Двигатель гибрид это что: Как работает гибридный автомобиль: принцип, особенности, расход топлива

Устройство гибридного автомобиля

Содержание

• Устройство и принцип работы
• 3 типа гибридных агрегатов
  • Микрогибридный силовой агрегат
  • Среднегибридный силовой агрегат
  • Полногибридный силовой агрегат
• Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС
  • Последовательная схема взаимодействия
  • Параллельная схема взаимодействия
  • Последовательно-параллельная схема взаимодействия
• Заключение

Прототип автомобиля с гибридным двигателем появился еще в конце 19 столетия. Сегодня он представляет собой транспортное средство, способное при небольшой скорости не использовать топливо, а осуществлять движение за счет электрической энергии.

Гибридный двигатель – это система, состоящая из электрического и топливного двигателей. При этом, в период работы каждый может быть задействован как по отдельности, так и оба в независимых циклах.

Устройство и принцип работы

Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении авто на небольшой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок.   При движении машины по трассе – в работу включается двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В случае большой нагрузки, например, при резких подъемах в гору, в работу включаются оба двигателя.

Безусловно, к плюсам такого устройства можно отнести то, что при использовании электрического двигателя, значительно сокращается расход топлива, так как он работает от постоянно восполняемой энергии аккумулятора.

Возможность, хотя бы отчасти, снизить количество выбрасываемых вредных веществ в воздух – еще один плюс гибридной системы автомобиля.

Гибриды характеризуются малой мощностью, которую помогает компенсировать ДВС.

Двигатели в гибридах могут быть как бензиновые, так и дизельные. Более того, производители газобаллонного оборудования (ГБО) разработали системы способные работать на этих автомобилях.

Пример конструкции гибрида

Устройство гибрида включает в себя:

— Двигатель внутреннего сгорания. Его устройство и размеры сконструированы таким образом, что позволяет снизить вес, вредные выбросы и расход топлива.

— Электродвигатель разработан с учетом особенностей гибрида. Его сделали не только сгенерировано работающим с топливным блоком, но и уделили особое внимание показателям мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для подзарядки АКБ автомобиля. Может быть выполнен встроенным в силовую установку или размещаться отдельно от неё, в некоторых моделях используются сразу оба варианта.

— Трансмиссия. Работа трансмиссии гибрида фактически совпадает с ее устройством на обычных автомобилях. Но, в зависимости от вида гибридного двигателя, они могут отличаться. Коробки передач в них бывают, как гибридные с интегрированным электродвигателем, так и обычные механического и автоматического исполнения. Например, трансмиссия автомобиля Toyota устроена с разветвлением потоков мощности. Двигатель такого типа работает в режиме плавных нагрузок, что помогает значительно экономить расход топлива.

— Топливный бак. Необходим для питания топливом ДВС. Для наглядности того, что топливная система имеет ряд преимуществ, хотелось бы привести один факт в пользу этого: энергия, получаемая при сгорании 1 литра бензина сопоставима с энергией, вырабатываемой аккумулятором весом около 450 кг.

— Аккумулятор. Его главная функция – выработка достаточного уровня энергии для работы электродвигателя. В авто используется две батареи, высоковольтная и обычная на 12 (В) для питания бортовой сети. Изначально до запуска всех систем питание идет только от стандартного аккумулятора, так как для работы высоковольтной батареи и инвертора необходимо постоянное охлаждение.

-Инвертер преобразует постоянный ток высоковольтной батареи в переменный трехфазный для электродвигателя и наоборот. Также регулирует распределение энергии и управляет электродвигателем.

— Генератор. Его принцип работы такой же как у электродвигателя, но направлен на вырабатывание электрической энергии.

3 типа гибридных агрегатов

Как было уже отмечено ранее, гибридная система автомобиля представляет собой комбинирование моторов, своего рода, две разных скрещенных технологии. Технику гибридного привода характеризуют в двух направлениях – это двухтопливный или бивалентный и гибридный силовой агрегат.

Данное разделение на две комбинации силовых агрегатов определено для их классификации по разному принципу работы.

Устройство гибридного силового агрегата включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор. Таким образом, электродвигатель это и генератор энергии, и тяговый электродвигатель, и стартер для пуска ДВС.

Существует три типа гибридного силового агрегата. Главным критерием для классификации служит исполнение основной конструкции. Следовательно, выделяют: микрогибридный силовой агрегат, среднегибридный силовой агрегат и полногибридный силовой агрегат.

Микрогибридный силовой агрегат

Концептуальная особенность данного типа привода заключается в его электрической части, которая необходима только для выполнения функции «старт-стоп». При этом, часть выработанной кинетической энергии повторно используется как электроэнергия (процесс рекуперации).

Привод исключительно за счет работы электрической тяги не возможен. Рабочие характеристики 12-вольтного аккумулятора гибрида с наполнителем из стекловолокна приспособлены к частым пускам двигателя. Также для накопления энергии от рекуперации может использоваться накопитель в виде электрохимического конденсатора.

Микрогибрид от компании Mazda

Среднегибридный силовой агрегат

Электрический привод помогает работе двигателя внутреннего сгорания. При этом, движение гибрида лишь за счет электротяги не осуществляется. У данного типа гибридного мотора электрическая энергия регенерируется при торможении, а затем накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.

Устройство высоковольтной АКБ гибрида и всех его электрических частей отвечает необходимому уровню напряжения, что позволяет вырабатывать достаточно высокую мощность. В итоге, благодаря поддержке ДВС электродвигателем, его работа характеризуется максимальной эффективностью.

Полногибридный силовой агрегат

Работа двух моторов: электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, в данном типе комбинируется между собой. Полногибридный тип позволяет машине двигаться только за счет электрической тяги и достаточно большое расстояние. При определенных условиях силовой агрегат функционирует как среднегибридный.

В этих автомобилях устанавливаются достаточно мощный электродвигатель и высоковольтные АКБ большего объема, что и позволяет им выдавать такие характеристики. Основой подзарядки батареи выступает также процесс рекуперации энергии.

Функция «старт-стоп» реализована для двигателя внутреннего сгорания, который запускается только при необходимости. А разъединение ДВС с электродвигателем осуществляется за счет установленного сцепления между ними, поэтому они могут функционировать независимо друг от друга.

Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС

Автомобили-гибриды сконструированы по трем схемам взаимодействия двигателей. Рассмотрим каждую из них.

Последовательная схема взаимодействия

Данный принцип устройства представляет собой самый простой вариант автомобильного двигателя-гибрида. Его схема работы такая: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания идет к генератору. Затем генератор вырабатывает необходимое для работы электричество и передает его в аккумулятор. Дополнительно подзаряд аккумулятора осуществляется и путем процесса рекуперации кинетической энергии. В этой схеме движение автомобиля осуществляется лишь за счет электрической тяги.

