Гибрид

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 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». Одним из вариантов решения этой проблемы являются гибридные силовые установки, состоящие из обычного ДВС и электродвигателя. В отличие от электромобилей и автомобилей на топливных элементах, которые все еще остаются "автомобилями будущего", гибриды уже с 1997 года выпускаются серийно.

Давайте сравним автомобиль с обычным ДВС и электромобиль. Обыкновенный автомобиль способен проехать без дозаправки четыре-пять сотен километров и при этом отравить атмосферу некоторым объёмом вредных веществ. Заправочных станций предостаточно в любом регионе, и пополнить запасы топлива можно за считанные минуты. Электромобиль может проехать на одном заряде батарей порядка 80-160 км. Он экологически чист, бесшумен и практически безупречен до того момента, пока не наступает очередь подзарядки аккумуляторов. У существующих в наше время «электрических» машин этот процесс длится несколько часов.
Гибридные автомобили берут все лучшее от обоих моторов: ДВС и электрического. Достоинство первого – в удобном энергоносителе, жидком топливе, а второго – в выдающихся моментных характеристиках. В отличие от ДВС, электромотор не нужно заводить и «раскручивать». Он может «стоять и ждать» не потребляя энергии. Но как только дали ток – сразу получили максимальную тягу на колесах. Электродвигатель эффективнее двигателя внутреннего сгорания в режиме частых стартов и стопов (т.е., при езде в городском цикле). Двигатель внутреннего сгорания, наоборот, более эффективен на постоянных, оптимальных для данного двигателя оборотах.
В гибриде оба двигателя работают друг на друга. ДВС крутит генератор и питает энергией электромотор. Тот, в свою очередь, позволяет ДВС работать без резких разгонных нагрузок, в наиболее благоприятных режимах. Практически все современные гибриды имеют систему рекуперации или, по-русски, «возврата энергии». Суть ее в том, что при торможении или при движении машины накатом, электродвигатели начинают крутиться от колес и работать как генераторы, заряжая батарею. Отсюда – меньший износ, экологичность и экономичность (особенно в городском цикле.)
Итак, перед нами технологичный прогрессивный автомобиль, в котором нивелируются недостатки и объединяются достоинства двух моторов. Но., рано хлопать в ладоши, и послушаем, что говорят скептики.

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, не любят морозов, подвержены саморазряду, срок службы их ограничен несколькими годами. А «экономность» гибрида прямо связана с состоянием АКБ. Кроме того, существует проблема утилизации отработанных батарей. Гибриды дороже в ремонте, да и за сам ремонт возьмется далеко не каждый. Кроме того, высокую экологичность и экономичность гибридов многие тоже ставят под сомнение. Так, ряд тестов, проведенных авторитетными автомобильными изданиями, показал, что гибриды дают заметную экономию топлива только в городе, при движении же в смешанном цикле незначительно, а за городом существенно проигрывают современным дизелям. Почетное звание «Самый экологичный автомобиль года» в 2007 и 2008 годах присуждалось также автомобилям с дизельными моторами.
Рассмотрим подробнее, какими бывают и как устроены гибриды.
По степени гибридизации их делят на «умеренные», «полные» и plug-in. «Полный» в состоянии двигаться лишь на электричестве, не потребляя топлива. «Умеренный» всегда задействует ДВС, а электромотор подключается, если требуется дополнительная мощность. Гибрид с подзарядкой (plug-in hybrid) — такой гибрид можно включать в розетку для подзарядки. В результате обладатель подобного гибрида получает все преимущества электрического автомобиля, без самого большого недостатка: ограниченного пробега на одном заряде. Когда электрический заряд заканчивается, подключается ДВС и автомобиль превращается в обычный гибрид.
По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих авто, гибридные приводы принято разделять на три вида: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА

