Гибридные двигатели

Гибридные двигатели

Гибриды вчера

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойным смесеобразованием.

Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают на чрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то время как у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин, степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах 16-17.

Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такие двигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин (Италия, государства Южной Америки).

Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижения расхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках.

Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один - гибридный, представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее известная поговорка "все новое - это хорошо забытое старое" и в этот раз сработала на 100%.

Как оказалось, "первые ласточки" появились на рубеже XIX-XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago "гибридные" грузовики сходили до 1940 года.

Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?

На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида "в массы" тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Гибриды сегодня

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой - экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение - геологи, все настойчивее напоминающие об истощении запасов "черного золота".

Сегодня смело можно сказать: эпоха ДВС как основного источника энергии на автомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.

Спустя ровно 110 лет (в 1997 году) после появления первого гибридного автомобиля компания Toyota представила массовую модель Prius. Изюминка Prius - электромотор, батарею которого не надо заряжать от внешней сети. Энергия для заряда аккумулятора вырабатывается прямо на борту автомобиля. Мощность 1,5-литрового бензинового двигателя этой модели - 53 кВт (57 кВт - Prius 2-го поколения), тягового электромотора - 33 кВт (50 кВт - Prius 2-го поколения).

Максимальная скорость составляет 160 км/ч, а расход топлива 4,6 л (4 л - Prius 2-го поколения) на 100 км. В 2004 году на Международном конкурсе в Германии силовой агрегат Toyota Prius занял первые места сразу в четырех (!) номинациях, в том числе и в самой престижной - "Лучший двигатель 2004 года".

Toyota Motor Corp приступила к продаже первого седана с гибридным электро-бензиновым двигателем марки Lexus в Японии. В апреле японский автопроизводитель начнет продавать автомобиль Lexus GS450h на зарубежных рынках.

Второй по величине в мире автопроизводитель заявил, что стремится вдвое сократить расходы на производство гибридных двигателей и цену на них. Сейчас цены на GS450h начинаются с 6,8 миллиона иен (57950 долларов), тогда как на версии с бензиновым двигателем объемом 3,5 литра они составляют 5,2 миллиона иен (44310 долларов), а на версии с двигателем 4,3 литра - 6,3 миллиона иен (53690 долларов), сообщает Reuters.

В 2005 корпорация Toyota Motor разработала гибридный двигатель третьего поколения, совмещающий в себе бензин и электроэнергию. Этот двигатель меньшего размера, который позволит сократить затраты как на топливо, так и на производство, будет применяться на практике в 2008 году.

Французский концерн PSA Peugeot/Citroen представил первый дизельный гибридный двигатель, состоящий из гибридного приводного узла и двигателя HDi., то есть объединяет в себе традиционный дизель и электромотор. По словам французов, новый силовой агрегат будет отличаться очень низким расходом топлива (ниже на 20 % по сравнению с бензиновым двигателем = 3,4 л на 100 км и выбросу CO2 (90 г/км)), ведь дизельный мотор потребляет меньше горючего, чем его бензиновый аналог. При этом полностью сохраняя высокие динамические характеристики, присущие семейству дизельных двигателей типа Hdi + преимущества, свойственные гибридному приводному узлу (например, движение в режиме электромобиля на невысокой скорости). Однако появление гибридного дизеля на серийных машинах придется подождать - представители PSA заявили, что он пойдет в производство примерно в 2010 году.

Компания Ford выпустила второй в 2005 году автомобиль, работающий на гибридном двигателе. Модель Mercury Mariner Hybrid поступила в продажу 11 июля. Этот автомобиль стоит $29,840, что на $4,190 дороже варианта с обычным двигателем. Вместе с тем, Mercury Mariner Hybrid позволяет сэкономить до 50% топлива по сравнению с традиционной машиной. В 2006 году планируется выпустить 2 тыс. экземпляров Mercury Mariner Hybrid.

Volvo Group в марте 2006 года объявила о создание гибридного двигателя для тяжёлых машин, таких, как тягачи полуприцепов и автобусы. Компания заявляет, что их разработка позволяет получить 35% экономию топлива в условиях города с интенсивным движением. Важная часть новой гибридной технологии, получившая название I-SAM.

Из чего состоит гибридный автомобиль?

Любое транспортное средство, которое имеет два или более источников энергии, достаточной для движения можно назвать гибридным.

- Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - Гибридная машина имеет привычный бензиновый двигатель. Хотя современные высокие технологии позволяют делать его меньшим по габаритам, более экологичным и экономичным.