Данная схема характеризуется последовательным преобразованием энергии, т.е. энергия, поступающая от сгораемого топлива в двигателе внутреннего сгорания, превращается в механическую, далее трансформируется в электрическую за счет генератора, и затем вновь преобразуется в механическую энергию.

Положительные стороны последовательной схемы:

1. Работа двигателя внутреннего сгорания осуществляется на неизменных оборотах.
2. Не возникает необходимости в двигателе с большой мощностью и потреблением топлива.
3. Коробка передач, как и сцепление здесь не нужны.
4. Электрическая энергия высоковольтной АКБ гибрида позволяет двигаться автомобилю с заглушенным ДВС.

Отрицательные стороны последовательной схемы:

1. На этапах преобразования энергии происходит ее потеря.
2. Габариты и стоимость АКБ достаточно высокие.

Самый яркий представитель гибридного автомобиля с последовательной схемой взаимодействия Chevrolet Volt

Если говорить о самом подходящем варианте движения автомобиля с последовательной схемой взаимодействия, то это городской трафик с частыми остановками, когда постоянно в работу включается система рекуперации энергии.

Параллельная схема взаимодействия

Такое название эта схема получила потому что, двигатели авто работают постоянно вместе. Принцип работы данного типа взаимодействия двух модулей происходит за счет электроники авто, электродвигателя и ДВС. Оба двигателя соединены с коробкой передач по средствам планетарной передачи.

Чисто на электрической энергии такие гибриды способны ехать не продолжительное время, при этом ДВС отключается от трансмиссии сцеплением.

Блок управления распределяет крутящий момент от обоих двигателей в зависимости от режима движения автомобиля. Двигателю внутреннего сгорания отведена более важная роль, а электродвигатель запускается при необходимости дополнительной тяги, например, когда авто резко ускоряется. При торможении или плавном движении электромотор работает как генератор электроэнергии.

Электромотор внедрен в коробку передач BMW 530E iPerformance

Существуют модификации с электродвигателем отдельно от ДВС, они представляют собой сложную систему, но в тоже время эффективную. Этот модуль состоит из двух электромоторов, тягового соединенного через планетарную передачу со вторым, который служит генератором и стартером.

В такой схеме ДВС не связан напрямую с колесами, что позволяет постоянно передавать часть момента генератору и подзаряжать батарею.

Силовая установка параллельного гибрида с независимыми электромоторами

Положительные стороны параллельной схемы:

Так как основная работа отведена ДВС, то не возникает необходимости в установке мощной высоковольтной батареи. Двигатель внутреннего сгорания напрямую связан с ведущими колесами, поэтому потери энергии значительно меньше.

Отрицательные стороны параллельной схемы:

Самый главный минус данной схемы – это больший расход топлива в сравнении с другими схемами взаимодействия двигателей. Получается, что сэкономить на городском трафике не получится, наиболее удачным вариантом будет движение по трассе.

Последовательно-параллельная схема взаимодействия

Уже само название этой схемы указывает на то, что данный тип – это вариант совмещения двух ранее рассмотренных схем: последовательной и параллельной. Движение автомобиля на низкой скорости и его старт с места осуществляется только за счет силы электрической части.  ДВС поддерживает работу генератора авто, как при последовательной схеме взаимодействия. Передача крутящего момента от ДВС на колеса происходит при движении на большой скорости.

При высоких нагрузках, требующих повышенной мощности, генератор автомобиля может не выдать нужное количество энергии, и в таком случае электродвигатель питается дополнительно от аккумулятора, как при параллельной схеме взаимодействия.

В данной схеме предусмотрен дополнительный генератор, он подзаряжает АКБ. Электродвигатель необходим только для привода ведущих колес и для обеспечения рекуперативного торможения.

Часть крутящего момента, переходящая от двигателя внутреннего сгорания, уходит на ведущие колеса, а некоторая его часть – для работы генератора, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает АКБ.

За направление крутящего момента на колеса, генератор или электродвигатель и его соотношении отвечает планетарный механизм – распределитель мощности. Регулировкой подачи мощности из генератора и батареи занимается электронный блок управления автомобиля.

Также эта технология применяется и на гибридных полноприводных авто. На передней оси установлен ДВС с электродвигателем по параллельной схеме, а на задней только электродвигатель имеющий связь с ДВС по последовательной схеме.

Полноприводный гибрид от компании Mitsubishi

Положительные стороны последовательно-параллельной схемы:

Не сложно догадаться, что неоспоримым плюсом данной схемы гибрида является его большая экономичность топлива в сочетании с хорошими мощностными характеристиками. Ценители природы оценят ее экологичность.

Отрицательные стороны последовательно-параллельной схемы:

Среди отрицательного – это более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами, и как следствие, большая цена. Поскольку необходим дополнительный генератор, емкая АКБ и сложная электронная схема управления.

Заключение

Мы рассмотрели все типы гибридов и схемы их взаимодействия, но в целом существует множество видов, которые сложно отнести к одной из них, поскольку с течением времени технологии все больше смешиваются и дорабатываются.

На одних используют гидромуфты с редуктором вместо планетарной передачи, на других экспериментируют с задним расположением ДВС или вообще разносят по двум осям ДВС и электродвигатель. Конструкторы не останавливаются на достигнутом и все больше развивают это направление.

Гибридные автомобили. История рождения, обслуживание, ремонт

Все виды гибридов по конструктивным реализациям можно разделить на три группы.

1. Последовательные гибриды.

2. Параллельные гибриды.

3. Последовательно-парал­лель­ные гибриды.

Теперь о каждом подробнее.

Последовательные гибриды. Принцип их работы таков: вращение колес автомобиля обеспечивается электродвигателем, который питается током электрогенератора, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания. Если упрощенно: ДВС крутит генератор, который вырабатывает электричество для тягового электромотора ТС. При такой схеме двигатели внутреннего сгорания имеют небольшой объем, а генераторы обладают значительной мощностью. Явный недостаток таких конструктивных решений заключается в том, что зарядка аккумуляторов и движение автомобиля происходят только в режиме постоянной работы ДВС.

Этот принцип пока не реализован ни на одном серийно выпускаемом легковом автомобиле. При некоторых ее достоинствах минусов больше, чем плюсов. Но в грузовом автостроении такая гибридная схема иногда применяется. Это касается некоторых конструкций тяжелых карьерных самосвалов.

