Гибридный двигатель: исторические вехи развития и принцип работы двигателя

Ухудшение экологии и истощение ресурсов планеты подвигло человечество к поиску новых источников энергии. Известные автопроизводители все чаще устанавливают гибридный двигатель не только на модели эконом класса, но и на престижные автомобили. Если с принципом работы традиционных силовых установок знакомо большинство автовладельцев, то функционирование новых двигателей остается для них загадкой.

История гибридных двигателей

Для многих людей совмещение ДВС и электромотора ассоциируется с ультрамодным, высокотехнологичным направлением в автопроме. Но первое применение гибридных технологий, похожих на современные, относится к концу XIX — началу XX веков. Первыми «ласточками» стали двигатели от французской компании Compagnie Parisienne des Voitures Electriques. Производство началось в 1897 году и длилось 10 лет.

Известный конструктор Фердинанд Порше начинал свою деятельность молодым инженером в компании Jacob Lohner & Co. В 1898 году он совместно с хозяином компании построил автомобиль на электрической тяге. Назывался он Lohner Electric Chaise. На каждом колесе автомобиля располагались электромоторы. Они могли развивать мощность до 3,5 л.с каждый.

В 1901 году электрокар получил лестные отзывы на Парижском автосалоне и первый заказ. Покупатель попросил доработать автомобиль — совместить ДВС и электромотор, чтобы машина могла ездить на большие расстояния. В результате получился удачный автомобиль Lohner-Porsche Mixte. Последнее слово в названии означает «смешанный».

Было выпущено около 300 экземпляров. Машина развивала скорость до 60 км/ч. Порше выиграл на ней гонку Exelberg Rally. Точное описание работы двигателя не сохранилось. По одним данным осуществлялась координация между ДВС и электромоторами, по другим — основная нагрузка приходилась на обойму батарей в количестве 44 штук. Каждая из них имела напряжение в 80 В, общий вес был равен 1800 кг.

Первые 10 лет XX века гибридных автомобилей выпускалось много, в Америке инженер Пайпер официально впервые запатентовал двигатель смешанного типа. В Нью-Йорке в это время было зарегистрировано около 60 такси, работающих на гибриде. Особую популярность электрокары приобрели у женщин, так как управлять такими авто было легче.

Закат первой волны гибридов был вызван революцией в автопроме, которую совершил Генри Форд. Его массовый Форд-Т значительно снизил цену бензинового авто. Также в Техасе стали добывать нефть, что привело к удешевлению бензина. Дороги были улучшены и связаны в единую сеть. Поэтому к концу 20-х годов гибриды сошли с трасс, сдав позиции бензиновым «собратьям».

Второй всплеск интереса к смешанным двигателям произошел в 60-70 года. Толчок был дан Конгрессом США, который в 1960 году озаботился экологией и принял закон, поощряющий использование гибридов. В Америке компания TRW разработала в 1968 году систему смешанного типа, которая используется и в настоящее время.

В СССР также велись исследования. Занимался ими Нурбей Гулиа. В 60-70 годах он добился прогресса — расход топлива на испытуемом автобусе ЗИС-154 был снижен в 2 раза. Далее последовал нефтяной кризис 1973 года, который подстегнул конструкторов к поиску оптимальных решений.

Последующие 25-30 лет были выпущены гибриды от известных производителей: Volkswagen Taxi Hybrid, GM EV1 и Toyota RAV-4 EV. Они привлекли внимание покупателей, продавались небольшими партиями. Но в этот период шли интенсивные исследования, которые позволили возродиться гибридам в конце XX — начале XXI веков.

В 1999 году Honda представила модель Insight. Автомобиль расходовал всего 3 л на 100 км. Благодаря этому, он активно продавался на территории США. Настоящим прорывом следует считать автомобиль Toyota Prius, первые экземпляры которого стали продаваться в 1997 году.

Конструктивные решения, примененные на этом гибриде, стали использоваться многими производителями. Он стал первым массовым автомобилем смешанного типа, практически нарицательным именем гибридов. Выпущено уже 4 поколения Pirus. Под влиянием успеха Toyota другие известные производители стали выпускать гибриды, их линейка постоянно расширяется.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Без знания основ работы гибрида, трудно понять, что значит совместное или синергическое функционирование двух типов двигателей. Рассмотреть как работает современный гибридный двигатель можно на примере Тойота Pirus. Особенность функционирования таких моторов выражается в различных схемах подключения.