- Топливный бак - Здесь хранится топливо для двигателя. Бензин обладает большим энергетическим запасом, нежели электрические батареи. Для примера, батареи весом 450 кг отдадут столько же энергии, сколько и 3,5 кг бензина.

- Электромотор - Очень "продвинутый" элемент. Современная электроника делает его и мотором и генератором одновременно. Например, когда это необходимо, энергия берется из электрических батарей и ускоряет автомобиль. Но тормозя машину, двигатель переходит в режим генератора и восстанавливает энергию.

- Генератор - Схож с электромотором, но работает только в режиме запасания энергии (используется, главным образом, в серийных гибридных автомобилях).

- Батареи - Источник энергии для электромотора, в отличии бензинового ДВС, электромотор может не только "брать" энергию, но и запасать её в батареях.

- Трансмиссия - Функции те же, что и у трансмиссии на традиционных автомобилях с ДВС. Некоторые гибридные машины (Honda, например) имеют стандартную трансмиссию, другие же ( Toyota Prius) оснащаются радикально новой.

Схема работы гибридного двигателя

Последовательная схема. В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД.

Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

Параллельная схема. Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса.

Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.

Последовательно - параллельная схема. Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальная эффективность силовой установки.

От схем к "Новым измерениям"

По словам создателей Lexus RX400h, именно в другое измерение они перенесли езду на полноприводном автомобиле. Дабы разбавить сухие схемы практическими примерами, поговорим о новинке компании Toyota - Lexus RX400h, оснащенной последовательно-параллельной гибридной силовой установкой Hybrid Synergy Drive.

Гибридная установка Lexus RX400h сочетает в себе бензиновый V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 3,3 л, мощностью 150 кВт, 2 электромотора мощностью 200 кВт, с рабочим напряжением 650 В и высоковольтную аккумуляторную батарею напряжением 288 В.

Это всего лишь надводная часть айсберга, соединить напрямую ДВС, электромоторы и аккумулятор и добиться при этом согласованной работы невозможно. Поэтому немного углубимся во внутреннее строение Lexus RX400h.

Бензиновый двигатель нам не столь интересен, но "из песни слов не выкинешь". V-образная "шестерка" оснащена сложной компьютерной системой, осуществляющей непрерывную корректировку количества воздуха, поступающего в цилиндры. Благодаря этому удалось добиться соблюдения норм Евро-4.

Высоковольтные моторы по сути являются обратимыми машинами, т.е. могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Располагаются в передней и задней частях автомобиля и приводят в движение соответственно колеса переднего и заднего мостов.

Устройство распределения энергии - это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором. "Сердце" устройства распределения энергии - компактная планетарная передача. Она обладает малой массой и меньшим количеством движущихся частей, в сравнении с 5- или 6-ступенчатыми АКПП автомобилей класса "люкс". Применение планетарной передачи позволило снизить потери на трение и шум при работе и в то же время повысить надежность и срок службы узла.

Энергетический центр - уникальная система, управляющая созданием и распределением запасов электрической энергии, хранящейся в батарее. Основные компоненты энергетического центра: мощная высоковольтная батарея (NiMH), блок управления энергией, полупроводниковое коммутационное устройство, рекуперативная (регенеративная) тормозная система.

Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляют потоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данные устройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии с потребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующими причинами: генератор и электромоторы - машины переменного тока, в то время как аккумуляторная батарея оперирует постоянным, кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входному напряжению электромоторов.

Инвертор - блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В гибридной силовой установке Lexus RX400h предусмотрена высоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, тоже постоянный. Но поскольку она повышает напряжение, то происходит равномерный рост электрической мощности при той же величине значения тока. В результате получают более высокую производительность и повышенный крутящий момент привода электромоторов.

Рекуперативная (регенеративная) тормозная система - при торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом электроэнергия поступает на вход аккумуляторной батареи. Особо эффективную работу система показала в городских условиях, при чередовании режимов стоп - старт. Заметим, что в традиционных тормозных системах энергия, полученная при замедлении, теряется полностью.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет воедино системы активной безопасности, такие как антиблокировочная система тормозов (ABS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (EPS).

VDIM не столь "навязчива", как обычные системы управления, но намного более эффективна. При помощи высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией VDIM контролирует и сопоставляет все параметры, одновременно управляя крутящим моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения.

Режимы движения

В этом разделе мы рассмотрим особенности работы системы при выполнении различных маневров.

Начало движения

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.

Движение в нормальном режиме

В этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов; энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.

