QR-код ссылки на данную статью

За последние два года требования, предъявляемые к компаниям-производителям автомобилей, несколько ужесточились. В первую очередь, звучат претензии со стороны экологов, пропорционально увеличению количества выпущенных автомобилей растет процент выброса в атмосферу токсичных веществ, во-вторых, технический регламент, предъявляемый к автомобилям, участвующим в спортивных соревнованиях, заставляет конструкторов искать новые методы по увеличению эффективности работы двигателя. Со стороны потребителя также есть пожелания к тем моделям автомобилей, которыми автовладельцы желали бы управлять. Основное требование – это экономичность транспортного средства, особенно в свете того, что цена на топливо неуклонно растет. Всем вышеперечисленным требованиям соответствуют автомобили с гибридным двигателем. Ошибочно считать, что гибридный двигатель – это полная альтернатива двигателю внутреннего сгорания, так как гибридные автомобили имеют ряд недостатков, в частности высокие цены, которые не позволяют пока запустить такие автомобили в массовое производство. Но, так или иначе, эти автомобили присутствуют на рынке, имеют своего покупателя, а на различных автосалонах можно наблюдать новинки автомобилестроения, укомплектованные гибридным двигателем.

Попытки создать гибридный двигатель были предприняты еще в 19 веке, а в 1905 году бельгиец Генри Пайпер запатентовал первую схему конструкции, в которой наравне с бензиновым мотором использовался электромотор. Следующим гибридным устройством стал Lohner Electric Chaise от Фердинанда Порше. Конец двадцатого века внес свои коррективы в судьбу гибридов, постоянное повышение цен на топливо привело к тому, что компания "Тойота" в 90-е годы активно начала работать в области создания экономичных автомобилей, в которых можно было бы сократить расход топлива и выбросы в атмосферу до минимума. В 1997 году первый автомобиль Toyota Prius появился на рынке, с тех пор процент продаваемых гибридных автомобилей с каждым годом возрастает. Гибридные двигатели устанавливаются и на автомобили премиум-класса, например, Lexus RX400h и Lexus LS 600h. В США исследования по разработке гибридных двигателей велись в 60-70-х годах Виктором Воуком. После того, как концерн "Тойота" в 2006 году продал по всему миру более полумиллиона моделей Prius, его технологию стали использовать Ford и Nissan. Гибридные автомобили сейчас есть практически у всех производителей автомобилей (VAG, BMW, Ford, GM и др.).

В СССР разработки в области гибридов также велись, на базе автомобиля УАЗ-450. Советским ученым Нурбеем Гулиа был создан грузовик, накопителем энергии в нем был инерционный маховик, а экономия топлива достигала 50%.

Выделяют три схемы гибридного привода.

1.Последовательная схема (series hybrid) гибридного привода предполагает взаимодействие двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС) только с генератором. Генератор заряжает аккумулятор и питает электродвигатель. Вращение колес осуществляется за счет работы тяговых электромоторов. Проще говоря, электрический генератор и ДВС соединяются с накопителем, а он в свою очередь с электродвигателем тяги. На данный момент в легковых автомобилях используют эту схему редко, но она с успехом реализуется в железнодорожном транспорте или карьерных самосвалах, когда нужно передать большой крутящий момент на колеса с ДВС. При производстве грузовых автомобилей и самосвалов эту схему используют такие производители, как Белорусский автомобильный завод, Azure Dynamics (США), Hino Motors (Япония) и др.

Другое название таких автомобилей - PHEV или plug-in hybrid electric vehicle. У владельца есть возможность подключить автомобиль в розетку, хотя делать это необязательно. Преимущество в том, что пропадает ограничение по пробегу на один заряд. Большую часть пути автомобиль проходит благодаря заряду, но как только он падает ниже определенного уровня, подключается дизельный или бензиновый двигатели. Следующий отрезок пути накопители заряжаются, вспомогательный двигатель отключается после их зарядки и цикл возобновляется. Литий-ионные батарей позволяют сократить до минимума выбросы в атмосферу и снизить расход топлива. Яркие представители "подключаемых гибридов" - это Opel Ampera и Chevrolet Volt. Иногда встречается другое обозначение таких автомобилей - Extended Range Electric Vehicle (EREV). Эти автомобили способны покрывать расстояние в десятки километров, то есть это автомобили с увеличенным радиусом действия. Конструктивные недостатки таких электромобилей заключаются в необходимости использования громоздкой батареи аккумулятора, также страдают динамические показатели автомобиля - такие как скорость и ускорение.

