Наука о гибридах
Статьи 24 октября 2013
Статьи 24 октября 2013
Наука о гибридах
Гибридные автомобили – наше настоящее, ну или совсем близкое будущее. Какими они бывают, и в чем их смысл, разбирался Autonews.ru...
Наука о гибридах 
Гибрид (от лат. Hibrida — помесь) — организм, полученный вследствие скрещивания генетически различающихся форм. Понятие гибрид особенно распространено в ботанике, применяется и в зоологии… Но сегодня мы поговорим совсем о других гибридах – автомобильных.

Если быть совсем точными, о гибридных силовых установках, которые получены путем совмещения разных типов приводов с целью объединения их сильных сторон. Поэтому нет ничего удивительного, что сейчас в линейках практически всех мировых автопроизводителей есть гибридные модели. В будущем, возможно, мы пересядем на машины с магнитной подушкой или с атомными силовыми установками, которые не надо будет заправлять совсем. Но пока это научная фантастика, а вот гибриды – это наше настоящее, ну или совсем близкое будущее.


Суть практически всех гибридов сводится в комбинации возможностей традиционного ДВС и электромотора. Есть, конечно, и весьма экзотические конструкции, но о них мы поговорим отдельно.

Зачем гибрид?

У гибридной силовой установки есть две главные задачи, которые и призваны экономить топливо: во-первых, это оптимизация режима работы ДВС, во-вторых, возможность рекуперации энергии торможения, которая обычно уходит на нагрев тормозных механизмов и затем рассеивается в воздухе. Давайте рассмотрим каждый из этих моментов в отдельности

Для ДВС самый не удобный и сложный режим – трогание с места и разгон. Двигатель не может работать ниже оборотов холостого хода и потребляет много топлива в переходных режимах. Оптимальной же для него является работа с постоянными оборотами в зоне минимального удельного расхода топлива, что очень похоже на движение по трассе. А вот в городе нам на помощь приходит электромотор. Он развивает максимальный крутящий момент уже с нуля и обладает ровной тягой во всем диапазоне оборотов.


Ну, а при замедлении электромотор можно мгновенно переключить в режим генератора. Тогда он сможет рекуперировать энергию торможения, вместо того чтобы пускать ее на нагрев нашей планеты, что не эффективно с точки зрения как экологии, так и расхода топлива. Полученное электричество уходит как на питание бортовой электроники, так и используется повторно при очередном разгоне. Таким образом, самый разорительный и не эффективный для традиционных машин режим разгон-торможение для водителя гибрида проходит практически бесплатно и с минимальным количеством вредных выбросов.

Как сохранить?

Получается, что характеристики электромоторов значительно лучше подходят для рваного городского режима движения. А вот при движении с постоянной скоростью гибридная схема практически не работает, а с учетом того, что гибрид – это неминуемо дополнительный вес и объем , то на трассе возможно даже некоторое увеличение расхода. Хотя даже в Европе, не говоря уже про Россию, становится все сложнее найти участки без подъемом и спусков, где можно было бы долгое время ехать с неизменной скоростью.

Остается только решить вопрос с накопителем энергии, и гибрид готов. Вариантов существует два: аккумулятор или суперконденсатор, но это уже тема для отдельного разговора. А пока давайте остановимся на различных типах гибридов, которых в последнее время возникло великое множество. Так как массовому гибридостроению всего 10-15 лет, то и четкой классификации пока не существует, однако основные принципиальные схемы уже можно выделить в отдельные сегменты.

Микрогибриды (МГ)

Они используют только один из плюсов гибридов – рекуперацию энергии торможения. По сути своей это обычные автомобили, у которых привод осуществляется исключительно от традиционного ДВС и трансмиссии. Отличие заключается только в увеличенной мощности генератора. При разгоне автомобиля электроника выключает генератор, и двигатель не тратит на него свою энергию и топливо. Зато при торможении генератор включается, таким образом, электричество для питания всех электроприборов выделяется за счет рекуперации, т.е. фактически бесплатно. Такая схема позволяет сократить расход топлива на 3-7%, и вероятнее всего, это решение очень скоро получит всеобщее распространение и станет обязательным атрибутом современно автомобиля, как, например, кондиционер или система впрыска топлива. Уже сейчас функция микрогибридов есть практически на всех моделях BMW и Mercedes, а также начинает появляться на бюджетных автомобилях.

Компания Mazda разработала микрогибридную систему i-ELOOP: в ней кроме аккумулятора задействован еще компактный суперконденсатор, который многократно быстрее накапливает заряд, это позволяет сделать рекуперацию энергии более эффективной. Таким образом, удалось сократить расход топлива на 10%.


