Принцип роботи гібриду Гібридний двигун

Все більше, останнім часом людина замислюється про екологію. Не винятком стає автоіндустрія. З кожним роком підвищуються екологічні стандарти, а з цим модернізуються та удосконалюються двигуни транспортних засобів. Гібридний двигун – одне з рішень покращення екологічності використання автомобіля.

Що таке гібридний двигун

Що ж таке гібридний двигун та його пристрій? Саме слово «гібрид» перекладається з латини, як «місяць». По факту - це суміш класичного варіанту силового агрегату і електромотора. Так, привід провідних коліс ведеться шляхом обертання за допомогою звичайного двигуна внутрішнього згоряння або електродвигуном.

Кожен із силових агрегатів виконує рух певну функцію. Так, коли транспортний засіб стоїть у міських пробках, рух здійснюється за допомогою електромотора, а ось на трасі в роботу вступає бензинова силова установка.

Плюси «гібриду»

Мабуть, найбільшим плюсом використання гібридного силового агрегату є його економічність. Як правило, такий двигун споживає на 25-30% менше пального, від стандартних бензинових двигунів.

Другим позитивним моментом є висока екологічна норма. Оскільки зменшується витрата палива, то в екосистему йде менше викидів відпрацьованих вихлопних газів.

Третім плюсом стає те, що батареї для електромотора заряджаються від бензинового двигуна і якщо вони сядуть, завжди можна переключитися на бензин. Сюди можна віднести однакові технічні характеристики. За потужністю «гібрид» нічим не поступається звичайному мотору.

Найкраще «гібридний» двигун почувається у міському циклі використання, де є часті зупинки. У такому разі, в основному, працює сам електродвигун. У багатьох країнах «гібридними» автомобілями їздить міська поліція.

Мінуси використання «гібриду»

Першим мінусом, який варто відзначити, є дорогий ремонт гібридних двигунів. Виробники «гібриду» пояснюють це тим, що силовий агрегат є конструктивно складним, що в обслуговуванні, і у відновленні.

Акумуляторні батареї гібридного двигуна досить чутливі до перепадів і зниження температури, через що при падінні нижче -15 градусів Цельсія, вони швидко розряджаються, і експлуатація проводиться в основному на бензині.

Висока вартість транспортного засобу з гібридним мотором. Не кожен автолюбитель здатний дозволити собі машину, яка коштує 20 000 доларів. Незважаючи на це, низка країн запровадила пільгові податки на розмитнення, реєстрацію та використання гібридних двигунів, щоб стимулювати покупців до купівлі даних автомобілів. На території країн СНД це поки що не зробилося.

Сучасні показники

Toyota лідирує за кількістю гібридів і активно випускає ці автомобілі з 1997 року, причому в модифікаціях як звичайних автомобілів серії Prius, кросоверів серії Lexus RX400h, так і люкс-класу автомобілів - Lexus LS 600h.

За підсумками 2006 року у всьому світі було продано понад півмільйона лише моделі Prius. Технологію гібридного приводу Toyota HSD ліцензували Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Масове виробництво гібридних автомобілів стримується дефіцитом нікель-металогідридних акумуляторів.

У 2006 році в Японії було продано 90 410 гібридних автомобілів, що на 47,6% більше, ніж у 2005 році.

У 2007 році продажі гібридних автомобілів у США зросли на 38% порівняно з 2006 роком. Гібридні автомобілі в США займають 2,15% ринку нових легкових автомобілів. Усього за 2007 рік у США було продано близько 350 000 гібридних автомобілів (без урахування продажів корпорації GM).

Усього з 1999 року до кінця 2007 року в США було продано 1002000 гібридних автомобілів.

Висновок

Як показує сучасна тенденція, все більше автомобілістів починає віддавати перевагу гібридним силовим агрегатам. Вони більш економічні, безшумні та екологічні. Недоліком використання є дорогий ремонт і чутливість батарей до перепаду температури.

Гібридний автомобіль (hybrid) є транспортом, який оснащується не звичним двигуном внутрішнього згоряння, а так званим гібридним силовим агрегатом. Головною відмінністю гібридних автомобілів є те, що транспортні засоби даного типу наводяться в рух за допомогою декількох джерел енергії: теплової та електричної. Іншими словами, гібридна машина має на борту кілька типів двигунів, які рухають автомобіль.

Що стосується самого поняття гібридного двигуна, то цей термін багатьма помилково сприймається як особлива силова установка. Насправді під «гібридом» слід розуміти кілька двигунів різного типу, які об'єднані в комплексну єдину систему перетворення різних джерел енергії в корисну роботу. У сучасному автомобілебудуванні машини гібриди оснащуються двома типами силових агрегатів: електродвигун працює у парі із двигуном внутрішнього згоряння.

Читайте у цій статті

Основні переваги та недоліки гібридних авто

Однією з перших розробок була схема, де кожна з силових установок задіюється за певних умов. Якщо машина простоює чи рух відбувається на малій швидкості, тоді колеса крутить електродвигун. Для прискорення та подальшої підтримки швидкості підключається бензиновий двигун. Подальший розвиток технології призвело до того, що на гібридах зустрічається кілька варіантів реалізації взаємодії звичного двигуна та електричного двигуна. Така взаємодія може бути:

• послідовним;
• паралельним;
• послідовно-паралельним;

Послідовна взаємодія

Послідовна схема нагадує електромобілі, оскільки рух транспортного засобу реалізується у вигляді роботи електромотора. ДВЗ у такій конструкції підключається до генератора, від генератора живлення надходить на сам електродвигун, а також паралельно відбувається заряд акумуляторної батареї. На одному заряді літій-іонного акумулятора із збільшеною ємністю найчастіше можна пройти близько 50 км. шляхи, після чого задіяно ДВС, який продовжує зазначений відрізок до 10 разів (близько 500 км.)