Параллельные гибриды. В такой схеме колеса транспортного средства получают вращение как от привода ДВС, так и от электрического мотора, питающегося от аккумулятора. Но такая схема силового агрегата уже требует наличия коробки передач. К наиболее удачному образцу данной схемы можно отнести автомобиль Honda Civic – гибрид. В нем имеется электромотор, который может приводить в движение автомобиль совместно с ДВС. Это позволяет использовать двигатель внутреннего сгорания меньшей мощности, так как в случае необходимости ему на помощь может прийти электромотор. В таком режиме суммируется мощность двух силовых установок. Основной недостаток такого решения в том, что двигатель не может одновременно вращать колеса и заряжать батарею.

Схема силовой установки последовательного гибридаСхема силовой установки параллельного гибридаСхема силовой установки последовательно-параллельного
гибрида

Последовательно-параллельная схема. Всех названных недостатков лишен гибрид, реализованный в последовательно-параллельной схеме. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга либо электродвигателя, либо ДВС с возможностью подзарядки батареи. Кроме того, в сложных режимах эксплуатации силовой агрегат для обеспечения повышенного крутящего момента имеет возможность объединять усилия бензинового и электрического двигателей. Опираясь на такие экстраординарные возможности, рабочая программа ТС всякий раз для каждого режима эксплуатации автомобиля выбирает наиболее целесообразное силовое решение. Этим обеспечивается максимальная эффективность транспортного средства.

Такая схема последовательно-параллельного гибрида реализована в автомобиле Toyota Prius. В переводе с латинского рrius – «передовой» или «идущий впереди». Сегодня существует несколько модификаций Prius. Их принято идентифицировать по номеру кузова – об этом мы уже сегодня говорили. Когда станем разбирать устройство Prius подробно, будем прежде всего иметь в виду модель К20. Обращения к другим аналогам: К10, К11, К30, К35 и проч. будут сопровождаться специальными указаниями.

Теперь пора уделить особое внимание самому известному и успешному в мире образцу гибридного автомобиля – Prius от компании Toyota. Почему мы так подробно будем говорить именно о Prius и именно о модификации К20? Постараемся ответить. С точки зрения специа­лизированного авторемонтного бизнеса распространенность ТС конкретной марки в конкретном регионе (в нашем случае – РФ) является отправной точкой для специализации услуг, представляемых предприя­тием. Это накладывает на организаторов производства обязательства в специальной оснастке автосервиса, в приобретении необходимой рабочей информации и профессиональном обучении работников. Но не только.

Разрез части силового агрегата последовательно-параллельного гибрида. Можно увидеть устройство узла, в котором взаимодействуют два мотора/генератора с солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD)Компоновка силового агрегата. На переднем плане хорошо виден инвертор одного из электрических двигателей

Специализированный автосервис также обязан обеспечивать себя хотя бы минимумом расходных материалов и запчастей. А это – отдельная тема, к ней мы обратимся гораздо позднее. Сейчас коснулись ее в связи с особым статусом автомобиля Toyota Prius NHW20 (К20), который своим количеством на дорогах РФ многократно превосходит любое другое гибридное транспортное средство.

Соответственно знания о его особенностях наиболее полезны для работников независимых специализированных центров. Без знакомства с этим продуктом от Toyota браться за ремонт и обслуживание гибридных автомобилей не имеет смысла с точки зрения успешности автосервиса как бизнеса. Поэтому на примере именно Prius К20 мы планируем рассказывать об устройствах гибридных автомобилей и объяснять работу всех его компонентов с практическими советами по ремонту и обслуживанию.

Начнем с двигателя внутреннего сгорания. Замечание: в этой части разговора мы будем говорить лишь о тех особенностях ДВС, работающих в гибридных силовых агрегатах, которые отличают их от аналогов, реализованных в традиционных конструкциях ТС. Предполагаем, что читатели (слушатели) учебного курса хорошо знакомы с конструкциями ДВС обычных автомобилей. И еще. При разговоре о ДВС автомобиля Prius следует иметь в виду, что особенность его конструкции позволила серьезнейшим образом положительно сказаться на эффективности транспортного средства. С точки зрения ремонта такой двигатель практически ничем не отличается от своих ординарных собратьев и особого внимания к себе не требует. Но для правильного понимания гибридных технологий знания о конструкции таких моторов очень полезны. Вопросы, которые могут появиться у читателя, получат ответ в разделах, посвященных ремонту и обслуживанию конкретных моделей гибридов.

Инвертор электродвигателя с автономной системой охлажденияРазрез рядного 16-клапанного ДВС гибридного автомобиля Toyota Prius, работающего по циклу Аткинсона

Итак, ДВС. Prius К20 имеет бензиновый двигатель внутреннего сгорания, с объемом 1497 см3. В К30 и в последующих модификациях объем увеличен до 1,8 л. Toyota обозначает двигатель Prius К20 как 1NZ-FXE, который часто путают с мотором автомобиля Toyota Echo. И понять это можно. У Echo он значится как 1NZ-FE. Конструкции обоих ДВС максимально схожи. Это рядные, четырехцилиндровые, 16-клапанные моторы, у которых вращение двойных распредвалов происходит посредством цепного привода. Оба оснащены коллекторами поперечного потока и т. д. Мало того, одинаковы и размеры элементов цилиндропоршневых групп (ЦПГ). Так, диаметр цилиндров и ход поршней у обоих соответствуют 75 мм и 84,7 мм. Но двигатели эти существенно разные: ДВС Prius работает по циклу Аткинсона (Atkinson), тогда как Echo – по циклу Отто (Otto).

Очень поверхностно, возможно, кое-где не совсем корректно, пробежимся по конструкции традиционного ДВС, не отвлекаясь ни на что, кроме моментов: где и как происходят потери его эффективности. Бензиновый двигатель почти каждого автомобиля, бегущего сегодня по дорогам мира, работает по циклу Отто. Работа таких ДВС характеризуется четырьмя тактами: впуском, сжатием, сгоранием (рабочим ходом) и выпуском с открытием и закрытием клапанов близко к концам тактов.

А вот и герой сегодняшнего повествования целиком. Конструкция от Аткинсона нашла в гибридном автостроении достойное место

Достоинство двигателя Отто состоит в высокой термодинамической эффективности, заключающейся в превосходном отношении энергия/вес и в надежности конструкции агрегата в связи с ее простотой. Большинство усовершенствований, производимых в двигателях, работающих по циклу Отто, связаны с увеличением эффективности и/или сокращением выброса вредных веществ. Производитель, во имя сказанного уменьшая вес ДВС, теряет мощность и надежность. Чудес ведь не бывает?

