Принцип работы гибридного двигателя

Всё о гибридах: как они устроены и какими бывают

Гибридные автомобили уже перестали вызывать удивление на улицах, но их конструкция до сих пор является для многих загадкой

• Всё о гибридах: как они устроены и какими бывают
• Особенности гибридного двигателя
• Как взаимодействует ДВС с электромотором
• Классификация по степени электрификации
• Привод дополнительных агрегатов в автомобилях с полным гибридным приводом

Это автомобиль, силовая установка которого состоит из электромотора и двигателя внутреннего сгорания, которые совместными усилиями вращают колёса. Первый критерий, по которому можно разделить все гибридные автомобили — насколько развита их способность двигаться на электротяге.

Микрогибриды — простейшая форма гибридной жизни

Самая примитивная форма гибридизации — это продвинутая версия системы «старт-стоп». Здесь никакие электромоторы не толкают автомобиль вперёд, и гибридной такая технология является достаточно условно.

В таких автомобилях специальный мощный стартер способен не только раскручивать двигатель для запуска, но и работать как генератор при рекуперативном торможении. Собираем «бесплатное» электричество — экономим на паразитной нагрузке ДВС (у которого нет необходимости вырабатывать бортовое электричество), а значит и расходе топлива. Электроэнергия идёт на перезапуск двигателя внутреннего сгорания при работе системы «старт-стоп», питание климатической установки, электроприводов, светотехники и других бортовых устройств, а сэкономленное на этом топливо — на дополнительные километры пробега.

Подобные технологии используют многие производители: это i-ELOOP от Mazda, e-HDI от Peugeot, Blue Drive от Hyundai и другие. Производители заявляют, что микрогибридная технология позволяет экономить до 10-15% топлива

Высшая степень электрификации: гибриды типа plug-in

Их батарея имеет увеличенный объём, электромотор — высокую мощность (70-100 л.с. и выше), а наряду с лючком бензобака в кузове имеется и порт для подключения электрического шнура для зарядки от обычной розетки. Это решение получило общераспространённое обозначение plug-in (плаг-ин) и по своей сути представляет собой промежуточное звено между традиционными автомобилями и электрическими.

Благодаря более объёмной батарее «плагины» могут преодолевать на электротяге без единой вспышки в цилиндрах ДВС до 50 километров. Это вполне приличная по городским меркам дистанция. Но усреднённый показатель с учётом условий движения и разницы в технических характеристиках — около 25-30 км. Что тоже немало.

Меньшая степень электрификации: полные и умеренные гибриды

Гибридные автомобили, которые не умеют заряжаться от розетки, также делятся на подвиды. Это полные и так называемые умеренные (mild в англоязычных источниках).

Первые благодаря большему объёму батарей, большей мощности электромотора способны двигаться исключительно на электротяге обычно в пределах 2-4 километров, а вторые используют слабенький электромотор только в качестве помощника для ДВС и «на батарейках»не способны проехать и метра. При этом умеренные гибриды запасают энергию только посредством рекуперативного торможения, а полные ещё и с помощью двигателя внутреннего сгорания, соединённого, как правило, с отдельным генератором.

Типичный представитель класса умеренных гибридов — Honda Civic Hybrid, CR-Z и все остальные «Хонды», использующие фирменную технологию IMA (Integrated Motor Assist). Умеренными гибридами также являются американцы Buick LaCrosse, Chevrolet Malibu и Impala, BMW ActiveHybrid 7. А ещё умеренным гибридом является гиперкар Ferrari LaFerrari. Ему ни к чему чистая электрическая тяга, а вот дополнительная мощность в 163 л.с. в дополнение к бензиновым 800 будет очень кстати.

Умеренные гибриды ближе к классу микрогибридов и часто понимаются как единое целое. Хотя различие между ними всё же есть: в отличие от умеренных, микрогибриды неспособны поддержать бензиновый двигатель своей тягой.

Полные же гибриды концептуально стремятся к классу «плагинов» и кратковременно способны произвести на неподготовленного человека примерно такое же впечатление — могут ехать бесшумно.

Все гибриды также делятся на подвиды в зависимости от того, какой двигатель непосредственно вращает колёса.