Полная конструкция гибрида

Несмотря на некоторое отличие смешанных моторов друг от друга, существуют базовые узлы, присущие каждому из них. Гибрид состоит из:

  • ДВС или двигатель внутреннего сгорания — имеет меньшие размеры, чем у топливных автомобилей;
  • электродвигатель — существуют различные схемы установки;
  • трансмиссии — возможны разные варианты: от МКПП и АКПП до интегрированных коробок;
  • аккумуляторный отдел — состоит из стандартной 12 В батареи и высоковольтной, служащей для запуска электромотора;
  • бак для топлива;
  • инвертор — преобразует ток от высоковольтного аккумулятора в трехфазный, который запускает электромотор.

Все части могут иметь разную схему установки, но работают по одному из нескольких алгоритмов.

Функционирование двигателя гибрида

В гибридах от слаженности работы тандема ДВС и электромотора зависит эффективность автомобиля. Алгоритм принципа работы гибридного двигателя можно сформулировать в трех пунктах:

  • При движении на малых скоростях, например, в городской черте, «трудится» электромотор.
  • На больших расстояниях, с большими скоростями нагрузка приходится на топливный двигатель.
  • В смешанном типе, когда ускорения сменяются неторопливой ездой, задействуются оба мотора.

Также современные гибриды оснащаются системой KERS. Она позволяет кинетическую энергию, возникающую при торможении, преобразовывать или рекуперировать в электрическую. В результате происходит подзарядка высоковольтного аккумулятора, и продление хода электрической тяги. При больших нагрузках электромотор включается и помогает своему «собрату», снимая него часть усилия, сглаживает резкие колебания.

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

По способу взаимодействия между электромотором и ДВС гибридные двигатели делятся на 3 типа. Автопроизводители используют один из трех вариантов при конструировании.

Последовательная схема

Этот вариант использовался еще при Порше при конструировании Mixte. Самый простой в реализации способ. Для движения используется исключительно электрический мотор. ДВС используется только для зарядки высоковольтного аккумулятора, также применяется система KERS.

Здесь можно обойтись небольшим ДВС, работающим на постоянных оборотах, а при полной зарядке аккумулятора его можно выключить. Нет необходимости в коробке передач. Нужны большие аккумуляторы, что утяжеляет автомобиль.

Применить такое взаимодействие можно только при условии езды с частыми остановками, с небольшими скоростями. При этом будут большие потери энергии из-за частых преобразований из механической в электрическую и обратно. Поэтому применяется схема на городском транспорте и на грузовых автомобилях, где необходим высокий крутящий момент при небольших скоростях.

Параллельная схема

Более распространенный тип взаимодействия. Множество машин построено по данному принципу. Здесь в «главной роли» задействован ДВС. Электромотор лишь помогает ему при больших нагрузках, например, при разгоне или первоначальном движении. В остальных случаях электродвигатель заряжает аккумулятор.

Здесь меньше теряется энергии, не нужны громоздкие аккумуляторы. Также конструкцию дешевле воспроизвести, чем предыдущую. Но автомобиль увеличивает потребление топлива по сравнению с другими гибридами, особенно в городе.

Последовательно-параллельная схема

Самая совершенная схема соединения, вобравшая в себя лучшие стороны двух предыдущих и одновременно нивелирующая их недостатки. Такие значимые автомобили, как Toyota Pirus, Ford Escape Hybrid, Nissan Altima Hybrid, гибридные модели Lexus сконструированы по подобной схеме.

Соединение похоже на параллельное, но добавлены планетарная передача и еще один генератор. При малых скоростях движение происходит исключительно за счет электромотора, ДВС занят зарядкой аккумулятора. При больших оборотах начинается совместная работа двух типов двигателей. При этом высоковольтная батарея заряжается дополнительным генератором, введенным в схему.

Планетарная передача распределяет момент от топливного двигателя между генератором и колесами. Регулировка происходит под управлением электронного блока, который также контролирует подачу энергии от ДВС и электромотора.

Схема позволяет добиться максимальной эффективности при минимальном потреблении топлива. Но она сложна в исполнении, стоимость реализации выше двух предыдущих.