Паралельна взаємодія

Гібриди з паралельною взаємодією установок передбачають можливість як окремої роботи ДВЗ та електромотора, так і одночасне функціонування. Дана конструкція реалізується шляхом об'єднання за допомогою спеціальних муфт електричного агрегату, двигуна внутрішнього згоряння та трансмісії. Подібні автомобілі гібридного типу одержують малопотужний електродвигун, який не тільки рухає автомобіль, а й віддає потужність при розгоні. Найчастіше такий електромотор є стартером та автомобільним генератором, конструктивно займаючи проміжне положення між ДВС та КПП.

Послідовно-паралельна взаємодія

У зазначеній конструкції двигун внутрішнього згоряння та електромотор з'єднуються за допомогою планетарного редуктора. Особливістю даної схеми реалізації є те, що кожна силова установка може задіятися та відключатися, віддаючи при цьому мінімум чи максимум потужності на колеса. Більш того, вказана потужність віддається окремо або одночасно. У пристрої такої схеми є генератор, який живить електромотор гібрида.

Лідером на ринку гібридних автомобілів сьогодні є корпорація Toyota, яка використовує послідовно-паралельну реалізацію під назвою Hybrid Synergy Drive.

Електричний двигун, ДВС та генератор об'єднані у загальну систему за допомогою планетарного редуктора. Двигун внутрішнього згоряння віддає мінімум потужності на низах (цикл Аткінсона), дозволяючи економити паливо. Гібридний автомобіль з такою схемою взаємодії передбачає:

1. Економічний режим руху лише на електротязі з відключеним ДВС, під час якого електродвигун живиться від акумулятора.
2. Підтримка заданої швидкості шляхом розподілу потужності ДВС на колеса і генератор, від якого живиться електродвигун, що паралельно працює. Також здійснюється дозаряджання акумулятора.
3. Режим інтенсивного прискорення та серйозних навантажень, коли ДВЗ та електромотор працюють паралельно. У цьому режимі електричний двигун живиться від батареї без відбору потужності у генератора.

Експлуатація гібридів: руйнуємо міфи

• Гібридні авто є новинкою, яка до кінця не вдосконалена і має багато недоробок. Це міф, оскільки бренд Toyota займається повномасштабним серійним виробництвом гібридних моделей майже 20 років.
• У гібридах розряджаються акумулятори, що призводить до проблем. Це правда, але лише частково. На початкових етапах розвитку технології подібні випадки траплялися, але сьогодні високоточна електроніка не допускає глибокого розряду батареї.
• Гібридні авто частіше ламаються, їх дорого та складно ремонтувати. Це міф, оскільки гібридні автомобілі не менш надійні в експлуатації порівняно із звичайними дизельними та бензиновими ДВС. Більшість СТО комплексно обслуговують гібриди нарівні зі звичайними авто. Більше того, КПП у гібридах виключає наявність фрикціонів, що робить таку трансмісію простою та надійною, чого не скажеш про різні типи АКПП. Щодо ДВС, мотор на гібридах частіше працює на низьких оборотах, не виходить на пікові навантаження. Якщо врахувати цикл Аткінсона, тоді моторесурс двигуна на гібриді набагато більше звичайного мотора.
• ДВЗ гібрида має меншу потужність, такі авто втрачають у динаміці порівняно з аналогами. Так, потужність ДВС на гібридах менша, але за рахунок додавання електромотора сумарна потужність установок значно перевищує потужність звичайних аналогів з одним бензиновим мотором.
• Витрата гібридної машини практично не сильно відрізняється від звичайного авто. Частково це правда, оскільки показник витрати гібридних автомобілів залежить від режимів їзди. Для досягнення максимальної економічності необхідно змінити стиль водіння на повільний, спокійний та плавний, уникаючи розгонів, активного дроселювання тощо. Іншими словами, сильні натискання на педаль газу даватимуть команду системі управління до того, що необхідно завести ДВЗ.

Ідея економії пального в гібридних авто полягає в тому, щоб при зарядженому акумуляторі якомога довше рухатися лише на електротязі на швидкостях до 60 км/год., чого найчастіше вистачає у щільному міському потоці. Також необхідно додати, що система враховує велику кількість факторів: зовнішню температуру, ступінь прогріву ДВЗ і заряд батареї, рух під ухил або на гірку і т.д. У різних умовах гібрид може використовувати ДВС, а може пересуватися тільки на електричній енергії.

• Акумулятор для гібрида важко знайти у вільному продажу, а також батарея займає багато місця у багажнику автомобіля. Це міф, тому що акумулятори для гібридів завжди доступні для замовлення в авто магазинах, а також представлений широкий вибір на різних Інтернет-ресурсах. Що стосується вільного місця, батарея практично не займає корисного простору в багажному відсіку.
• На гібридну машину не можна поставити газ. Це міф, оскільки світові виробники виготовляють обладнання, сумісне із гібридним авто.