Умеренные гибриды ещё и едут более чем умеренно, так как электродвигатели там применяются слабые (10-20 кВт), максимальный запас электроэнергии ничтожен, а масса выше, чем у не гибридных версий той же модели. То же самое можно сказать и про большинство полных гибридов.

Компоновка: последовательные гибриды

В случае, когда двигатель внутреннего сгорания не вращает колёса механическим способом, гибрид представляет собой электромобиль с бортовым генератором электричества, роль которого и исполняет ДВС. Такие гибриды принято именовать последовательными. Эта схема отличается простотой, так как нет необходимости сооружать сложную трансмиссию — электромоторы вращают колёса через единственную главную передачу, которая служит для формирования нужного крутящего момента.

Но класс последовательных гибридов сегодня представлен единичными моделями, так как эффективность подобного решения неоднозначна. Ведь энергию сгорания топлива приходится преобразовывать сначала в механическую, потом в электрическую, а электрическую — в работу непосредственно на колёсах. Поэтому функционирующий по такой схеме гибрид должен обязательно иметь хорошо развитые электрические способности.

Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников - Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 км (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.

Компоновка: параллельные гибриды с электромотором между ДВС и трансмиссией

Такие автомобили, как Porsche Panamera S E-Hybrid и Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE и Passat GTE, Mercedes-Benz S 500 e и С 350 e, BMW X5 xDrive40e и другие сочетают в себе привычные нам свойства бензиновых машин и способность проехать получасовой маршрут на электричестве.

Для того, чтобы сохранить все «бензиновые» преимущества, мощные моторы таких машин имеют жёсткую связь с колёсами. Электродвигатель не нарушает привычную компоновку этих моделей, потому как встроен в коробку передач, и при необходимости мощности ДВС и электромотора суммируются. Эта схема называется параллельной, так как моторы обоих типов работают одновременно. В зависимости от выбранного водителем режима, бензиновый мотор может либо вращать колёса совместно с электродвигателем, либо последний будет работать в качестве генератора и запасать электричество в батарее на будущее. Чисто электрический режим реализован посредством сцепления между трансмиссией и ДВС: если оно разомкнуто, то электромотор вращает колёса в одиночку.

Компоновка: параллельные гибриды с электромотором отдельно от ДВС и трансмиссии

Есть группа гибридных автомобилей, у которых один или несколько электромоторов не сблокированы с коробкой передач и двигателем, а вынесены на периферию. Первопроходцем в таких решениях стала компания Toyota со своей технологией HSD (Hybrid Synergy Drive), которая лежит в основе подавляющего большинства бензиново-электрических Toyota и Lexus.

Конструкция состоит из двигателя внутреннего сгорания и двух электромоторов, объединённых посредством планетарной передачи. Планетарная передача — это механическая конструкция из нескольких шестерён и осей, которая объединяет, разделяет и преобразует крутящий момент от нескольких источников.

Один из электромоторов системы служит стартером и генератором, а второй является тяговым и рекуперирующим электричество при замедлении. Благодаря особенностям планетарного механизма, ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора. Традиционная трансмиссия здесь заменяется планетарной передачей и контролирующей силовые модули (ДВС и два электромотора-генератора) электроникой — в зависимости от потребностей водителя, тяговый электромотор выдаёт определённую мощность отдельно или совместно с двигателем внутреннего сгорания, а избыточная тяга последнего средствами планетарного механизма идёт на вращение второго мотора-генератора и, соответственно, зарядку основной батареи.

Несколько более простую схему разнесённых ДВС и электромоторов используют Volvo и Peugeot для создания гибридных полноприводников. Переднюю ось приводит турбодизель, а заднюю — электродвигатель. При необходимости включения полного привода гибрид начинает работать как последовательно-параллельный: ДВС одновременно вращает через обычную автоматическую коробку передач переднюю ось и питает через генератор электромотор, который крутит колёса задней оси. В электрорежиме автомобиль является заднеприводным.

Так что же лучше?