Рассмотрим, где же и каким образом теряется эффективность. Известно, что современный ДВС, работающий по циклу Отто, обладает наибольшей эффективностью (КПД) в интервале 40–45% от максимально допустимой скорости вращения коленвала – этот режим еще называют оптимальным. А наивысший крутящий момент двигателя достигается в интервале 70–80% от тех же максимальных параметров вращения коленчатого вала.

То есть процесс достижения максимального крутящего момента всегда приводит к понижению КПД мотора. Почему? Потому, что всякое повышение скорости вращения ДВС выше оптимальных значений сопряжено с возрастанием потерь от трения. Их так и называют: потери трения. Существенное повышение скорости вращения коленчатого вала во имя достижения необходимого момента вращения обеспечивается с помощью повышенного обогащения рабочей смеси. А это – потеря эффективности. А вот при более низком, по отношению к оптимальному, режиме вращения коленчатого вала двигатель страдает от явления, которое называют насосными потерями (это мы обсудим позже).

Вернемся к автомобилю Toyota Echo. Пиковая мощность его двигателя равна 108 л. с. А самая эффективная работа им будет производиться в режиме, когда мотор развивает мощность в интервале 35–50 л. с. Казалось бы, тогда при выборе двигателя для автомобиля мы должны руководствоваться следующим. Он (мотор) для оптимального режима эксплуатации должен обеспечивать всего лишь 40% от максимальной мощности, которую может развить. А чтобы такой автомобиль двигался со скоростью 105 км/ч по горизонтальной дороге, ему хватит и 15 л.  с. При скорости ниже – и того меньше. С другой стороны, если бы мы установили на автомобиль двигатель даже в 30 л. с., ему бы потребовалось более 30 с, чтобы разогнаться до 96 км/ч.

В переводе с латинского рrius – «передовой» или «идущий впереди»

Но Echo, как мы заметили, имеет двигатель мощностью 108 л. с. и обладает приличными показателями в ускорении и в преодолении препятствий. Поэтому автомобиль с двигателем 30 л. с. не сможет ускоряться согласно нашим ожиданиям и не будет иметь хорошей динамики. А это означает, что большую часть времени и пути автомобиль эксплуатируется в режимах, когда характеристика мощности ДВС находится в точке значительно ниже «зеленой зоны» эффективности. В результате значительная часть топлива расходуется впустую. Этот негативный конструктивный дефект характерен для всех без исключения автомобильных двигателей, работающих по циклу Отто. Специалисты называют его проб­лемой частичной мощности.

Главную причину потерь эффективности в режимах эксплуатации двигателей внутреннего сгорания называют насосными потерями. Как двигатель с циклом Отто, разработанный для обеспечения максимальной мощности в 108 л. с., заставить выдавать 20 л. с.? Ответ прост – уменьшить поток воздуха в цилиндры путем прикрытия дроссельной заслонки. Отметим, между прочим, что такой режим работы вынуждает двигатель тянуть воздух через узкую щель дросселя, создавая повышенное разряжение во впускном коллекторе. Об этом чуть ниже.

Если исключить особенности топливной системы современного автомобиля, которая при этом станет компенсировать недополученную порцию топлива принудительным ее впрыском, то можно ли сказать, что задача эффективности будет решена? Поскольку воздух, попадающий в цилиндр в течение такта, получает меньший воздушно-топливный «заряд», двигатель заработает с пониженной мощностью – что вроде бы и требуется.

Согласимся, что не все так просто. Создав эффект частичного вакуума во входном коллекторе, мы совершаем работу, т. е. расходуем дополнительную энергию. Какую? Когда поршень идет вниз при такте всасывания, давление в подпоршневом пространстве и частичный вакуум в верхней части цилиндра – над поршнем, через шатунно-поршневой узел создают сопротивление вращению коленчатого вала. Это уменьшает выходную мощность двигателя, и, кажется, именно к этому мы и стремились? Но такой эффект произошел за счет потраченного впустую топлива – а мы как раз этого и хотим избежать.

Заметьте, что автомобили страдают от насосных потерь даже на высоких скоростях. Дроссель открывается полностью только при ускорении или при подъеме в гору. Известно, что дизельные двигатели лишены этой проблемы, потому что у них нет дросселя. Низкая мощность достигается простым уменьшением количества впрыскиваемого топлива. Это – одна из причин, почему дизельные двигатели обладают более высокой эффективностью. Данный способ не может быть применен впрямую на бензиновых двигателях, потому что температура горения их рабочей смеси при избытке кислорода («обеднении» смеси – об этом ниже) становится слишком высокой, что может привести к прогару поршней и клапанов.

Преобразование химической энергии в работу (механическую энергию) в поршневом двигателе сосредоточивается вокруг рабочего хода. Топливовоздушная смесь сгорает быстро и создает давление из-за взрывообразного разогрева смеси, главным образом углекислого газа и водяного пара. Это давление действует на днище поршня и с помощью кривошипно-шатунного механизма проворачивает коленчатый вал. Пропорция химической энергии, выделившейся в виде тепла, преобразованного в механическую энергию, зависит от «степени расширения» смеси газов. Этот параметр соответствует отношению между свободным объемом в цилиндре в момент поджига смеси и свободным объемом цилиндра до открытия выпускного клапана. Чем выше значение отношения, тем больше энергии тепла и давления может использоваться на вращение коленчатого вала.

К сожалению, есть предел степени сжатия, выше которого смесь не горит равномерно и вызывает детонацию. Некоторые источники приписывают это «предвоспламенению», т.е. явлению, когда смесь загорается спонтанно, до подачи искры. Здесь есть смысл отметить лишь то, что двигатель с циклом Отто конструируется таким образом, чтобы не допустить возникновения детонационных эффектов при заданных значениях октанового числа топлива. И такой агрегат не способен обес­печить больших степеней в расширении работающих газов.

Среди причин снижения эффективности двигателя специалисты не последнее место отдают «потерям трения». Не станем останавливаться на том, что и как трется в механизмах ДВС, об этом знает любой наш современник, а не только автомеханик. Здесь важнее другое. Чем больше выходная мощность и обороты двигателя, тем выше потери трения. В режимах высоких скоростей потери трения могут составить большую часть «брутто-выхода» двигателя. Вот почему эффективность двигателя падает в режимах эксплуатации, превышающих «зеленую зону».

До недавнего времени конструкторы не стремились увеличить размеры двигателей, чтобы уменьшить трение для повышения эффективности. Наоборот, трение становится большой проблемой, поскольку двигатели становятся все миниатюрнее. А это – прямой путь к увеличению потерь мощности в таких двигателях на трение.