Читайте також

Як самостійно помити і висушити двигун підручним засобами. Основні поради та рекомендації для безпечного миття двигуна своїми руками.

Прототип автомобіля із гібридним двигуном з'явився ще наприкінці 19 століття. Сьогодні він є транспортним засобом, здатним при невеликій швидкості не використовувати паливо, а здійснювати рух за рахунок електричної енергії.

Гібридний двигун – це система, що складається з електричного та паливного двигунів. При цьому в період роботи кожен може бути задіяний як окремо, так і обидва в незалежних циклах.

Пристрій та принцип роботи

Найпоширеніший режим роботи гібридного двигуна полягає в тому, що при русі авто на невеликій швидкості, наприклад, у межах міста, використовується його електричний блок. Під час руху машини трасою – в роботу включається двигун внутрішнього згоряння (ДВС). У разі великого навантаження, наприклад, при різких підйомах в гору, в роботу включаються обидва двигуни.

Безумовно, до плюсів такого пристрою можна віднести те, що при використанні електричного двигуна, значно скорочується витрата палива, так як він працює від енергії акумулятора, що постійно поповнюється.

Можливість, хоча б частково, знизити кількість шкідливих речовин, що викидаються в повітря, - ще один плюс гібридної системи автомобіля.

Гібриди характеризуються малою потужністю, що допомагає компенсувати ДВС.

Двигуни у гібридах можуть бути як бензинові, так і дизельні. Більш того, виробники газобалонного обладнання (ГБО) розробили системи, здатні працювати на цих автомобілях.

Приклад конструкції гібриду

Пристрій гібрида включає:

Його пристрій та розміри сконструйовані таким чином, що дозволяє знизити вагу, шкідливі викиди та витрату палива.

Електродвигун розроблений з урахуванням особливостей гібриду. Його зробили не тільки згенеровано працюючим із паливним блоком, а й приділили особливу увагу показникам потужності. Паралельно він виробляє енергію для заряджання АКБ автомобіля. Може бути виконаний вбудованим у силову установку або розміщуватися окремо від неї, в деяких моделях використовуються відразу обидва варіанти.

Трансмісія. Робота трансмісії гібрида фактично збігається із її пристроєм на звичайних автомобілях. Але, залежно від виду гібридного двигуна, вони можуть відрізнятись. Коробки передач у них бувають як гібридні з інтегрованим електродвигуном, так і звичайні механічного та автоматичного виконання. Наприклад, трансмісія автомобіля Toyota влаштована із розгалуженням потоків потужності. Двигун такого типу працює у режимі плавних навантажень, що допомагає значно економити витрати палива.

Паливний бак. Необхідний для живлення паливом ДВЗ. Для наочності того, що має ряд переваг, хотілося б навести один факт на користь цього: енергія, що отримується при згорянні 1 літра бензину, порівнянна з енергією, що виробляється акумулятором вагою близько 450 кг.

Акумулятор. Його головна функція - вироблення достатнього рівня енергії для роботи електродвигуна. В авто використовується дві батареї, високовольтна та звичайна на 12 (В) для живлення бортової мережі. Спочатку до запуску всіх систем живлення йде лише від стандартного , оскільки для роботи високовольтної батареї та інвертора необхідне постійне охолодження.

Інвертер перетворює постійний струм високовольтної батареї в трифазний змінний для електродвигуна і навпаки. Також регулює розподіл енергії та керує електродвигуном.

Генератор. Його принцип роботи такий самий як у електродвигуна, але спрямований на розвиток електричної енергії.

3 типи гібридних агрегатів

Як було вже зазначено раніше, гібридна система автомобіля є комбінуванням моторів, свого роду, дві різних схрещених технології. Техніку гібридного приводу характеризують у двох напрямках – це двопаливний або бівалентний та гібридний силовий агрегат.

Даний поділ на дві комбінації силових агрегатів визначено для їхньої класифікації за різним принципом роботи.

Пристрій гібридного силового агрегату включає двигун внутрішнього згоряння і електродвигун-генератор. Таким чином, електродвигун це генератор енергії, і тяговий електродвигун, і стартер для пуску ДВС.

Існує три типи гібридного силового агрегату. Головним критерієм для класифікації є виконання основної конструкції. Отже, виділяють: мікрогібридний силовий агрегат, середньогібридний силовий агрегат та повногібридний силовий агрегат.

Мікрогібридний силовий агрегат

Концептуальна особливість даного типу приводу полягає в його електричній частині, яка необхідна лише для виконання функції старт-стоп. При цьому частина виробленої кінетичної енергії повторно використовується як електроенергія (процес рекуперації).

Привід виключно за рахунок роботи електричної тяги неможливий. Робочі характеристики 12-вольтного гібридного акумулятора з наповнювачем зі скловолокна пристосовані до частих пусків двигуна. Також для накопичення енергії від рекуперації може використовуватися накопичувач як електрохімічного конденсатора.

Мікрогібрид від компанії Mazda

Середньогібридний силовий агрегат

Електричний привід допомагає роботі двигуна внутрішнього згоряння. При цьому рух гібрида лише за рахунок електротяги не здійснюється. У даного типу гібридного мотора електрична енергія регенерується при гальмуванні, а потім накопичується у акумуляторній високовольтній батареї.

Пристрій високовольтної АКБ гібриду та всіх його електричних частин відповідає необхідному рівню напруги, що дозволяє виробляти досить високу потужність. У результаті завдяки підтримці ДВС електродвигуном його робота характеризується максимальною ефективністю.