Гибридное будущее однозначно за конструкциями типа plug-in, потому что именно они дают реальную экономию топлива. К тому же, большинство «плагинов» — это два автомобиля в одном: бесшумный и плавный электрический плюс бензиновый со взрывной динамикой, которую обеспечивает увесистый электрический «буст». Однако для полноценного использования такого автомобиля владелец должен иметь возможность обеспечить его зарядной инфраструктурой.

Смысл в вымирающих умеренных гибридах, которые неспособны двигаться без участия ДВС, практически отсутствует — эффект от применения электротяги здесь едва ли оправдывает лишнюю массу и более высокую стоимость в сравнении с негибридными версиями.

Есть будущее и у микрогибридов: отношение затрат к достигаемому с помощью этой технологии эффекту выглядит выгодным.

Особенности гибридного двигателя

В  нем сочетаются два привода:

1. ДВС;
2. электродвигатель.
3. Они могут работать попеременно или одновременно.

Такое сочетание выгоднее варианта, когда работает лишь электрическая тяга, ведь на данный момент у электромобиля есть ряд недостатков:
1. отсутствие развитой сети электрических заправок;
2. малый заряд, который хватает на небольшой участок пути (порядка 90-150 км);
3. длительность зарядки батареи (минимум пара часов).

И хотя мобильность электромобиля ограничена, у него высокий КПД, большой крутящий момент и нет вредных выбросов. 

Именно в гибриде удалось совместить достоинства двух двигателей, обеспечив экологичность, экономичность, а также хорошие динамические качества.

Как взаимодействует ДВС с электромотором

Существует три типа схем взаимодействия двигателя внутреннего сгорания с электромотором.

1. Последовательная схема

ДВС передает крутящий момент только генератору. Последний вырабатывает электричество, а также заряжает аккумуляторы. Движение осуществляется лишь на электрической тяге. Здесь действует система рекуперации кинетической энергии, что обеспечивает дополнительный заряд батареи.

Преимущества подобной схемы:

1. ДВС постоянно функционирует на одинаковых оборотах, обеспечивая максимальный КПД;
2. отсутствует необходимость оснащения машины мощным и затратным двигателем;
3. нет нужды в коробке передач и сцеплении;
4. движение машины может осуществляться и без ДВС с использованием энергии, накопленной в батарее.

Недостатки:

1. потери энергии при преобразовании;
2. высокая цена, вес и большие размеры батарей.

Последовательная схема весьма эффективна в случае частых остановок, когда включается в работу KERS. Именно поэтому она используется в качестве городского транспорта, в том числе в самосвалах на карьерах, где не нужна большая скорость и имеет важность наличие высокого крутящего момента.

2. Параллельная схема

Данная схема предполагает работу и электромотора, и ДВС. Электрический двигатель здесь также выполняет функцию генератора. А совместная работа электромотора и ДВС обеспечивается с помощью компьютерного управления. Главным источником тяги является ДВС, электромотор работает лишь при недостаточной мощности основного двигателя, к примеру, при ускорении или старте. Во время торможения он выполняет функцию генератора.

Преимущества подобной схемы:

1. нет нужды батарее большой емкости;
2. более низкие потери энергии;
3. такая конструкция стоит дешевле.

Недостатки:

1. большая трата топлива, если сравнивать с иными вариантами;
2. малая эффективность в городе.

Автомобили с такой схемой показывают эффективность только на трассе. Именно такую схему использует автомобильная марка Хонда.

3. Последовательно-параллельная схема

В указанной схеме объединены первые два варианта. Наравне с параллельной схемой в ней есть делитель мощности и дополнительный генератор. Это позволяет автомобилю брать старт и двигаться на маленьких скоростях непосредственно на электричестве, а ДВС заставляет работать генератор. При высокоскоростном движении крутящий момент начинает идти и от ДВС. При повышенных нагрузках, когда не хватает мощности генератора, в дело вступает аккумулятор.

Электромотор применяется лишь для движения ведущих колес, а также в период рекуперативного торможения. Посредством планетарного механизма часть крутящего момента ДВС идет на работу генератора, питающего электромотор или батарею, а также идет на колеса. Регулировку подачи мощности постоянно выполняет компьютер.

Преимущества подобной схемы:

1. высокая экологичность;
2. существенная экономия топлива.