В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

Стоит упомянуть, что при движении в нормальном режиме система автоматически переходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняется полный.

Разгон

Бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, при необходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромоторов.

Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересно сравнить эту систему с турбированным двигателем. В то время как работа последнего может сопровождаться "турбозадержками", гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительной энергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента.

Торможение

Для оптимизации количества сохраняемой энергии управляемая электроникой тормозная система принимает решение о том, когда следует использовать гидравлическую систему, а когда - рекуперативное (регенеративное) торможение (оно и является приоритетным). При рекуперативном торможении передний и задний электродвигатели работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент на передней и задней осях. Вырабатываемая энергия поступает на блок управления электропитанием, а оттуда на высоковольтную аккумуляторную батарею.

Плюсы и минусы гибрида

К достоинствам гибридного автомобиля можно отнести то, что ДВС гораздо меньше, по сравнению с обычным автомобилем, и при этом более эффективен. Но как же может такой "малыш" уживаться на дороге со своими более мощными собратьями?

Давайте сравним Chevrolet Camaro с его огромной V-образной "восьмеркой" с нашей гибридной машиной, с её маленьким ДВС и электромотором. Мощности движка Camaro вполне достаточно (и даже более чем достаточно!), для того, чтобы справиться с любой дорожной ситуацией. Мотора же нашего гибрида достаточно для движения по ровной дороге, но как только нужно въехать на склон или просто проехаться "с ветерком" ему требуется помощь. "Руку помощи" он получает от электромотора с его батареями. Эта система и предоставляет необходимую добавку энергии.

Недостатки. Чтобы машина стала привлекательной для человека, она должна удовлетворять определенным минимальным требованиям. Автомобиль должен:

- Ехать по крайней мере 400 км. без дозаправки.

- Заправка не должна быть сложной и долгой.

- Подходить для езды при плотном дорожном движении.

Обычные автомашины с ДВС удовлетворяют всем трех правилам, но вредны для окружающей среды и обладают большим расходом топлива. С другой стороны, электромобиль не ухудшает экологическую обстановку, но путь между дозаправками составляет всего 80-150 км. Причем процедура заправки сложна и довольно длительна.

Желание автомобилиста нажать "газ в пол" является причиной пониженной эффективности наших автомобилей. Наверное, все замечали, что чем меньше мощность двигателя, тем он экономичнее.

Примечательно то, что большинству из нас нужна лишь малая часть многочисленных "лошадей" нашей машины. Допустим, вы несетесь по трассе со скоростью 100км/ч. При этом энергия, вырабатываемая двигателем, тратится на:

- Преодоление аэродинамического сопротивления.

- Преодоление сил трения (колес о дорогу, трансмиссии, валов, тормозов и т.п.)

- Дополнительное электрооборудование (фары, кондиционер, подсветка и т.п.)

Большинству машин для выполнение этих действий достаточно 20(!) л.с. Так зачем же тогда вам нужен двигатель мощностью 200 (300) л.с? "Газ в пол" - единственный случай, когда машине нужны все лошадиные силы её мотора.

Производители и цены на гибридные двигатели

"TOYOTA" -

Toyota Highlander Hybrid $33,030

Toyota Highlander Hybrid Limited $37,890

Toyota Prius $21,725

"HONDA" -

Honda Accord Hybrid от $30,990

Honda Civic Hybrid от $21,850

"LEXUS" -

Lexus RX 330 Hybrid $49,060

"Ford" -

Mercury Mariner Hybrid $29,840

Гибриды завтра

Итак, следующий этап развития двигателей - силовая установка, работающая на самом перспективном энергоносителе - водороде. Он является самым безвредным для окружающей среды, так как в результате химической реакции в качестве "побочного продукта" образуется простая вода.

Происходят такие реакции в топливных камерах - керамических ячейках. Каждая ячейка перегорожена на 2 секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую подается водород. Мембрана обладает уникальным свойством: пропускает протоны, но задерживает нейтроны. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно, благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту электроэнергию (вполне возможно с некоторыми преобразованиями) можно использовать для питания электродвигателя.

Daimler-Chrysler, в отличие от BMW, ведет разработку гибридных двигателей, использующих энергию топливных камер. Исследования проводятся совместно с "Nippon Mitsubishi Oil", результат ожидается через 3-4 года. Тем не менее на Франкфуртском автосалоне в 2003 году были показаны два гибрида Mercedes. Первый - E200 NGT (Natural Gas Technology) может "питаться" как бензином, так и природным газом. Второй - гибрид S-класса, оснащенный бензиновым двигателем V6, мощностью 245 л.с. и двумя электродвигателями общей мощностью 55 кВт.