Повногібридний силовий агрегат

Робота двох моторів: електродвигуна та двигуна внутрішнього згоряння, в даному типі комбінується між собою. Повногібридний тип дозволяє машині рухатися тільки за рахунок електричної тяги та досить великої відстані. За певних умов силовий агрегат функціонує як середньогібридний.

У цих автомобілях встановлюються досить потужний електродвигун і високовольтні АКБ більшого обсягу, що дозволяє їм видавати такі характеристики. Основою підзарядки батареї є також процес рекуперації енергії.

Функція "старт-стоп" реалізована для двигуна внутрішнього згоряння, який запускається лише за необхідності. А роз'єднання ДВС з електродвигуном здійснюється з допомогою встановленого зчеплення з-поміж них, тому можуть функціонувати незалежно друг від друга.

Схеми взаємодії роботи електродвигуна та ДВС

Автомобілі-гібриди сконструйовані за трьома схемами взаємодії двигунів. Розглянемо кожну їх.

Послідовна схема взаємодії

Даний принцип пристрою є найпростішим варіантом автомобільного двигуна-гібрида. Його схема роботи така: момент, що крутить, від двигуна внутрішнього згоряння йде до генератора. Потім генератор виробляє необхідне роботи електрику і передає їх у акумулятор. Додатково підзаряд акумулятора здійснюється шляхом процесу рекуперації кінетичної енергії. У цій схемі рух автомобіля здійснюється лише за рахунок електричної тяги.

Ця схема характеризується послідовним перетворенням енергії, тобто. енергія, що надходить від палива, що згоряється в двигуні внутрішнього згоряння, перетворюється в механічну, далі трансформується в електричну за рахунок генератора, і потім знову перетворюється в механічну енергію.

Позитивні сторони послідовної схеми:

1. Робота двигуна внутрішнього згоряння складає постійних оборотах.
2. Не виникає потреби у двигуні з великою потужністю та споживанням палива.
3. Коробка передач, як і зчеплення, тут не потрібні.
4. Електрична енергія високовольтної АКБ гібрида дозволяє рухатися автомобілю із заглушеним ДВЗ.

Негативні сторони послідовної схеми:

1. На етапах перетворення енергії відбувається її втрата.
2. Габарити та вартість АКБ досить високі.

Найяскравіший представник гібридного автомобіля із послідовною схемою взаємодії Chevrolet Volt

Якщо говорити про відповідний варіант руху автомобіля з послідовною схемою взаємодії, то це міський трафік з частими зупинками, коли постійно в роботу включається система рекуперації енергії.

Паралельна схема взаємодії

Таку назву ця схема отримала тому, що двигуни авто працюють постійно разом. Принцип роботи цього типу взаємодії двох модулів відбувається за рахунок електроніки авто, електродвигуна та ДВС. Обидва двигуни з'єднані з коробкою за допомогою планетарної передачі.

Чисто на електричній енергії такі гібриди здатні їхати не тривалий час, при цьому ДВЗ відключається від трансмісії зчепленням.

Блок управління розподіляє момент, що крутить, від обох двигунів в залежності від режиму руху автомобіля. Двигуну внутрішнього згоряння відведено важливішу роль, а електродвигун запускається за необхідності додаткової тяги, наприклад, коли авто різко прискорюється. При гальмуванні чи плавному русі електромотор працює як генератор електроенергії.

Електромотор впроваджений у коробку передач BMW 530E iPerformance

Існують модифікації з електродвигуном окремо від ДВЗ, вони є складною системою, але в той же час ефективною. Цей модуль складається з двох електромоторів, тягового з'єднаного через планетарну передачу з другим, який є генератором і стартером.

У такій схемі ДВС не пов'язаний безпосередньо з колесами, що дозволяє постійно передавати частину моменту генератору і зарядити батарею.

Силова установка паралельного гібрида із незалежними електромоторами

Позитивні сторони паралельної схеми:

Так як основна робота відведена ДВС, то не виникає потреби в установці потужної високовольтної батареї. Двигун внутрішнього згоряння безпосередньо пов'язаний із провідними колесами, тому втрати енергії значно менші.

Негативні сторони паралельної схеми:

Найголовніший мінус даної схеми - це більша витрата палива в порівнянні з іншими схемами взаємодії двигунів. Виходить, що заощадити на міському трафіку не вийде, найвдалішим варіантом буде рух трасою.

Послідовно-паралельна схема взаємодії

Вже сама назва цієї схеми вказує на те, що цей тип – це варіант поєднання двох раніше розглянутих схем: послідовної та паралельної. Рух автомобіля на низькій швидкості та його старт з місця здійснюється лише за рахунок сили електричної частини. ДВС підтримує роботу генератора авто, як із послідовної схемою взаємодії. Передача моменту, що крутить, від ДВС на колеса відбувається при русі на великій швидкості.

При високих навантаженнях, що вимагають підвищеної потужності, генератор автомобіля може не видати потрібну кількість енергії, і в такому випадку електродвигун живиться додатково від акумулятора, як при паралельній схемі взаємодії.

У цій схемі передбачений додатковий генератор, він заряджає АКБ. Електродвигун необхідний лише для приводу провідних коліс та для забезпечення рекуперативного гальмування.

Частина моменту, що крутить, переходить від двигуна внутрішнього згоряння, йде на провідні колеса, а деяка його частина - для роботи генератора, який у свою чергу живить електродвигун і заряджає АКБ.

