянное охлаждение.
-Инвертор преобразует постоянный ток высоковольтной батареи в трехфазный переменный ток для электродвигателя и наоборот. Он также регулирует распределение мощности и управляет электродвигателем.
— Генератор. Принцип работы такой же, как и у электродвигателя, но предназначен для выработки электроэнергии.
3 типа гибридных агрегатов
Как упоминалось ранее, гибридная система в автомобиле представляет собой комбинацию двигателей, так сказать, двух различных пересекающихся технологий. Гибридная силовая установка характеризуется двумя способами — как двухтопливная или бивалентная силовая установка и как гибрид.
Это разделение на две комбинации силовых агрегатов было определено для того, чтобы классифицировать их в соответствии с различным принципом работы.
Гибридная силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания и электромотора-генератора. Поэтому электродвигатель является одновременно генератором энергии, тяговым двигателем и стартером для запуска двигателя внутреннего сгорания.
Существует три типа гибридных силовых установок. Основным критерием для классификации является базовая конструкция. Соответственно, различают микрогибридную силовую установку, среднегибридную силовую установку и полногибридную силовую установку.
Микрогибридный силовой агрегат
Концептуальной особенностью этого типа трансмиссии является ее электрическая часть, которая необходима только для функции старт-стоп. В то же время часть вырабатываемой кинетической энергии рекуперируется в виде электрической энергии (процесс регенерации).
Езда только на электрической тяге невозможна. Производительность 12-вольтовой батареи в гибриде, заполненном стекловолокном, адаптирована к частым запускам двигателя. Для хранения регенеративной энергии может также использоваться накопитель в виде электрохимического конденсатора.
Микрогибрид от Mazda
Среднегибридный силовой агрегат
Электрическая силовая установка помогает двигателю внутреннего сгорания. Однако гибрид работает не только на электроприводе. В этом типе гибридного двигателя электрическая энергия рекуперируется во время торможения и затем накапливается в высоковольтной батарее.
Конструкция высоковольтной батареи гибрида и все его электрические компоненты соответствуют необходимым уровням напряжения для выработки достаточно высокой мощности. В результате двигатель внутреннего сгорания поддерживается электромотором для достижения максимальной эффективности.
Полногибридный силовой агрегат
Этот тип сочетает в себе работу двух двигателей — электрического и двигателя внутреннего сгорания. Полногибридный тип позволяет автомобилю двигаться только на электрической тяге и на соответственно большое расстояние. При определенных условиях силовая установка функционирует как среднегибридная.
Эти автомобили оснащены достаточно мощным электродвигателем и более емкой высоковольтной батареей для обеспечения такой производительности. Зарядка аккумулятора также основана на процессе рекуперации энергии.
Для двигателя внутреннего сгорания реализована функция «старт-стоп», которая запускается только при необходимости. Двигатель внутреннего сгорания отсоединен от электродвигателя с помощью сцепления между ними, так что они могут работать независимо друг от друга.
Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС
Гибридные автомобили проектируются по трем схемам взаимодействия двигателей. Давайте рассмотрим каждый из них.
Последовательная схема взаимодействия
Такой принцип работы устройства является простейшим вариантом автомобильного гибридного двигателя. Схема его работы такова: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания поступает на генератор. Затем генератор вырабатывает необходимую для работы электрическую энергию и подает ее на аккумулятор. Кроме того, аккумулятор заряжается за счет процесса рекуперации кинетической энергии. В этой схеме автомобиль движется исключительно на электротяге.
Эта схема характеризуется последовательным преобразованием энергии, т.е. энергия топлива, сжигаемого в двигателе внутреннего сгорания, преобразуется в механическую энергию, преобразуется в электрическую энергию генератором и затем снова преобразуется в механическую энергию.
Положительные аспекты последовательной системы:
- Двигатель внутреннего сгорания работает с постоянной скоростью.
- Нет необходимости в двигателе с высокой мощностью и расходом топлива.
- Коробка передач не нужна, как и сцепление.
- Электрическая энергия гибридной батареи позволяет управлять автомобилем с выключенным двигателем.
Недостатки последовательной схемы:
- На этапах преобразования энергии происходят потери энергии.
- Размеры и стоимость батареи достаточно высоки.
Наиболее впечатляющим представителем гибридного автомобиля с последовательной схемой является Chevrolet Volt
Наиболее очевидным применением для автомобиля с последовательной схемой движения является движение по городу с остановками и переездами, где система рекуперации энергии работает непрерывно.