Идем дальше. Рассмотрим сам процесс сгорания топлива. Инженеры конструируют двигатели таким образом, чтобы обеспечить мотор, работающий в оптимальном режиме, пропорцией «топливо – кислород воздуха», позволяющей сжечь все топливо, используя весь кислород. Такое идеальное соотношение называют «стехиометрической смесью». Примерно это соответствует 14,7 кг воздуха на каждый килограмм бензина.

Современные автомобили поддерживают правильную смесь, используя ДМРВ (датчик массового расхода воздуха) на входе и датчик остаточного кислорода в выхлопе. Если отношение воздух/топливо увеличивается так, что воздуха становится больше нормы, смесь, как говорят, является «бедной». Кислород в выхлопе не причиняет вреда, но скудная смесь сгорает с более высокой температурой и может повредить двигатель, не разработанный для этого.

Высокая температура может также заставить азот воздуха соединяться с избыточным кислородом и производить оксиды азота, которые вносят свой вклад в загрязнение атмосферы. Если отношение воздух/топливо уменьшается так, что в двигатель поступил избыток топлива, смесь называется «богатой». Несгоревшее топливо в выхлопе вносит вклад в загрязнение окружающей среды. А то, что оно не окислилось для получения дополнительной мощности ТС, говорит об уменьшении эффективности двигателя.

Обычные двигатели просто обогащают смесь, когда требуется развить большую мощность. Это делает возможным использование каждой порции воздуха, поступившего в двигатель, для получения максимально возможного крутящего момента. Несгоревшее топливо может быть окислено до конца каталитическим нейтрализатором – и этим понизится вред природе, но и тогда энергия топлива будет потрачена впустую и в результате эффективность снизится.

Мы рассмотрели, как впустую, т.е. неэффективно расходуется мощность ДВС. Далее рассмот­рим пути ее эффективного использования – таковых можно выделить пять. На этом сегодня остановимся. В следующий раз продолжим разговор именно с этого момента. Затем перейдем к устройству гибридных автомобилей, познакомимся с их основными компонентами. До встречи.

Редакция благодарит работников Toyota Центр Ясенево за помощь в организации фото­съемки сюжетов, использованных в статье

Тема гибридных автомобилей не сходит со страниц нашего журнала уже шестой год подряд. Поисковики Google и Яндекс начиная с 2015 года стабильно «оценивают» ее (тему) как невероятно востребованную и без какого-либо стимулирования определяют место нашим статьям на первых этажах запросов.

Когда-то это нас удивляло, но теперь нет: любой желающий, забивший поисковые слова «Ремонт и обслуживание гибридных автомобилей» – хоть в Google, хоть в Яндексе, – обязательно найдет журнал «АБС-авто» на самой верхней строке из 170 млн претендентов на это место по результатам поиска. Самой верхней! Почему? Ответ довольно прост – из-за востребованности темы и качества нашего контента.

Сегодняшняя работа открывает новый этап в развитии темы. Теперь каждая статья на гибридную тему будет состоять из двух или трех частей: история появления гибридных автомобилей, их обслуживание и ремонт. С частью материалов будущих статей читатель знаком по прошлым публикациям. Но теперь к ним добавилась историческая линия, которая, безусловно, представляет особый интерес – ведь история рождения и становления гибридных автомобилей как самостоятельного направления в автомобилестроении появилась не вчера, а гораздо раньше. Пожалуй, пора и начинать.

История гибридных автомобилей началась почти 200 лет назад. Кто-то может с этим не согласиться. Пусть так – каждый может иметь собственное мнение по любым вопросам, включая профессиональные, и спорить об этом – лишь терять драгоценное время.

Посмотрите на автомобиль Тoyota Prius 2018 модельного года. Это красивый, мощный, современный, экономичный и экологичный автомобиль.

А история его зарождения начиналась вот с такого неказистого устройства, состоящего из набора гальванических элементов, проволоки и компаса.

На иллюстрации показана реконструкция эксперимента, который провел Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) для обоснования своей теории: «Электрический ток может производить электромагнетизм». Произошло это в 1820 году и, можно сказать, почти случайно. Ханс Эрстед в то время был профессором физики, отменным преподавателем, умевшим рассказывать слушателям о физических процессах просто и доступно, за что его любили ученики и слушатели.

В тот день, перед занятиями, он беседовал со своим старым прия­телем-охотником. Тот похвастался новым приобретением – компасом от отличной немецкой фирмы. Заговорившись, он забыл этот самый компас на столе.

Во время проведения лекции, демонстрируя один из физических опытов, Ханс Кристиан краем глаза уловил одну странность: когда он включил электрическую нагрузку и по проводу пробежал электрический ток – стрелка компаса начала отклоняться! Не прерывая лекции, он поменял расположение компаса, вновь включил нагрузку, и стрелка компаса опять отклонилась. После занятий, забыв об обеде и ужине, Эрстед продолжал экспериментировать, пока наконец не утвердился в мысли, что все происходящее – не сон, а влияние электрического тока, который может самостоятельно воз­действовать на магнитную стрелку компаса!

Проведя десятки экспериментов, Ханс Кристиан Эрстед исследовал и обосновал теорию возникновения электромагнетизма. Свое открытие ученый совершил зимой 1819–1820 годов.

И уже в июне 1820 года он подготавливает и отдает в печать свою научную работу: «Некоторые опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Ханс Эрстед стал всемирно известным и признанным ученым.

Он был избран членом Лондонского Королевского общества, Парижской Академии, а в 1830 году его избрали почетным членом Петербургской академии наук. Так что и Prius, и любой другой электромобиль имеют одного родителя и одну точку отсчета: Ханс Кристиан Эрстед, зима 1820 года.

Это открытие, возможно, помогло венгерскому изобретателю Аньосу Джедлику в 1828 году собрать настольную модель первого в мире электрического двигателя (обратите внимание, насколько схожи мысли этих двух ученых – в первом случае крутится стрелка компаса, а во втором случае сила электромагнетизма вращает нечто массивное, только отдаленно похожее на стрелку компаса).

Он же построил маленькую модель самодвижущегося устройства, названного им «электрическим локомотивом», которая через вер­тикальную ось и несложную шестеренную передачу приводила в движение колеса.

В эти же годы М. Фарадей в результате опытов Аньоса Джедлика обнаружил возможность перехода электрической энергии в механическо-вращательное движение при помощи электромагнитной энергии. А в 1854 году изготовил из угольно-цинковых элементов действующую аккумуляторную батарею, в которой использовалась «чили селитра» (нитрат натрия).

В 1827 году Аньос Джедлик сконструировал первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока).