Это — самая простая гибридная конфигурация. ДВС используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса. Это избавляет от необходимости в коробке передач и сцеплении. Для подзарядки аккумулятора также используется рекуперативное торможение. Свое название схема получила потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд последовательных преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. При этом часть энергии неизбежно теряется. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить. При отключении ДВС электродвигатель и батарея в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения. Поэтому они, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а, значит, они имеют и большую стоимость. Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта. По такому принципу работают также большие карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (который должен быть обратимым, т.е. может работать в качестве генератора). Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах. Момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор. Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему. Поэтому параллельные гибриды могут использовать меньшую аккумуляторную батарею, по сравнению с последовательными. Так как ДВС непосредственно связан с колесами, то и потери мощности значительно меньше, чем в последовательном гибриде. Подобная конструкция достаточно проста, но ее недостатком является то, что обратимая машина параллельного гибрида не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС.

Приверженцем такой схемы гибридов является компания "Хонда". Их гибридная система получила название Integrated Motor Assist (Интегрированный помощник двигателя). Она предусматривает, прежде всего, создание бензинового двигателя с увеличенным к.п.д. И только тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже. Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов. Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохранённая при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнёт ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдёт на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях. В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Honda выпускает две гибридные модели:Insight и Civic.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Компания «Тойота» при создании гибридов пошла своим путем. Разработанная японскими инженерами система Hybrid Synergy Drive (HSD) объединяет в себе особенности двух предыдущих типов. В схему параллельного гибрида добавляется отдельный генератор и делитель мощности (планетарный механизм). В результате гибрид приобретает черты последовательного гибрида: автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге. На высоких скоростях и при движении с постоянной скоростью подключается ДВС. При высоких нагрузках (ускорение, движение в гору и т.п.) электродвигатель дополнительно подпитывается от аккумулятора- т.е. гибрид работает как параллельный. Благодаря наличию отдельного генератора, заряжающего батарею, электродвигатель используется только для привода колес и при рекуперативном торможении. Планетарный механизм передает часть мощности ДВС на колеса, а остальную часть на генератор, который либо питает электродвигатель, либо заряжает батарею. Компьютерная система постоянно регулирует подачу мощности от обоих источников энергии для оптимальной эксплуатации при любых условиях движения. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется только в наиболее эффективных режимах. Поэтому его мощность может быть ниже, чем в параллельном гибриде.
Важной особенностью ДВС также является то, что он работает по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Если работа двигателя организована по циклу Отто, то на такте впуска поршень, двигаясь вниз, создает в цилиндре разрежение, благодаря которому происходит всасывание в него воздуха и топлива. При этом в режиме малых оборотов, когда дроссельная заслонка почти закрыта, появляются так наз. насосные потери. (Чтобы лучше понять, что это такое, попробуйте, например, втянуть воздух через зажатые ноздри). Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. В ходе такта выпуска, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы еще находятся под давлением, и их энергия безвозвратно теряется- это так наз. потери выпуска.

В двигателе Аткинсона на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок. Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает по так наз. циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом, получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность. Но в том-то и суть, что мотор тойотовского гибрида функционирует в малонагруженных режимах, при которых этот недостаток цикла Аткинсона не играет большой роли.
К недостаткам последовательно- параллельного гибрида следует отнести более высокую стоимость, в виду того, что он нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления.

Система HSD установливается на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес-класса Camry, вседорожниках Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса — Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что, наверное, нет смысла считать гибридные автомобили решением всех проблем. Это скорее промежуточный этап на пути к будущей машине с нулевым выбросом вредных веществ. Гибридные технологии дают возможность отработать ее ключевые технические компоненты — емкие компактные аккумуляторы, оптимизированные системы «повторного использования» энергии, технологию быстрой зарядки от внешних источников, новые электродвигатели, облегченные кузова. Только массовое производство этих узлов сможет приблизить то время, когда вместо поездки на заправку достаточно будет подключить железного коня на часок к обычной домашней электросети — а потом ездить целый день без подзарядки. Похоже, что, сев за руль гибридного автомобиля, человеческая цивилизация сможет прибыть в светлое электромобильное будущее самым коротким и самым эффективным путем.