За напрям крутного моменту на колеса, генератор або електродвигун та його співвідношенні відповідає планетарний механізм – розподільник потужності. Регулюванням подачі потужності з генератора та батареї займається електронний блок керування автомобіля.

Також ця технологія застосовується і на повнопривідних гібридних авто. На передній осі встановлений ДВЗ з електродвигуном за паралельною схемою, а на задній тільки електродвигун має зв'язок з ДВЗ за послідовною схемою.

Повнопривідний гібрид від компанії Mitsubishi

Позитивні сторони послідовно-паралельної схеми:

Не складно здогадатися, що незаперечним плюсом даної схеми гібрида є його велика економічність палива у поєднанні з хорошими характеристиками потужності. Цінителі природи оцінять її екологічність.

Негативні сторони послідовно-паралельної схеми:

Серед негативного - це складніша конструкція в порівнянні з попередніми схемами, і як наслідок, велика ціна. Оскільки необхідний додатковий генератор, ємна АКБ та складна електронна схема керування.

Висновок

Ми розглянули всі типи гібридів і схеми їхньої взаємодії, але в цілому існує безліч видів, які складно віднести до однієї з них, оскільки з часом технології все більше поєднуються і допрацьовуються.

На одних використовують гідромуфти з редуктором замість планетарної передачі, на інших експериментують із заднім розташуванням ДВЗ або взагалі розносять по двох осях ДВЗ та електродвигун. Конструктори не зупиняються на досягнутому та все більше розвивають цей напрямок.

Autoleek

Як працює, розглянемо на прикладі Touareg, із гібридним силовим агрегатом.

Що означає поняття "техніка гібридного приводу"?

Термін «гібрид» бере свій початок від латинського слова hybrida, і означає щось схрещене або змішане. У техніці гібридом називають систему, в якій комбінуються одна з одною дві різні технології. У зв'язку з концепціями приводу термін технологія гібридного приводу застосовується для позначення двох напрямків: бівалентний (або двопаливний) силовий агрегат гібридний силовий агрегат

У разі гібридної технології приводу йдеться про комбінацію з двох різних силових агрегатів, робота яких ґрунтується на різних принципах дії. В даний час під технологією гібридного приводу мають на увазі комбінацію двигуна внутрішнього згоряння та електродвигунагенератора (електромашини). Ця електромашина може використовуватися як генератор для вироблення електричної енергії, тяговий електродвигун для руху автомобіля та стартер для запуску двигуна внутрішнього згоряння. Залежно від виконання основної конструкції розрізняють три види силового гібридного агрегату: т.зв. "Мікрогібридний" силовий агрегат, т.зв. «Середньогібридний» силовий агрегат, т.зв. "повногібридний" силовий агрегат.

"Мікрогібридний" силовий агрегат

У цій концепції приводу електричний компонент (стартер/генератор) служить виключно реалізації функції Стартстоп. Частину кінетичної енергії можна знову використовувати як електричну енергію (рекуперація). Привід лише від електричної тяги не передбачено. Параметри 12 вольтної АКБ зі скловолоконним наповнювачем адаптовані до частих запусків двигуна.

«Середньогібридний» привід

Електричний привід підтримує роботу двигуна внутрішнього згоряння. Рух автомобіля лише на електричній тязі неможливий. У «середньогібридного» приводу більшість кінетичної енергії при гальмуванні регенерується, і як електричної енергії накопичується у високовольтної батареї. Високовольтна батарея, а також електричні компоненти сконструйовані для більш високої електричної напруги та, таким чином, більш високої потужності. Завдяки підтримці електродвигунагенератора режим роботи теплового двигуна може бути зміщений в область максимальної ефективності. Це позначається як усунення точки навантаження.

«Повногібридний» силовий агрегат

Потужний електродвигунгенератор комбінується з двигуном внутрішнього згоряння. Можливий рух лише на електричній тязі. Електродвигунгенератор, якщо дозволяють умови, підтримує роботу двигуна внутрішнього згоряння. Рух із малою швидкістю здійснюється лише на електричній тязі. Реалізовано функцію Стартстоп для двигуна внутрішнього згоряння. Рекуперація використовується для заряджання високовольтної батареї. Завдяки роздільному зчепленню між двигуном внутрішнього згоряння та електродвигуномгенератором можна забезпечити роз'єднання обох систем. Двигун внутрішнього згоряння підключається до роботи лише за необхідності.

Основи гібридної техніки

Системи повного гібридних силових агрегатів поділяються на три підгрупи: паралельний силовий гібридний агрегат, роздільний силовий агрегат (з розділеними потоками потужності), послідовний гібридний силовий агрегат.

Паралельний гібридний силовий агрегат

Паралельне виконання гібридного силового агрегату відрізняється простотою. Він використовується у разі, коли необхідно "гібридизувати" існуючий автомобіль. Двигун внутрішнього згоряння, електромоторгенератор та коробка передач розташовуються на одній осі. Зазвичай в системі паралельного силового гібридного агрегату використовується один електродвигун генератор. Сума одиничної потужності двигуна внутрішнього згоряння та потужності електродвигунагенератора відповідає повній потужності. Ця концепція забезпечує високий рівень запозичення вузлів і деталей колишнього автомобіля. У повнопривідних автомобілів зі схемою паралельного гібридного силового агрегату привод всіх чотирьох коліс реалізований за допомогою диференціала Torsen і роздавальної коробки.