Недостатки:

1. высокая стоимость;
2. сложность конструкции, так как дополнительно устанавливается генератор, емкая батарея, а также сложный электронный блок.

Такая схема используется на машинах Тойота и Лексус.

Но наиболее широкое распространение такие гибриды получили среди тяжелой карьерной техники и железгодорожного транспорта, где максимальный крутящий момент необходим сразу. Но карьерные гиганты не используют в схеме подключения аккумуляторные батареи ввиду их большой массы.

 

Последовательный гибрид

Последовательный гибрид

• Топливный бак (Т)
• Аккумуляторная батарея (В)
• Электродвигатель (Е)
• ДВС (V)
• Генератор (Gen)

В последовательных гибридах на трансмиссию воздействует только электродвигатель. ДВС приводит в действие электрический генератор, который вращает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею. Последовательный гибрид работает местами на чистом электричестве при заряженной аккумуляторной батарее и, таким образом, очень близок к электромобилю.

Поэтому он называется электромобилем с увеличенным запасом хода (Range-Extender).

Комбинированный или разветвленный гибрид

Комбинированный или разветвленный гибрид

• Топливный бак (Т)
• Аккумуляторная батарея (В)
• Электродвигатель (Е)
• ДВС (V)
• Генератор (Gen)
• Инвертор (L)

Комбинированный гибрид объединяет под капотом параллельный и последовательный гибрид. ДВС посредством генератора и аккумуляторной батареи подготавливает энергию для электродвигателя или непосредственно соединен с приводом. Переключение и соединение между двумя состояниями выполняется автоматически.

Подключаемый гибрид

 Подключаемый гибрид

• Топливный бак (Т)
• Аккумуляторная батарея (В)
• Электродвигатель (Е)
• ДВС (V)
• Генератор (Gen)
• Розетка (S)

В подключаемых гибридах аккумуляторная батарея заряжается не только от ДВС, а и от сети. Таким образом, подключаемый гибрид может проезжать длинные дистанции на чистом электричестве. Подключаемый гибрид представляет собой следующий этап развития электромобилей.

Классификация по степени электрификации

Микрогибрид

Пример микрогибридной системы

Система i-StARS от фирмы Valeo может остановить двигатель еще до полной остановки автомобиля, то есть как только скорость упадет ниже 8 км/ч (в случае автоматической коробки передач) и 20 км/ч (в случае механической коробки передач). Таким образом, оптимизируется расход топлива и упрощается вождение автомобиля. Регенеративная функция тормоза срабатывает, как только водитель снимает ногу с педали акселератора. Затем система отправляет электронный сигнал на стартер генератор, вследствие чего кинетическая энергия автомобиля преобразуется сразу же в электрическую энергию, заряд аккумуляторной батареи. Этим достигается значительное сокращение расхода топлива.

Мягкий гибрид

Мягкий гибрид не работает на чистом электричестве. Электродвигатель только поддерживает ДВС.

Энергия для электродвигателя поступает, например, от использования энергии торможения.

В обычных автомобилях энергия движения преобразуется при торможении в тепло на тормозных дисках. Тепло безвозвратно выбрасывается в окружающую среду. В гибридных автомобилях кинетическая энергия улавливается генератором и накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.

Пример для системы с мягким гибридным приводом: Honda IMA (встроенный ассист двигателя)

Стартер-генератор расположен между двигателем и коробкой вместо маховика.

Одним из преимуществ автомобилей с мягким гибридным приводом является тот факт, что ДВС, который реализует, по существу, свою мощность в зоне средних и высоких оборотов, комбинируется с преимуществами электродвигателя, который развивает свою силу на низких оборотах. Гибридная система, поэтому, может рассматриваться как усилитель мощности и эффективности.

Посредством «уменьшения» ДВС снижается расход бензина, а также выбросы в окружающую среду. Однако клиенты не готовы принять малую мощность.