Параллельная схема взаимодействия
Такое название эта трасса получила потому, что двигатели автомобилей всегда работают вместе. Принцип работы этого типа взаимодействия двух модулей заимствован из электроники автомобиля, электромотора и двигателя внутреннего сгорания. Два двигателя соединены с трансмиссией посредством планетарного редуктора.
Эти гибриды способны работать исключительно на электрической энергии в течение короткого периода времени, при этом двигатель отключается от коробки передач с помощью сцепления.
Блок управления распределяет крутящий момент от двух двигателей в зависимости от режима движения автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания играет более важную роль, а электромотор включается, когда требуется дополнительная тяга, например, при резком ускорении автомобиля. При торможении или плавном движении электродвигатель работает как генератор энергии.
Электромотор интегрирован в трансмиссию BMW 530E iPerformance.
Существуют версии с электромотором отдельно от двигателя внутреннего сгорания, что является сложной схемой, но в то же время эффективной. Этот модуль состоит из двух электродвигателей, тягового двигателя, соединенного через планетарные редукторы со вторым двигателем, который служит генератором и стартером.
В этой схеме двигатель внутреннего сгорания не подключен непосредственно к колесам, что позволяет подзаряжать генератор и аккумулятор.
Параллельная гибридная система привода с независимыми электродвигателями
Положительные аспекты параллельной схемы:
Поскольку большая часть работы отводится двигателю внутреннего сгорания, нет необходимости устанавливать мощный высоковольтный аккумулятор. Двигатель внутреннего сгорания напрямую соединен с ведущими колесами, поэтому потери энергии снижаются.
Недостатки параллельной схемы:
Наиболее существенным недостатком этой схемы является более высокий расход топлива по сравнению с другими схемами совместного привода двигателя. Оказывается, в городском трафике сэкономить невозможно, самый эффективный вариант — ехать по автостраде.
Последовательно-параллельная схема взаимодействия
Само название этой схемы указывает на то, что данный тип является вариантом комбинации двух ранее рассмотренных схем: последовательной и параллельной. Движение автомобиля на малой скорости и его старт с места достигается только за счет энергии электрической части. Двигатель внутреннего сгорания поддерживает работу генератора переменного тока автомобиля, как в схеме последовательного взаимодействия. Передача крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к колесам происходит во время движения на высокой скорости.
При больших нагрузках, требующих большей мощности, генератор автомобиля может не обеспечить достаточную энергию, и в этом случае электродвигатель дополнительно питается от аккумулятора, как в схеме параллельного взаимодействия.
В этой цепи имеется дополнительный генератор переменного тока, который подзаряжает аккумулятор. Электромотор нужен только для привода ведущих колес и обеспечения рекуперативного торможения.
Часть крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания передается на ведущие колеса, а часть используется для питания генератора, который, в свою очередь, питает электродвигатель и заряжает аккумулятор.
Направление крутящего момента на колеса, генератор или электродвигатель и его соотношение регулируется планетарным механизмом — делителем мощности. Подача энергии от генератора и аккумулятора регулируется электронным блоком управления автомобиля.
Эта технология также используется в гибридных полноприводных автомобилях. На передней оси установлен двигатель внутреннего сгорания с электродвигателем в параллель, а на задней оси — только электродвигатель, который последовательно взаимодействует с двигателем внутреннего сгорания.
Полноприводный гибрид от Mitsubishi
Положительные стороны последовательно-параллельной схемы:
Легко заметить, что неоспоримым плюсом этой гибридной системы является высокий расход топлива в сочетании с хорошей мощностью. Любители природы оценят его экологическую чистоту.
Минусы последовательно-параллельной схемы:
К отрицательным моментам относится более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами и, соответственно, более высокая цена. В качестве дополнительного генератора требуется аккумулятор большой емкости и сложные электронные схемы управления.
Заключение
Мы рассмотрели все типы гибридов и схемы их взаимодействия, но в целом существует множество типов, которые трудно классифицировать, поскольку технологии со временем все больше смешиваются и совершенствуются.
Некоторые используют жидкостные муфты с редукторами вместо планетарных, другие экспериментируют с задним расположением двигателей внутреннего сгорания и даже разделяют двигатель внутреннего сгорания и электромотор на две оси. Дизайнеры не останавливаются на достигнутом и развивают это направление все дальше и дальше.