Умеренные (Mild) и полные (Full) гибриды

Отличие между двумя основными типами гибридов сводится к тому, что полные гибриды могут проехать некоторое расстояние только на электротяге, а в умеренных электромотор выступает исключительно как помощник основному ДВС.

В умеренных гибридах электродвигатель упакован между ДВС и трансмиссией. Это упрощает интеграцию гибрида в традиционную силовую установку. Батарея используется небольшого размера, что позволяет поместить ее непосредственно под капотом (у Mercedes) или занять небольшую часть багажника (BMW и Honda). Экономия топлива у умеренных гибридов составляет 15-20%.


Мощность электродвигателя у полных гибридов значительно выше, и он может обеспечивать уверенный разгон и движение в режиме электромобиля. Запас хода напрямую зависит от батареи: от 2-3 км для обычных гибридов до 30-60 км у подзаряжаемых от бытовой сети (Plug-in Hybrid). Применение полногибридной силовой установки позволяет снизить расход топлива на 20-30%.

Последовательно или параллельно?

Вариантов совместной работы ДВС и электромотора два: последовательный и параллельный.

Единственный последовательный гибрид, который имеется в продаже, – Fisker Karma. Но эта компания сейчас находится на стадии банкротства. Суммарные продажи автомобилей составили около 2000 единиц, а цена автомобиля в Америке составляет 115 000 долларов. Karma может похвастаться мощной подзаряжаемой батареей, которая обеспечивает внушительный запас хода. Однако при работе в режиме гибрида расход топлива получается таким же, а местами даже выше, чем у обычных автомобилей. Аналогичную схему работы планируют и создатели ё-мобиля, однако место большой батареи занимает скромный по объему суперконденсатор, так что экономия топлива топлива остается под большим вопросом — впрочем, так же, как и весь проект.


Параллельно!

Параллельная схема многократно опережает по популярности последовательную. Главный плюс параллельной схемы — наличие прямой связи между ДВС и колесами, что обеспечивает более высокий КПД при движении с постоянной скоростью.

В параллельной схеме есть два варианта подключения. Первый — через планетарный редуктор, который позволяет ДВС и электродвигателю работать в оптимальных режимах и направлять энергию на одну ось. Первым разработчиком подобной схемы является компания Toyota, которая запатентовала свое изобретение под именем Synergy Drive и затем продавала эту технологию другим маркам.


Альтернативой сложному планетарному редуктору является разнесенная схема параллельного гибрида, когда ДВС приводит во вращение одну ось, а электромотор – другую. Такую схему использует Peugeot (3008 и 508), Volvo (V60), BMW (i8)и некоторые другие. Она лучше подходит для работы в паре с дизельным двигателем, который отличается более низким расходом топлива, чем бензиновые. Кроме того, гибрид с разнесенной схемой не сложно интегрировать в серийный моноприводный автомобиль. Спереди сохраняется традиционная силовая установка, а на задней оси монтируется электродвигатель. Аккумуляторная батарея располагается в багажнике. А чтобы сокращение объема не ухудшало общих характеристик автомобиля, подобные схемы оптимальны на универсалах и кроссоверах.

В качестве бонуса подобная схема наделяет автомобиль полным приводом, что опять-таки хорошо для кроссоверов. Возможно использование компактной батареи, накапливающей исключительно энергию рекуперации (Peugeot 3008 и 508) или с возможностью подзарядки (Volvo V60 Plug-in Hybrid). Также при использовании разнесенной схемы можно применять суперконденсаторы, которые быстрее накапливают и отдают заряд, что прекрасно подходит автомобилям со спортивным характером (Toyota Yaris R Concept).


Преимущество подзаряжаемых гибридов (Plug-in) заключается в возможности проехать некоторое расстояние (30-60 км) с нулевым выхлопом и минимальной стоимостью. Расход энергии в электрическом режиме составляет около 16-20 кВт/100 км, что в российских реалиях составляет 20-90 рублей на 100 км и эквивалентно расходу 1-3 литра бензина. Однако оборотной стороной такой экономии становится большая стоимость батареи, которая может достигать 10 000 евро. Так что окупить ее удастся не ранее чем за 100 000 км.

Собственно 100 000 км – это, как правило, минимальный пробег, при котором обладатель гибрида может рассчитывать на возврат собственных инвестиций. И это не только российские реалии, но и мировая практика. Ускорить процесс может лишь прогресс или государственные дотации. Ну, а пока можно запастись терпением.

Игорь Сирин, специально для Autonews.ru

Комментарии