У ученых всегда мало времени. А у ученых-изобретателей его почти нет: в голове постоянно крутятся какие-то новые идеи, одна картинка накладывается на другую… Знакомые и друзья ученого говорили ему об «известности», о «мировом признании», но ему было некогда, все новые и новые идеи занимали мысли и время, и только в конце 1850-х годов он обнародовал свои изобретения, в том числе и придуманный им электрический локомотив.

Исторические факты настолько переплетены между собой, что исследователям порой бывает очень трудно установить «приоритет гениальности», т.е. кого считать «отцом-основателем» того или иного физического закона или изобретения.

В 1680 году Ньютон после проведения многочисленных опытов начал формулировать свой третий закон, который впоследствии стал звучать так: «Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению». Свои мысли он опубликовал в фолианте «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica).

В современных учебниках, для лучшего понимания, третий закон Ньютона демонстрируют так.

А во времена Ньютона действие этого закона изображалось так.

В своих записках к описанию третьего закона Ньютон отметил такое свое наблюдение после проведенных опытов: «Если на повозку с колесами поставить котел с кипящей водой и открыть отверстие сзади котла, то вылетающая струя пара из котла сможет толкать повозку вперед».

Отметим, что это 1680 год. И понадобилось почти 200 лет, чтобы мысли Ньютона стали осуществляться: Фердинанд Вербист (священник, фламандский иезуит, астроном), находящийся на службе у китайского императора, смог придумать вот такое устройство, которое удивительно напоминает «самодвижущуюся повозку Ньютона».

На рисунке видно не совсем отчетливо, поэтому предлагаю посмот­реть на реконструкцию этого изобретения.

Как видим, принцип Ньютона тут сохранен, однако есть много оригинальных дополнений: пар из котла «упирается» в некое зубчатое деревянное колесо с лопатками, которое соединено передачей с задними колесами тележки.

Изобретение? Несомненно! Причем оно сильно похоже на умозаключения венгерского изобретателя Аньоса Джедлика (выше по тексту), который в результате проводимых опытов обнаружил возможность перехода электрической энергии в механическо-вращательное движение при помощи электромагнитной энергии.

Следует обратить внимание, что в то время очень разные люди, обладающие глубокими познаниями в самых разных областях науки, уже начали задумываться над тем, как один вид энергии превратить в другой.

В 1769 году француз Никола Жозеф Кюньо (1725–1804) построил самодвижущееся устройство, которое было названо «паровозной кареткой». История создания этого самодвижущегося устройства весьма интересна. Кюньо был в то время капитаном французской армии. И за время военной службы вдоволь насмотрелся на беспомощность артиллерии – непроходимые дороги не позволяли лошадям вывезти орудия на позиции в заданное время. Обладая хорошим образованием и гибким умом, он засел за расчеты, и в скором времени на свет появилась вот эта «самодвижущаяся повозка», предназначенная в первую очередь для того, чтобы заменить лошадей и тянуть артиллерийские орудия.

Общий вес устройства составлял около 2,5 т, конструкция была трехколесной, и по расчетам скорость передвижения должна была достигать от 3 до 5 км/ч. Во время испытаний параметры скорости почти подтвердились: устройство везло четырех человек со скоростью 3,5 км/ч. Однако во время одной из поездок человек, управляющий устройством, не справился с управлением, и тележка врезалась в стену. Это можно смело назвать первым дорожно-транспортным происшествием с участием автомобиля.

В 1825 году британский изобретатель Голдсворти Герни построил паровой автомобиль, который через десять часов успешно совершил круговое путешествие на 85 миль. (Паровые машины доминировали на автомобильном ландшафте до конца XIX века.)

В этой повозке использовался паровой двигатель, расположенный в закрытом пространстве, количество перевозимых человек могло достигать 12.

Ну а что же с электрическими автомобилями? Или паровые самодвижущиеся устройства явились определенным (и необходимым) переходным звеном? Вполне может быть… Изобретателям электромобилей нужна была платформа, на которую они смогли бы поставить свои электрические устройства, а многочисленные опыты с паровым движителем, удачные и неудачные, только помогли создателям электромобилей выбирать для своих экспериментов наиболее надежные конструкции паровых самодвижущихся устройств, приспосабливая их под свои задумки.

Изобретатель электродвигателя постоянного тока

Давайте сравним два устройства: первое, которое на деревянной подставке – это из 1833 года.

А это электродвигатель современного гибридного автомобиля Toyota Prius из XIX века.

Согласитесь, что внешне эти конструкции мало похожи. Однако и первое, и второе в принципе есть одно и то же – это электродвигатели постоянного тока!

Заглянем в историю: 1834 год. Небольшое закопченое строение на окраине города Вермонта (сейчас США). Это кузница. Женщина помогает мужу раздувать горн. Устала. Садится и смотрит на мужа:

– Ну чего опять задумался?

– Да никак из головы не выходит… Помнишь, на прошлом празднике были на ярмарке, и там видели удивительную вещь: железо прыгало и прилипало на электромагнит?

– И что?

– А если взять не один магнит, а два, три, четыре. И…

– И что «и»?

– Так можно же двигать предметы и вещи! Понимаешь?

– Пока нет…

Кузнец (а это был Томас Девенпорт), взял в руки только что им откованную подкову и стал чертить на земле…

Мысль была такая: если взять несколько магнитов, расположить их на разном удалении друг от друга и попеременно включать-выключать один из них, то можно попробовать заставить кусок железа прилипать то к одному, то к другому магниту.

Дальше были исследования. Сначала продали все ценное в доме и Томас приобрел несколько электромагнитов. Когда что-то начало получаться, то Девенпорт продал кузницу и целиком погрузился в эксперименты с элетромагнитами и кусками железа.

А где тогда было учиться? Тем более простому кузнецу… только самообразование! Заработанные деньги Девенпорты делили на две части: меньшая часть на еду, и большую часть на покупку технических журналов. В 1883 году в одной из статей Томас обратил внимание на заметку, где рассказывалось о технологии Джозефа Генри: «О способах разделения железной руды». Описывались способы применения электромагнитов, когда при включении тока железо из руды прилипало к элетромагнитам, а пустая порода оставалась лежать.

Томас увлечен захватившей его идеей полностью, изготавливает несколько своих личных магнитов – и продолжает эксперименты. В качестве источника тока использует уже известную батарею Вольта:

Во время одного из экспериментов он задумался: а как сделать так, чтобы для вращения колеса на полный круг не приходилось бы постоянно перекидывать контакты – при работе магнитов колесо делало только половину оборота. И он придумал устройство (которое сейчас называют «щетки и коммутатор»), при помощи которого переключение полярности магнитов происходило автоматически и колесо вращалось непрерывно.

