Появление гибридных автомобилей стало вынужденной мерой автопроизводителей в переходный период от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на углеводородном топливе к более чистым силовым установкам. Технологии ещё не позволяли создать полноценный электромобиль, машину на топливных элементах или какой-нибудь ещё из большого списка, теоретически возможных направлений развития автономного транспорта, а потребность уже созрела.
Правительства начали сильно зажимать автопром экологическими требованиями, а потребителям хотелось увидеть качественный шаг вперёд, а не очередные микроскопические улучшения известного не первое столетие мотора на одном из продуктов переработки нефти.
Какой автомобиль называют «гибридом»
Силовой агрегат промежуточного этапа стал представлять собой комбинацию из уже отработанной конструкции ДВС и одного или нескольких электромоторов.
Электрическая часть тяговой установки получает питание от генераторов, связанных механически с бензомотором или дизелем, аккумуляторных батарей и системы рекуперации, возвращающих в накопитель энергию, выделяющуюся при торможении автомобиля.
Все многочисленные схемы практической реализации идеи получили название гибридов.
Читайте также: Что такое тормозной суппорт и как он работает
Иногда производители вводят в заблуждение клиентов, называя гибридами системы, где электропривод используется лишь для запуска основного мотора в режиме «старт-стоп».
Поскольку связи электродвигателей с колёсами и возможности движения на электротяге здесь нет, то такие машины к гибридным относить некорректно.
Принцип работы гибридных двигателей
При всём разнообразии конструкций у подобных машин есть и общие черты. Но отличия настолько велики с технической точки зрения, что фактически это разные автомобили со своими преимуществами и недостатками.
Устройство
В состав любого гибрида входят:
- двигатель внутреннего сгорания со своей трансмиссией, бортовой низковольтной сетью питания и топливным баком;
- тяговые электродвигатели;
- накопительные аккумуляторные батареи, чаще всего достаточно высоковольтные, состоящие из последовательно и параллельно соединённых аккумуляторов;
- силовая электропроводка с высоковольтной коммутацией;
- электронные блоки управления и бортовые компьютеры.
Обеспечение всех режимов работы комплексной механической и электрической трансмиссии обычно происходит автоматически, на водителя возложено только общее управление движением.
Схемы работы
Соединить между собой электрическую и механическую составляющие можно разными способами, со временем выделились устоявшиеся конкретные, часто применяемые схемы.
Это не относится к позже появившейся классификации привода по удельной доли электротяги в общем энергетическом балансе.
Последовательная
Самая первая схема, наиболее логичная, но сейчас мало используемая в легковых автомобилях.
Основной её задачей стала работа в тяжёлой технике, где компактные электрические узлы успешно заменили громоздкую механическую трансмиссию, которой к тому же очень трудно управлять. Двигатель, как правило это дизель, нагружен исключительно на электрогенератор и с колёсами прямо не связан.
Вырабатываемый генератором ток может использоваться для заряда тяговой батареи, а там, где она не предусмотрена, отправляется непосредственно к электромоторам.
Тебе на заметку: Причины быстрого износа деталей тормозной системы
Их может быть один или несколько, вплоть до установки на каждое колесо автомобиля по принципу так называемых мотор-колёс. Величину тяги регулирует силовой электрический блок, а ДВС может постоянно работать в самом оптимальном режиме.
Параллельная
Эта схема сейчас наиболее распространена. В ней электромотор и ДВС работают на общую трансмиссию, а электроника регулирует оптимальное соотношение расхода энергии каждым из приводов. Связь с колёсами имеют оба двигателя.
Поддерживается режим рекуперации, когда при торможении электромотор превращается в генератор и подзаряжает накопительную батарею. Некоторое время автомобиль может двигаться только на её заряде, основной ДВС заглушен.
В ряде случаев используется батарея значительной ёмкости, снабженная возможностью внешнего заряда от бытовой сети переменного тока или специализированной зарядной станции.
В целом роль аккумуляторов тут невелика. Зато упрощается их коммутация, здесь не нужны цепи опасного высокого напряжения, а масса батареи значительно меньше, чем у электромобилей.