А недавно немецкий автомобилестроительный концерн DaimlerChrysler AG и североамериканский автомобилестроительный концерн General Motors подписали меморандум о совместной разработке гибридных силовых агрегатов. Об этом сообщается в материалах компании. Компании будут совместно разрабатывать силовой агрегат, который будет использоваться на моделях General Motors, Chrysler Group и Mercedes Car Group.

DaimlerChrysler и General Motors займутся разработкой принципиального нового агрегата, который будет использовать электродвигатель не только на низких скоростях, но и на высоких, а кроме того значительно повысит крутящий момент двигателя. При этом, у разрабатываемого агрегата, по сравнению с сегодняшними серийными гибридными двигателями, значительно улучшится экономичность и экологичность автомобиля.

Ранее General Motors заявлял о том, что в 2007 г. начнет производство внедорожников Chevrolet Tahoe и GNC Yukon, оснащенных гибридными агрегатами. Mercedes Car Group планирует начать оснащение гибридными двигателями своих представительских автомобилей. Chrysler Group планирует использовать данные силовые агрегаты на внедорожниках.

Также General Motors совместно с Пентагоном разработала гибридную дизель-электрическую силовую установку, которая имеет ряд преимуществ по отношению к традиционным дизельным двигателям. Основными достоинствами гибридного двигателя являются экономичность (стоимость одного галлона горючего при доставке на поле боя может достигать 400 долларов), надежность (при выходе из строя дизеля можно добраться до базы на аккумуляторах). Еще одним ключевым достоинством нового автомобиля является то, что он, в отличие от своего дизельного прототипа, способен двигаться практически бесшумно. Кроме того, такая машина может обеспечить электроэнергией небольшой командный пункт. Пентагон уже провел испытания нового двигателя, установив его на внедорожники HUMVEE.

Почему же до сих пор другие знаменитые производители авто, а с момента появления Prius минуло уже 8 лет, серьезно не занялись перспективными разработками?

Итак:

Audi еще в прошлом году представила прототип A2 на водородном топливе. A2-H2 разгоняется "до сотни" менее чем за 10 секунд и развивает скорость 175 км/ч. Без дополнительной заправки автомобиль может преодолеть 220 км. Максимальная мощность гибридного двигателя составляет 136 л.с. Модель работает по технологии fuel-cell - за счет преобразования водорода в электричество вследствие химической реакции с кислородом. При небыстрой езде А2 работает на обычном двигателе, а для быстрого разгона задействуется аккумулятор, который постоянно подзаряжается за счет рекуперативного (регенеративного) торможения. Но на данный момент у немецкой компании нет намерения запускать автомобиль в серийное производство - A2-H2 был сделан исключительно в исследовательских целях.

BMW обещает представить первый серийный гибрид уже через три года. По словам баварцев, это будет машина седьмой серии с двигателем, работающим на бензине и водороде. Первые образцы "водородных семерок" уже совершили пробный пробег по нескольким странам Европы, чем вызвали неподдельный интерес со стороны прессы.

BMW планирует использовать водород в двигателях внутреннего сгорания, а не в топливных камерах, как предлагают делать другие производители. Прототип BMW H2R, оснащенный именно таким двигателем (созданном на базе стандартного 12-цилиндрового агрегата от модели 760i), поставил сразу 9 мировых рекордов скорости. Разогнавшись до 302,4 км/ч, он стал самым быстрым среди бензиново-водородных гибридов.

Volkswagen пока делает ставку на экономичные дизельные моторы.

Например, экспериментальный Golf с дизелем и вспомогательным электромотором по параметрам расхода топлива и динамике разгона сравним с Prius. Но под капотами "народных автомобилей" гибриды найдут место еще не скоро, слишком дорого это обойдется концерну.

Ну а пока немцы "исследуют", японцы - производят.

Ford, Nissan, Porsche - рассчитывают получить технологии гибридных установок у Toyota. GM, Honda и корейские автопроизводители разрабатывают собственные "теории гибрида".

Вывод

Гибридные двигатели позволят обеспечить рост производства, и вместе с тем отодвинуть проблему истощения земных ресурсов на какое-то время. Также решится проблема загрязнения окружающей среды. Расход топлива самого экономичного гибридного двигателя в мире в плане топлива - 2,8 литра бензина на 100 км. Двигатель соответствует нормам Евро-4 и позволяет ему разгоняться "до сотни" за 7,6 с.