• Сергей Гордеев, директор специализированного автосервиса «Гибрид-сервис», автор профессиональной литературы по гибридам, преподаватель

гибриды

Гибридный автомобиль: определение, преимущества и типы

Гибридные автомобили — это ступенька в будущее: чтобы сделать мобильность максимально нейтральной с точки зрения выбросов углерода, автомобильная промышленность все больше обращается к электромобилям. Тем не менее, есть еще ряд проблем, связанных с чисто электрическими автомобилями. Гибридная технология сочетает в себе преимущества двух разных систем привода — электродвигателя и обычного двигателя внутреннего сгорания.

Изменение климата, повышение уровня выбросов: согласно исследованию Межправительственной группы экспертов по изменению климата, на транспорт приходится 24% всех выбросов CO ₂ выбросов по всему миру. Вот почему мобильность должна стать углеродно-нейтральной — не в отдаленном будущем, а как можно скорее. Необходимо уменьшить зависимость от бензиновых и дизельных двигателей, чтобы можно было заменить ископаемое топливо. Их все чаще заменяют электрифицированными приводными системами.

Однако во многих случаях чистые электромобили не могут конкурировать с обычными транспортными средствами: у них меньший запас хода, дорогие аккумуляторы, что приводит к более высоким ценам на автомобили, и во многих регионах сеть зарядных станций является неадекватным. Гибридные автомобили предлагают решение: они сочетают в себе систему электропривода и двигатель внутреннего сгорания. Это означает, что автомобили могут проехать дальше, чем чистые электромобили, и они потребляют меньше бензина или дизельного топлива, чем автомобили, работающие исключительно с двигателем внутреннего сгорания.

Они также могут соответствовать все более строгим ограничениям для легковых автомобилей, установленным, например, ЕС. С 2021 года средний целевой показатель выбросов новых автомобилей для всего парка автомобилей в ЕС составит 95 г CO ₂ на километр. А к 2030 году этот показатель должен снизиться еще на 37,5%. Многие другие страны также установили строгие ограничения.

Гибридные автомобили: обзор основных фактов

Что такое гибридный автомобиль?

Слово «гибрид» имеет греческие корни и означает «из двух источников». Соответственно, гибридное транспортное средство получает энергию из двух разных источников и, следовательно, имеет более одной системы привода: как правило, электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания — обычно с бензином в качестве топлива; дизель встречается реже. Цель гибридного привода состоит в том, чтобы объединить преимущества обеих систем привода и сбалансировать их недостатки:

• В настоящее время основным преимуществом автомобиля с бензиновым или дизельным двигателем по сравнению с системой электрического привода является запас хода. Это не из-за самого двигателя, а из-за накопителя энергии: аккумулятора. По мере того, как батареи становятся более эффективными, радиус действия будет увеличиваться. Еще одним преимуществом автомобилей с двигателями внутреннего сгорания является то, что они все еще дешевле, чем электромобили. Но с другой стороны, они потребляют топливо, вызывают выбросы и шумные. Значительная часть энергии топлива тратится впустую.
• Автомобиль с электродвигателем не производит местных выхлопных газов и шума, не использует ископаемое топливо при условии, что электроэнергия поступает из возобновляемых источников. С электродвигателями ускорение также быстрее и динамичнее. Однако из-за батареи электромобили имеют меньший запас хода, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания. И им нужна большая и, следовательно, более дорогая батарея.

Синтез обеих систем привода позволяет снизить расход топлива и выбросы при приемлемых дополнительных затратах на покупку, динамичную управляемость и большой запас хода. Электродвигатель либо поддерживает, либо заменяет двигатель внутреннего сгорания, особенно там, где он неэффективен, и в определенных ситуациях повышает производительность.

По этой причине, а также в связи с различными государственными программами поощрения продажи автомобилей с гибридным приводом растут. В то время как в ЕС было зарегистрировано более миллиона новых гибридных автомобилей в 2019 , к 2020 году это число уже превысило 1,4 миллиона, по данным поставщика услуг данных Jato Dynamic. Это означает увеличение на 47 процентов по сравнению с 2019 годом.

Знаете ли вы?

Знаете ли вы?

Toyota Prius был первым серийным гибридным автомобилем еще в 1997. Но системы гибридного привода на самом деле намного старше: первым автомобилем с комбинацией бензинового и электрического привода был «Mixte Hybrid», который Фердинанд Порше построил для K. u. K. Hof-Wagen und Automobil-Fabrik Jacob Lohner u. Co. – венская компания по производству роскошных кузовов. В этом транспортном средстве 16-сильный бензиновый двигатель работал вместе с генератором, который давал электричество для зарядки аккумулятора, который, в свою очередь, приводил в движение колеса.

Как работает гибридный автомобиль?

Электроэнергия для гибридных автомобилей обеспечивается, с одной стороны, за счет ископаемого топлива, а с другой — за счет электроэнергии. Следовательно, гибридное транспортное средство имеет как минимум две системы накопления энергии — топливный бак и аккумулятор — и как минимум два преобразователя энергии, электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания. Другими важными компонентами гибридной системы привода являются электронное устройство управления, которое решает, когда переключаться между двумя системами привода, и инвертор, который преобразует постоянный ток от батареи в переменный ток и управляет электродвигателем.

Отдельные компоненты гибридного привода

Как и многие другие компоненты, следующие детали играют важную роль в гибридном автомобиле:

• Электродвигатель образует ядро. Он выполняет две функции: с одной стороны, в определенных дорожных ситуациях он приводит автомобиль в движение электрически. В качестве генератора он преобразует кинетическую энергию торможения в электрическую энергию и возвращает эту энергию аккумулятору через инвертор. Это известно как выздоровление.
• Двигатель внутреннего сгорания представляет собой обычную систему привода, которая получает энергию в основном от бензина или, иногда, дизельного топлива. Двигатель внутреннего сгорания особенно эффективен, когда он работает с постоянной скоростью в оптимальной рабочей точке.
• Электрическое устройство управления соединяет электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания и автоматически переключается на оптимальный привод, в зависимости от того, какой из них наиболее эффективен в данный момент. Электронное управление потоком энергии обеспечивает эффективную работу автомобиля.
• Инвертор соединяет аккумулятор с электродвигателем. Силовая электроника преобразует постоянное напряжение батареи в высокочастотное переменное напряжение, которое формирует электромагнитное поле для выработки электроэнергии в электродвигателе.
• Аккумулятор обеспечивает питание электродвигателя. В гибридном автомобиле литий-ионный аккумулятор работает с системой управления батареями. За исключением мягких гибридов (аккумулятор 48 В), используются высоковольтные аккумуляторы.
• Топливный бак хранит ископаемое топливо, другими словами, бензин или дизельное топливо. Дальность действия машины зависит от размера танка.