Роздільний гібридний привід

У системі роздільного гібридного приводу крім двигуна внутрішнього згоряння є електродвигунгенератор. Обидва двигуни розташовуються під капотом. Крутний момент двигуна внутрішнього згоряння, як і від електродвигунагенератора, через планетарну передачу подається на коробку передач автомобіля. На противагу паралельному гібридному приводу, зняти таким чином суму окремих потужностей для приводу коліс неможливо. Вироблена потужність частково витрачається на приведення автомобіля в рух, частково у вигляді електричної енергії накопичується у високовольтній батареї.

Послідовний гібридний силовий агрегат

Автомобіль обладнаний двигуном внутрішнього згоряння, генератором та електродвигуном генератором. Однак на відміну від обох описаних раніше концепцій, двигун внутрішнього згоряння не має можливості самостійно рухати валом, або через коробку передач. Потужність від двигуна внутрішнього згоряння на колеса не передається. Основний привід автомобіля здійснює електродвигун генератор. Якщо ємність високовольтної батареї надто низька, запускається двигун внутрішнього згоряння. Через генератор двигун внутрішнього згоряння заряджає високовольтну батарею. Електродвигунгенератор знову може отримувати енергію від високовольтної батареї.

Роздільний послідовний гібридний силовий агрегат

Роздільний послідовний гібридний силовий агрегат є змішаною формою двох описаних вище гібридних приводів. Автомобіль обладнаний одним двигуном внутрішнього згоряння та двома електродвигунами генераторами. Двигун внутрішнього згоряння та перший електродвигунгенератор розміщені під капотом. Другий електродвигунгенератор розташований на задній осі. Ця концепція використовується для повнопривідних автомобілів. Двигун внутрішнього згоряння та перший електродвигунгенератор через планетарну передачу можуть наводити коробку передач автомобіля. І в цьому випадку діє правило, згідно з яким поодинокі потужності приводу не можуть відбиратися для приводу коліс у вигляді сумарної потужності. Другий електродвигун генератор на задній осі активується за потреби. У зв'язку з таким конструктивним виконанням приводу високовольтна батарея розташовується між обома осями автомобіля.

Інші терміни та визначення Тут будуть коротко роз'яснені інші терміни та визначення, які часто використовуються у зв'язку з технологією гібридного приводу.

Рекуперація. У випадку цей термін у техніці означає спосіб повернення енергії. При рекуперації наявна енергія одного виду перетворюється на інший, що використовується в подальшому вид енергії. Потенційна хімічна енергія палива перетворюється на трансмісії на кінетичну енергію. Якщо автомобіль загальмовується звичайним гальмом, то надмірна кінетична енергія за допомогою тертя гальм перетворюється на теплову енергію. Тепло, що виникає, розсіюється в навколишньому просторі, і тому використовувати його надалі неможливо.

Якщо ж навпаки, як при використанні технології гібридного приводу, додатково до класичних гальм генератор використовується як моторне гальмо, то частина кінетичної енергії перетворюється на електричну енергію, і таким чином стає доступною для подальшого використання. Енергетичний баланс автомобіля покращується. Цей вид регенеративного гальмування називають рекуперативним гальмом.

Як тільки в режимі примусового холостого ходу швидкість автомобіля знижується шляхом гальмування натисканням педалі гальма або автомобіль рухається накатом або автомобіль рухається під ухил істема гібридного приводу включає електродвигун - генератор і використовує його в режимі генератора.

І тут він заряджає високовольтну батарею. Таким чином у режимі примусового холостого
ходу з'являється можливість "заправляти" автомобілі з електричним гібридним приводом електроенергією.
При русі автомобіля накатом електродвигун генератор, що працює в режимі генератора,
перетворює з енергії руху на електричну енергію тільки таку кількість енергії, яка
потрібно для роботи 12 вольтної бортової мережі.

Електродвигун-генератор (електромашина)

Термін електродвигун-генератор, або електромашина, використовується замість термінів генератор, електродвигун та стартер. В принципі, будь-який електродвигун можна застосовувати і як генератор. Якщо вал електродвигуна наводиться від зовнішнього приводу, то електродвигун, подібно до генератора, виробляє електричну енергію. Якщо до електромашини підводиться електрична енергія, вона працює як електродвигун. Таким чином, електродвигунгенератор автомобілів з електричним гібридним приводом замінює звичайний стартер двигуна внутрішнього згоряння, а також звичайний генератор (освітлювальний генератор).

Електричний прискорювач (E-boost)

За аналогією з функцією Kickdown двигунів внутрішнього згоряння, яка робить доступною максимальну потужність двигуна, гібридний привід має функцію електричного прискорювача E-Boost. При використанні функції електродвигун-генератор і двигун внутрішнього згоряння видають свої максимальні індивідуальні потужності, які складаються більш високе значення сумарної потужності. Сума індивідуальних потужностей обох видів двигунів відповідає сумарній потужності трансмісії.

Внаслідок втрат потужності в електродвигуні-генераторі, його потужність у режимі генератора нижча, ніж у режимі тягового електродвигуна. Потужність електродвигуна-генератора у режимі двигуна становить 34 кВт. Потужність електродвигуна-генератора як генератора дорівнює 31 кВт. У Touareg із гібридним приводом двигун внутрішнього згоряння має потужність 245 кВт, а електродвигун-генератор потужність 31 кВт. У режимі тягового електродвигуна електродвигун-генератор видає потужність 34 кВт. Водночас двигун внутрішнього згоряння та електродвигун-генератор у режимі тягового електродвигуна розвивають сумарну потужність 279 кВт.