Типы гибридных агрегатов

В зависимости от типа взаимодействия двигателей различают 3 вида гибридов. Последовательную систему часто называют REX, что расшифровывается, как «Range Extender» — «Увеличитель дальности пробега». Название появилось от модели BMW i3 REX, где был установлен двухцилиндровый топливный двигатель для подзарядки аккумулятора. Также по схеме REX выпускались SsangYong Actyon EV-R, Chevrolet Volt. Самый большой самосвал БелАЗ также имеет последовательный гибрид.

Параллельный гибрид внедрялся в основном компанией Honda. Система называлась IMA — Integrated Motor Assist, разрабатывалась в конце 90-х годов, была реализована на автомобилях Civic, CR-Z, Accord. Также похожие разработки проводила Mitsubishi.

Последовательно-параллельные гибриды в основном ассоциируются с компанией Toyota и ее знаменитой технологией Toyota HSD — Hybrid Synergy Drive, что расшифровывается как «Гибридный синергетический привод». Все гибриды компании работают по данной технологии, по лицензии на технологию выпускались некоторые автомобили Nissan, Ford.

Кроме деления на типы по схемам взаимодействия двигателей, машины со смешанными моторами делятся по виду электрификации.

Классификация по степени электрификации

Электродвигатель может иметь различную степень участия в движении автомобиля. Некоторые выполняют только функцию глушения и старта двигателя, другие полноценно участвуют в езде. Для разного участия существуют отличные названия.

Микрогибрид

Название отражает назначение электромотора. Он не задействуется при движении, используется только для глушения двигателя на коротких остановках, при этом он сохраняет включенными все электрические системы автомобиля. Сокращает потери топлива на холостом ходу. Также он производит запуск ДВС при возобновлении движения, зарядку аккумулятора при торможении.

Мягкий гибрид

Mild Hybrid — мягкий или умеренный гибрид. Данный двигатель, мощностью от 30 до 60 кВт, не способен самостоятельно поддерживать движение. Но кроме глушения и старта ДВС, он помогает топливному мотору при разгоне, когда автомобиль трогается с места, имеет систему KERS. Наиболее популярный тип гибрида, так как комбинирует невысокую цену с экономией топлива, значительно повышает эффективность ДВС.

Полный гибрид

Мощный электромотор от 60 до 250 кВт выполняет все функции предыдущих двух типов. Способен самостоятельно обеспечивать движение автомобиля на малых скоростях. Устанавливается электрический масляной насос, чтобы работа АКПП не прерывалась при отключении топливного двигателя. Необходима высоковольтная батарея емкостью не менее 400 А*ч. Все это делает автомобиль дорогим, по сравнению с бензиновыми аналогами, но значительно экономится топливо.

Гибриды плагины

Наиболее модное направление гибридов. PHV/PHEV — Plug-in Hybrid Electric Vehicle, автомобиль может подзарядиться от внешнего источника. Это главное преимущество перед остальными гибридами. Он способен проехать до 800 км на одной зарядке и с полным баком. Доехав до города, можно подзарядить машину от электрической сети, и продолжить движение, экономя топливо.

Преимущества и недостатки гибридных авто

После рассмотрения принципа работы и типов гибридов можно обозначить плюсы и минусы . Положительные стороны:

  • Экономия топлива до 25-30%.
  • Наносится меньший вред окружающей среде. ДВС не работает при остановках.
  • Использование двух типов топлива повышает дальность пробега автомобиля по сравнению с бензиновыми аналогами.
  • Рекуперация или восполнение энергии снижает затраты на каждые 100 км.
  • Электромоторы повышают производительность классических топливных двигателей и снижает нагрузку на них.

Отрицательные качества:

  • Цена на гибриды больше на 30-50%.
  • Обслуживание и ремонт дороже, чем у классических аналогов.
  • При холодной погоде снижается дальность пробега из-за уменьшения емкости высоковольтных аккумуляторов. Также они дорого стоят.
  • Бесшумность гибридов создает угрозу безопасности пешеходам. Они могут не услышать приближения автомобиля.

Гибриды стали больше продаваться, многие компании расширяют линейки с их участием. Несмотря на более высокую стоимость, многие автолюбители предпочитают смешанные силовые установки из-за их экономичности, бесшумности. Гибриды плагины являются хорошей альтернативой бензиновому авто.

Ссылка на основную публикацию