Гибридным автомобилем называется транспортное средство,
приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки.
Отличительной особенностью гибридной силовой установки является
использование двух и более источников энергии и соответствующим им
двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых
источниках информации используется термин "гибридный двигатель", который
с технической точки зрения неверен.
Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая
энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого
воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия
ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях
используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.
Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в
существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в
атмосферу, которое достигается:
- согласованной работе ДВС и электродвигателя;
- применением аккумуляторов большой емкости;
- использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.
Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется
множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо
и беречь атмосферу, в том числе:
Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных
автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который
характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода.
При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды
не так эффективны.
В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок:
- последовательная схема;
- параллельная схема;
- последовательно-параллельная схема.
Последовательная схема гибридного автомобиля
При последовательной схеме автомобиль приводится в
движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен
только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и
заряжает аккумуляторную батарею.
В гибридном автомобиле с последовательной схемой силовой
установки, как правило, предусматривается возможность подключения к
электрической сети по окончании поездки. Такие автомобили носят название
Plug-in Hybrid (дословно - подключаемый гибрид).
Реализация данной функции предполагает использование аккумуляторов
увеличенной емкости (литий-ионные аккумуляторы), приводит к сокращению
использования ДВС и соответственно снижению вредных выбросов.
Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили
Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с
увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV).
Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии
аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие
ДВС.
Параллельная схема гибридного автомобиля
В параллельной схеме электродвигатель и двигатель
внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать
как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения
ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически
управляемых муфт.
Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название Mild Hybrid (дословно - умеренный гибрид).
В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт),
который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при
ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель,
расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию
стартера и генератора.
Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой
являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7,
Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной
области является Honda и ее система Integrated Motor Assist, IMA (дословно – интегрированный помощник двигателя).
При работе системы IMA можно выделить следующие характерные режимы:
- Работа от электродвигателя.
- Совместная работа ДВС и электродвигателя.
- Работа от ДВС с одновременной зарядкой аккумулятора от электродвигателя в режиме генератора.
- Зарядка аккумуляторной батареи в режиме рекуперативного торможения.
Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля
При последовательно-параллельной схеме двигатель
внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный
редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на
ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной
мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную
схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу
электродвигателя.
Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название Full Hybrid(дословно - полный гибрид).
Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX
450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей
господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy Drive, HSD.
Силовая установка системы HSD представляет собой:
- двигатель внутреннего сгорания, соединенный с водило планетарного редуктора;
- электродвигатель, соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора;
- генератор, соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора.
Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу
Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели
на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная
экономичность и меньшие вредные выбросы.
В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:
- Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.
- Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором
мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором.
Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого
суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка
аккумуляторной батареи.
- Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется
электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая
импульс мощности.
- Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает
генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую,
замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не
уменьшается, а достигается топливная экономичность.
- Режим торможения, при котором электродвигатель работает как
генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни
в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.
- Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.