Функція Старт-Стоп

Технологія гібридного приводу дозволяє реалізувати в цій конструкції автомобіля функцію Стартстоп. У випадку звичайного автомобіля із системою Стартстоп, для відключення двигуна внутрішнього згоряння автомобіль повинен зупинитися (наприклад: Passat BlueMotion). Однак автомобіль з повним гібридним приводом може рухатися і електричною тягою. Ця особливість дозволяє системі Стартстоп відключати двигун внутрішнього згоряння на автомобілі, що рухається, або котиться. Двигун внутрішнього згоряння вмикається залежно від потреби. Це може відбуватися у разі швидкого розгону, під час руху на високій швидкості, з високим навантаженням, або за високого ступеня розрядженості високовольтної батареї. При високому ступені розрядженості високовольтної батареї система гібридного приводу може використовувати двигун внутрішнього згоряння у поєднанні з електродвигуном-генератором, що працює в режимі генератора, для заряджання високовольтної батареї. В інших випадках автомобіль з повним гібридним приводом може рухатися електричною тягою. Двигун внутрішнього згоряння знаходиться в режимі зупинки. Це дійсно і у разі повільного руху транспортоного потоку, зупинки на світлофорі, при русі в режимі примусового холостого ходу під ухил, або при русі автомобіля накатом. Коли двигун внутрішнього згоряння не працює, він не витрачає паливо та не викидає в атмосферу шкідливі речовини. Інтегрована в систему гібридного приводу функція Старт-стоп підвищує ККД та екологічність автомобіля. У той час, коли двигун внутрішнього згоряння знаходиться в режимі зупинки, кліматичне встановлення може продовжувати роботу. Компресор кліматичної установки є елементом високовольтної системи.

Аргументи на користь гібридної техніки

Чому ми комбінуємо електродвигун-генератор із двигуном внутрішнього згоряння? Для відбору моменту, що крутить, частота обертання двигуна внутрішнього згоряння повинна бути не нижче частоти обертання холостого ходу. При зупинці двигун не може віддавати момент, що крутить. При збільшенні частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння його момент, що крутить, збільшується. Електромоторгенератор з першими оборотами видає максимальний момент, що крутить. Він немає частоти обертання холостого ходу. При збільшенні частоти обертання його крутний момент зменшується. Завдяки роботі електродвигуна-генератора у двигуна внутрішнього згоряння виключено найскладніший режим роботи: у діапазоні нижче оборотів холостого ходу. Завдяки підтримці електродвигунагенератора двигун внутрішнього згоряння може експлуатуватися в більш ефективних режимах. Це усунення точки навантаження підвищує ККД силового агрегату.

Чому застосовується повний гібридний силовий агрегат (привід)?

Повний гібридний агрегат, на відміну від інших варіантів гібридного приводу, поєднує функцію вбудованої системи Стартстоп, систему E-Boost, функцію рекуперації та можливість руху тільки на електродвигуні (режим електричної тяги).

Електродвигун-генератор

Електродвигун-генератор розміщений між двигуном внутрішнього згоряння та АКП. Він є синхронним двигуном трифазного струму. За допомогою силового електронного модуля постійна напруга 288 перетворюється на трифазну змінну напругу. Три фази напруга створюють в електродвигунігенераторі трифазне електромагнітне поле.

Високовольтна батарея

Доступ до високовольтної батареї забезпечується через покриття багажного відсіку. Вона виконана у вигляді модуля та включає різні компоненти високовольтної системи Touareg. Модуль високовольтної батареї має масу 85 кг і може замінюватись лише у зборі.

Високовольтну батарею не можна порівнювати зі звичайною акумуляторною батареєю з напругою 12 В. У нормальному режимі експлуатації високовольтна батарея працює у вільному діапазоні рівня зарядки від 20% до 85%. Переносити такі навантаження протягом тривалого часу звичайна 12-вольтна АКБ нездатна. Тому високовольтну батарею слід розглядати як оперативний пристрій для накопичення енергії для електричного приводу. Подібно до конденсатора вона може накопичувати і знову віддавати електричну енергію. В принципі, рекуперацію, регенерацію енергії можна розглядати як можливість заправки автомобіля енергією під час руху. Застосування високовольтної батареї в автомобілі з гібридним приводом відрізняється чергуванням циклів зарядки (рекуперація) та розрядки (рух на електричному приводі) високовольтної батареї.

Приклад: Якщо порівняти енергію високовольтної батареї з енергією, що утворюється при спалюванні палива, кількість енергії, яку може виробити батарея, буде відповідати приблизно 200 мл палива. Цей приклад демонструє, що на шляху створення електромобілів, акумуляторні батареї, з точки зору здатності накопичувати енергію, повинні бути суттєво модернізовані.