Смешанная
В результате развития техники электропривода и ёмкости накопителей роль электромоторов в создании тягового усилия увеличилась, что привело к появлению наиболее продвинутых систем последовательно-параллельной схемы.
Здесь старт с места и движение на небольших скоростях производятся на электрической тяге, а ДВС подключается лишь, когда потребуется высокая отдача и при исчерпании аккумуляторов.
Оба мотора могут работать в режиме привода, а продуманный электронный блок сам выбирает куда и как направлять энергетические потоки. Водитель может следить за этим на графическом информационном дисплее.
Это интересно: Что такое Адсорбер, устройство и принцип работы
Применяется дополнительный генератор, как в последовательной схеме, который может давать энергию электромоторам или заряжать аккумулятор. Рекуперация тормозной энергии происходит через реверс тягового электродвигателя.
Так устроены многие современный гибриды, в частности один из самых первых и известных – Toyota Prius
Как работает гибридный мотор на примере Тойота Приус
Этот автомобиль выпускается уже в третьем поколении и достиг определённой степени совершенства, хотя конкурирующие гибриды продолжают наращивать сложность и эффективность конструкций.
Основой привода здесь является принцип синергии, по которому в создании крутящего момента на колёсах могут в любом сочетании участвовать ДВС и электромотор. Параллельность их работы обеспечивает сложный механизм планетарного типа, где потоки мощности смешиваются и через дифференциал передаются на ведущие колёса.
Трогание с места и стартовое ускорение выполняет электромотор. Если электроника определяет, что его возможностей недостаточно, подключается экономичный бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона.
К сведению: Как проверить форсунки дизельного двигателя
В обычных автомобилях с моторами Отто такой термический цикл применять нельзя из-за переходных режимов. Но тут их обеспечивает электродвигатель.
Исключён режим холостого хода, если у Toyota Prius автоматически запускается ДВС, то для него сразу же находится работа, помогать в разгоне, заряжать батарею или обеспечивать климатическую установку.
Постоянно имея нагрузку и работая на оптимальных оборотах он минимизирует расход бензина, находясь в самой выгодной точке своей внешней скоростной характеристики.
Традиционный стартер отсутствует, поскольку такой мотор можно запустить только раскрутив его до значительных оборотов, что и делает реверсируемый генератор.
Аккумуляторы имеют разную ёмкость и напряжение, в наиболее сложной подзаряжаемой версии PHV это уже вполне обычные для электромобилей 350 вольт при 25 А*ч.
Достоинства и недостатки гибридов
Как и всякий компромисс, гибриды уступают чистым электромобилям и привычным классическим на нефтяном топливе.
Но при этом дают выигрыш по ряду свойств, для кого-то выступающих главными:
- упрощение средств, применяемых для борьбы с вредными выбросами ДВС;
- достижение некоторой экономии топлива, как бы это ни оспаривалось;
- возможность передвижения на чистой электротяге там, где применение ДВС запрещено;
- достаточно простое наращивание заявленной мощности;
- невозможность, в отличие от электромобиля, остаться без энергии вдали от электрической сети.
Все недостатки связаны с усложнением техники:
- потребность в грамотном персонале, специально обученном работе с гибридами;
- увеличение массы транспортного средства, на что тоже тратится топливо;
- более высокая цена автомобиля;
- проигрыш электромобилям из-за сохранения ДВС и всего, что с ним связано;
- пока ещё недостаточно отработанные технологии и отсутствие единого подхода к конструированию;
- плохая экологичность в производстве батарей и их утилизации.
Вполне возможно, что производство гибридов сохранится и после полного исчезновения классических автомобилей.
Это надо знать: Моторное масло с Молибденом — плюсы и минусы
Но произойдёт это только если будет создан единый компактный, экономичный и хорошо управляемый двигатель на углеводородном топливе, который станет хорошим дополнением к электрическому автомобилю будущего, существенно повысив его пока недостаточную автономность.