Характеристика мощности и крутящего момента Honda-IMA

Обзор системы Mercedes S400 HYBRID

1. 12-В-генератор
2. ДВС
3. Электродвигатель
4. 7-ступенчатая автоматическая коробка передач
5. Модуль силовой электроники
6. Модуль высоковольтной аккумуляторной батареи
7. Модуль DC/DC-преобразователя
8. 12-В-батарея

Другой пример мягких гибридов

Mercedes S 400 HYBRID имеет параллельный гибридный привод. При такой концепции привода как ДВС, так и электродвигатель механически соединены с ведущими колесами (параллельная схема двигателей). Мощности обоих двигателей могут суммироваться, в результате чего отдельные мощности двигателей могут быть меньшими. Движение на одном только электродвигателем невозможно.

Полный гибрид

Полный гибрид приводится в действие местами только электродвигателем. Технической основой полного гибрида является разветвленный, комбинированный или последовательный гибрид.

Audi А1 e-tron в качестве последовательного полного гибрида

Пример автомобиля с полным гибридным приводом

Audi А1 e-tron приводится в действие электродвигателем с максимальной мощностью 75 кВт/102 л.с. и максимальным крутящим моментом 240 Нм. Передача усилия происходит при помощи одноступенчатой коробки передач. Запас хода А1 при работе только на электричестве: 50 км. Если литийионный аккумулятор, установленный перед задним мостом, разряжен, то самая маленькая модель фирмы Audi приводится в действие, как и Opel Ampera или Chevrolet Volt, при помощи небольшого ДВС.

Литий-ионный аккумулятор расположен в основании кузова перед задним мостом, чтобы оптимизировать распределения веса и центр тяжести автомобиля А1 e-tron массой 1,2 т. Литий-ионный аккумулятор весом 150 кг имеет емкость 12 кВт/ч.

Коробка передач с двумя электродвигателями для привода

Другой пример

BMW Х6 ActiveHybrid

Мощные электромоторы (67 кВт/91 л.с. и 63 кВт/86 л.с.) компактно размещаются в активной, двух режимной трансмиссии, в корпусе размером с обычную автоматическую коробку передач.

В зависимости от дорожной ситуации привод осуществляется или посредством электродвигателей, или посредством ДВС, или попеременно обоими приводами.

• В режиме 1 при малой скорости с использованием электромашин, прежде всего, обеспечивается значительное сокращение расхода топлива, а также создается дополнительная сила тяги.
• В режиме 2, напротив, электрически передаваемая мощность на высокой скорости падает с одновременным увеличением КПД ДВС (благодаря коррекции точки нагрузки) и топливной эффективности.

И в этом режиме обе электромашины работают по разному и наряду с электрической поддержкой привода и функцией генератора, в частности, отвечают за эффективное переключение передач.

Расположение компонентов в автомобиле

1. Теплообменник охлаждающей жидкости трансмиссионного масла
2. Трубопроводы для трансмиссионного масла
3. Двухдисковый маховик
4. Высоковольтные провода
5. Корпус активной коробки передач
6. Гибридный механизм блокировки при парковке
7. Электрогидравлический модуль управления
8. Насос для трансмиссионного масла с электрическим/механическим приводом

Привод дополнительных агрегатов в автомобилях с полным гибридным приводом

Электрический вакуумный насос

Функции вакуумного насоса:

• обеспечение пониженного давления в усилителе тормозного усилия,
• поддержание подачи пониженного давления в режиме старт/стоп.

Электрогидравлический усилитель рулевого управления

Для работы усилителя рулевого привода во время автоматической остановки двигателя необходимо разъединить усилитель и ДВС и обеспечить независимую поддержку рулевого управления. Благодаря такой поддержке по мере необходимости одновременно обеспечивается оптимизация расхода топлива.

Компрессор кондиционера с электроприводом

Для обеспечения достаточной мощности охлаждения салона автомобиля во время автоматической остановки двигателя необходимо разъединить привод компрессора кондиционера и ДВС и обеспечить независимое кондиционирование салона, а также независимое охлаждение высоковольтной батареи. Это выполняется при помощи компрессора кондиционера с электрическим приводом. Благодаря такому охлаждению одновременно обеспечивается оптимизация расхода топлива. Электрический компрессор кондиционера отвечает за всасывание, сжатие хладагента и прокачивания его через систему. Электрический компрессор кондиционера в зависимости от температуры испарения плавно регулируется блоком управления кондиционера в диапазоне от 800 до 9000 мин^-1.