Автомобіль з гібридним двигуном – це не новий винахід. Перший крок у напрямку створення гібридних транспортних засобів, був зроблений в 1665 році, коли Фердинанд Verbiest, Єзуїтський священик, почав роботу над планами будівництва простих чотирьох колісних транспортних засобів, які могли б працювати на парі або кінній тязі. Перші автомобілі з гібридним двигуном з'явилися на рубежі XIX-XX століть. Більше того, деяким розробникам вдалося перейти від проектів до дрібносерійного виробництва. Починаючи з 1897 року та протягом 10 наступних років, французька Compagnie Parisienne des Voitures Electriques випустила партію електромобілів та машин з гібридними двигунами. У 1900 році General Electric сконструювала гібридний автомобіль із 4-циліндровим бензиновим мотором. А з конвеєра Walker Vehicle Company of Chicago гібридні вантажівки сходили до 1940 року.
Звичайно все це були лише прототипи та дрібносерійні автомобілі. Однак нині гостра нестача нафти та економічна криза спричинили розробку гібридних двигунів. А тепер давайте докладно розберемося що таке гібридний двигун і який від нього користь? Гібридний двигун - це система з двох двигунів -електричного та бензинового. Залежно від режимів роботи може включатись і бензиновий та електричний одночасно або окремо. Цей процес управляється потужним комп'ютером, який приймає рішення, що зараз має працювати. Так при пересуванні трасами включається бензиновий двигун, так як акумулятора на трасі на довго не вистачить. Якщо автомобіль рухається у міському режимі, то тут уже використовується електродвигун, при розгоні або великих навантаженнях працюють обидва. Поки працює бензиновий двигун, заряджається акумулятор. Такий двигун навіть з урахуванням того, що в системі використовується бензиновий двигун, дозволяє скоротити шкідливі викиди в атмосферу на 90% і при цьому суттєво знижується споживання бензину в місті (на трасі працює тільки бензиновий двигун, тому економії там немає).

Почнемо з того, як автомобіль рушає з місця. На початку руху та на малих швидкостях задіяні лише акумуляторна батарея та електродвигуни. Енергія, запасена в батареї, надходить в енергетичний центр, який, у свою чергу, направляє її до електромоторів, що змушують автомобіль плавно і безшумно рушити з місця. Після набору швидкості до роботи підключається двигун внутрішнього згоряння і момент на провідні колеса надходить одночасно від електродвигунів і ДВС. При цьому частина енергії ДВС надходить до генератора, і тепер він живить електродвигуни, а надлишки своєї енергії віддає акумуляторній батареї, що втратила частину запасу енергії на початку руху. Під час руху в нормальному режимі автоматично використовується тільки передній привід, у решті — повний. У режимі розгону момент на колеса надходить переважно від бензинового двигуна, а електромотори за необхідності збільшення динаміки доповнюють ДВС. Один із найцікавіших моментів — гальмування. Електронні "мозки" автомобіля самі вирішують, коли потрібно задіяти гідравлічну гальмівну систему, а коли рекуперативне гальмування, віддаючи перевагу останньому. Тобто в момент натискання педалі гальма вони переводять електродвигуни в "генераторний" режим роботи, і ті створюють гальмівний момент на колесах, виробляючи електроенергію та підживлюючи акумуляторну батарею через енергетичний центр. У цьому полягає родзинка “гібриду”.

У класичних автомобілях енергія гальмування втрачається повністю, йдучи як тепло через гальмівні диски та інші деталі. Використання енергії гальмування особливо ефективне в міських умовах, коли часто доводиться гальмувати на світлофорах. Система інтегрованого керування динамікою автомобіля (VDIM) поєднує та керує роботою всіх систем активної безпеки.
Одним з перших вдалих автомобілів оснащених гібридним двигуном, який пішов у маси, став розроблений компанією Toyota "Toyota Prius", що витрачає 3,2 літра бензину на 100 км (у місті). Також компанія Toyota випустила і позашляховик із гібридним двигуном Lexus RX400h. Вартість такого автомобіля в залежності від комплектації коливається від 68 до 77 тис. доларів. Слід зазначити той факт, що перші версії Toyota Prius поступалися автомобілям такого ж класу і в швидкості і потужності, а ось Lexus RX400h вже не поступається своїм однокласникам ні в швидкості ні в потужності.

Провідні автомобільні концерни світу, також звернули свою увагу на гібридні двигуни, як на вирішення проблеми економії палива та забруднення навколишнього середовища. Так компанія Volvo Group оголосила про створення гібридного двигуна для вантажівок, тягачів, напівпричепів та автобусів. Розробники компанії розраховують, що їх дітище дозволить отримати 35% економію палива.
При всьому цьому треба сказати, що гібридні автомобілі "на Ура", поки що, пішли тільки в Північній Америці (Канада і США). І в Америці ж все більше на них зростає попит, тому що там до останніх років були популярні автомобілі, які споживали багато палива, а так як паливо різко і круто почало дорожчати американці різко задумалися про його економію і як вирішення проблеми почали використовувати саме автомобілі з гібридними двигунами. У Європі до появи гібридних двигунів поставилися спокійно, тому що там у них кермує економний і екологічніший, ніж бензиновий двигун, старий добрий дизель. На відміну від США, понад 50% машин у Європі оснащені дизелями. До того ж дизельні автомобілі дешевші за гібридні, простіше і надійніше. Адже всім відомо, що складніша система, тим вона менш надійна! І ось саме через свою складність та примхливість, гібридних автомобілів практично немає на пострадянському просторі. Офіційні ділери їх сюди не завозять. І будь-який власник такого авто у нас неминуче зіткнеться із проблемою СТО. Немає у нас СТО, які б займалися гібридними автомобілями. А вже сам таку машинку не полагодиш!