2. Параллельная схема (parallel hybrid) подключения ДВС и накопителя к приводу применяется большинством производителей автомобилей на своих гибридных автомобилях. Среди них BMW, Honda, Hyundai, Volkswagen. В таких автомобилях ДВС и накопитель соединяются дифференциалом, который уже в свою очередь соединяется с колесным приводом. Схема отличается простотой, дешевизной и имеет возможность совмещаться с МКПП. Ведущие колеса при такой конструкции вращаются за счет работы и бензинового двигателя, и электромотора, трансмиссия на такие автомобили устанавливается обычная. Перераспределение мощности между элементами схемы осуществляется при помощи автоматических муфт. Дополнительный крутящий момент при ускорении автомобиля обеспечивает электродвигатель малой мощности (20 кВт), он также выполняет функцию генератора и стартера. Электродвигатель и ДВС способны работать только совместно. Положительные стороны такой схемы подключения в отсутствии выбросов в окружающую среду и возможности использования компактной батареи аккумулятора. Бесшумное движение в режиме работы только электродвигателя относят также к достоинствам, но это вопрос спорный, так как согласно исследованиям британских ученых "бесшумные" гибриды на 20% чаще совершают наезд на пешеходов, а степень повреждения пешеходов выше, чем при обычных ДТП.

Считается, что параллельная схема впервые была апробирована компанией Honda в 1999 году на автомобиле Honda Insight.. Технология получила название Integrated Motor Assist (IMA) . На самом деле такая система уже была использована концерном Honda в 1997 году при производстве концепта J-VX. В основе IMA союз электромотора и бензинового силового агрегата. На первых моделях автомобилей, использующих систему IMA, движение на электротяге не осуществлялось, электромотор выполнял лишь вспомогательную функцию. Только в 2006 году на автомобиле Honda Civic Hybrid был реализован принцип движения на короткое расстояние посредством только электромотора без участия ДВС. Наибольший КПД при использовании системы IMA достигается при ускорении и торможении. Электродвигатель моментально выдает превосходный крутящий момент, а при торможении кинетическая энергия сохраняется, благодаря электромотору - в аккумуляторной батарее, в то время как у обычного автомобиля она гасится и рассеивается в виде тепла. Таким образом, в процессе торможения происходит подзарядка аккумулятора, энергия торможения преобразуется в электрический ток, накапливающийся в аккумуляторе.

3. Последовательно-параллельная схема (Full Hybrid) подключения ДВС и накопителя к приводу считается наиболее оптимальным вариантом. Система может работать как последовательно, так и параллельно – это зависит от режима работы. С успехом реализуется в автомобилях Toyota Prius, оснащенных системой Hybrid Synergy Drive (Toyota), Lexus RX 430h, Ford Escape Hybrid. В "полных гибридах" ДВС соединяется с электродвигателем через планетарный редуктор. Систему Hybrid Synergy Drive (HSD) на автомобиле Toyota Prius составляют несколько компонентов: бензиновый ДВС объемом 1,8 литра, который работает по системе Аткинсона, мощный электромотор, генератор, никель-металл-гидридная батарея и привод колес и тормозов. В зависимости от режима работы механизм распределения мощности собирает и распределяет мощности генератора, ДВС и электродвигателя. Благодаря тому, что генератор, электромотор и устройство распределения мощности составляют один узел, разработчикам без труда удалось поместить всю конструкцию на платформу Toyota Prius. Конструктивно стартер в автомобиле не предусмотрен, его роль выполняет генератор, а также во время обычного городского цикла он регулирует обороты ДВС для достижения максимальной экономии.

В момент остановки все компоненты системы находятся в нерабочем состоянии, ДВС не заведен. При начале движения ДВС не заводится, в ход идет только электромотор с высоким крутящим моментом, развивающий мощность до 60 кВт., при этом выброс вредных веществ СО, и КОх в окружающую среду не происходит вообще.

Электродвигатель, устанавливаемый на последние модели Prius, весит меньше, чем предыдущие модели, но мощность развивает на 20 % больше, крутящий момент составляет 207 Нм. Таких показателей удалось добиться за счет увеличения частоты оборотов вала электромотора, а применение нового редуктора в КПП позволило повысить крутящий момент. При создании электродвигателя инженеры не стали использовать систему жидкостного охлаждения, а максимальное напряжение повысили от 500 до 650В. В обычном городском режиме необходимость использования максимальной мощности отпадает, напряжение, подаваемое на электромотор более низкое, за счет этого происходит экономия топлива. Если нужно резко и максимально ускориться, то в ход идет вся мощность ДВС и электродвигателя, подзарядка основной батареи аккумулятора прекращается.

При движении по городу максимальный КПД достигается за счет совокупного использования ДВС и электромотора, при торможении ДВС отключается генератором, что способствует экономии топлива. Во время движения генератор заряжает батарею аккумулятора и приводит в движение электромотор через блок управления мощностью. Если автомобиль долгое время осуществляет движение исключительно при помощи электромотора, то генератор запустит ДВС для того, чтобы начать процесс подзарядки аккумуляторной батареи. Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея питает электромотор в режиме движения. Кстати, массовое производство гибридных автомобилей осложняется именно дефицитом такого типа батарей. Напряжение батареи составляет 202 В., мощность ее была повышена до 27 кВт, это позволило увеличить плавность хода при начале движения автомобиля.

Блок управления электропитанием по размерам соотносится с обычной батареей на 12В. В блок управления входят следующие компоненты:

1. Трансформатор, обеспечивающий подачу высокого напряжения на электродвигатель, аккумуляторную батарею и генератор, за счет чего увеличивается мощность системы;

2. Инвертор электромотора, функция которого - преобразовать постоянное напряжение батареи в переменное, подаваемое на привод электродвигателя. Инвертор прошел модернизацию. По сравнению с предыдущими конструкциями, устанавливаемыми на первые модели автомобилей, он стал легче на 36 %, его вес составляет 13,5 кг, объем равен 13 литрам, это на 37 % меньше, чем вначале. За счет применения инвертора удалось повысить КПД и улучшить показатели блока управления электропитанием;

3. Уменьшающий напряжение батареи с 202В до 14В преобразователь напряжения. Этот процесс необходим для зарядки батареи и питания вспомогательных устройств.

Отличие последовательно-параллельной системы от параллельной заключается в наличии генератора, питающего электродвигатель энергией, благодаря чему пропадает необходимость заряжать батарею от дополнительного источника.

В плане ремонта гибридные автомобили схожи с обычными. Кроме гибридной части, которая в обслуживании не нуждается, остальные элементы транспортного средства нуждаются в обычно текущем сервисном обслуживании. Существенным недостатком гибридных автомобилей можно считать непрогнозируемую самостоятельную разрядку аккумуляторной батареи. Устранить эту неполадку путем покупки новой батареи в магазине автозапчастей не получится, по той причине, что АКБ для гибридов в магазинах не продаются. Неисправными становятся отдельные ячейки, составляющие никель-металл-гидридную батарею, то есть целиком она не выходит из строя. Для устранения неполадки ячейку нужно заменить. На сегодняшний день станций технического обслуживания "гибридов" очень мало, поскольку персонал должен проходить квалифицированное обучение на предмет обслуживания данного типа автомобилей, а технической литературы по этому вопросу крайне мало.

Существуют автомобили, называемые "умеренные гибриды" или mild hybrid. При движении с места эти автомобили используют только ДВС, а электромотор подключается тогда, когда требуется активировать дополнительные резервы мощности.