Как заряжается аккумулятор в гибридном автомобиле

Гибридные автомобили обычно вырабатывают электроэнергию для зарядки аккумулятора во время движения. Как и в чисто электрической системе привода, электродвигатель в гибридном автомобиле также действует как генератор. Другими словами, во время торможения или движения накатом, когда транспортное средство движется без использования энергии, оно преобразует кинетическую энергию обратно в электричество — это называется рекуперацией. Если автомобиль представляет собой серийный гибрид (см. ниже), двигатель внутреннего сгорания также действует как генератор для выработки энергии. Только подключаемые гибриды также могут питаться электричеством от зарядной станции.

Когда в гибридном автомобиле активны разные системы привода

Большинство гибридных автомобилей автоматически переключаются между двумя системами привода или позволяют им работать вместе. Это зависит от реальной ситуации вождения. Например, электронный блок управления переходит в режим IC, когда автомобиль движется с постоянной высокой скоростью. В это время двигатель внутреннего сгорания работает особенно эффективно.

Комбинация этих двух систем может быть полезна, например, на подъемах или при обгоне. В этих ситуациях на короткое время требуется усилитель энергии, а электродвигатель дополняет мощность двигателя внутреннего сгорания.

Во многих гибридных автомобилях электродвигатель также может самостоятельно двигать автомобиль. В этом случае топливо не расходуется. Поскольку электродвигатель имеет высокий КПД даже при низких скоростях, он особенно подходит для пуска и для низких скоростей.

Типичная ситуация вождения автомобиля с параллельной гибридной конфигурацией (см. ниже) выглядит следующим образом: при запуске автомобиля работает только электродвигатель. Когда автомобиль набирает скорость, включается двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания обычно используется на автомагистралях. Если водитель тормозит или позволяет автомобилю двигаться по инерции, энергия захватывается и сохраняется в аккумуляторе, а затем используется электродвигателем по мере необходимости.

jpg_1414829238.jpg»> Какие существуют типы гибридных автомобилей?

Две системы привода в гибридном автомобиле могут работать вместе по-разному, и типы привода могут иметь разный вес.

Микрогибрид, мягкий гибрид и полный гибрид

Гибриды различаются по уровню электрификации. По данным немецкой автомобильной ассоциации ADAC, возможна экономия топлива от 15 до 25% по сравнению с автомобилем с ДВС и даже больше с подключаемым гибридом.

Микрогибрид
Микрогибрид использует автоматическую систему старт-стоп для рекуперации энергии торможения и хранения ее в классической 12-вольтовой стартерной батарее. Однако транспортное средство приводится в движение исключительно двигателем внутреннего сгорания, что объясняет, почему микрогибриды не указаны в качестве гибридной концепции во многих классификациях приводов. Другими словами, микрогибриды — это автомобили с системой привода ДВС и хорошо спроектированной электроникой привода. Уровень экономии топлива низкий.

Мягкий гибрид
В отличие от микрогибридов, мягкие гибриды (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV) имеют в системе привода электродвигатель, но он никогда не работает сам по себе и используется только для поддержки двигателя внутреннего сгорания. Например, он увеличивает мощность двигателя при ускорении. В дополнение к обычному аккумулятору на 12 В в «мягких» гибридах используется еще и аккумулятор на 48 В. Из-за более высокого напряжения мягкий гибрид может рекуперировать больше энергии торможения, чем микрогибрид. Автоматическая система старт-стоп также более эффективна, так как двигатель можно останавливать чаще и дольше. Автомобили с мягким гибридом потребляют до 15% меньше топлива, чем автомобили с обычными двигателями внутреннего сгорания.

Полный гибрид
В полном гибриде (Full Hybrid Electric Vehicle, FHEV) электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания работают вместе интеллектуально и гибко. Чисто электрическое вождение также возможно, но обычно только при коротких поездках на несколько миль. В отличие от мягких гибридов, полные гибриды не имеют дополнительной батареи на 48 В, но имеют высоковольтную тяговую батарею на несколько сотен вольт. Мощность электродвигателя также выше, чем у мягкого гибрида. Федеральное агентство по охране окружающей среды Германии заявляет, что возможна экономия топлива более чем на 20% по сравнению с автомобилем с чистым ДВС.

Подключаемый гибрид

Подключаемые гибриды

(Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV) являются дальнейшим развитием полных гибридов. Что отличает их от всех других гибридов, так это то, что в дополнение к рекуперации батарея также может заряжаться от зарядной станции или сетевой розетки, что объясняет название «подключаемый гибрид».

Как и полные гибриды, подключаемые гибриды имеют высоковольтную батарею, хотя она намного больше и эффективнее. Например, в зависимости от модели возможна дальность до 100 километров (около 62 миль) и более в чисто электрическом режиме. Это позволяет, например, многим пассажирам совершать ежедневные поездки из дома на работу и обратно без каких-либо выбросов. Стандартный расход топлива подключаемого гибрида до 35% меньше, чем у сопоставимого автомобиля с ДВС. Однако то, будет ли это достигнуто в реальных дорожных условиях, во многом зависит от того, регулярно ли водитель заряжает аккумулятор и действительно использует потенциал экономии топлива. Также необходимо учитывать сезонные колебания, так как низкие зимние температуры сокращают запас хода батареи.

Параллельный и последовательный гибрид

В дополнение к уровню электрификации гибридные автомобили также различаются по конструкции. В настоящее время наиболее распространены параллельные гибриды, к которым относятся упомянутые выше мягкие, полные и подключаемые гибриды. Также доступны серийные гибриды, а гибриды с разделением мощности представляют собой комбинацию обеих концепций.

Параллельный гибрид
Эти типы транспортных средств имеют две системы привода – электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания. Оба могут двигать автомобиль вперед и соединены с ведущим мостом. Они развертываются по мере необходимости: транспортное средство может приводиться в движение исключительно электрически, только с двигателем внутреннего сгорания или с их комбинацией. В этом типе системы привода мощность электродвигателя и ДВС суммируется, образуя общую мощность.

Гибрид серии
Гибриды серии имеют электродвигатель и ДВС, но только одну систему привода. Источники питания соединены последовательно: как правило, электродвигатель двигает транспортное средство вперед, а двигатель внутреннего сгорания вырабатывает электричество для аккумуляторной батареи. Источники питания механически не связаны.

Концепции расширения диапазона также относятся к этой категории. Проще говоря, двигатель внутреннего сгорания действует только как генератор для подзарядки батареи, когда она разряжена, пока транспортное средство не достигнет следующей зарядной станции.

Гибриды Power Split
Последовательные и параллельные гибридные приводы также можно комбинировать в одном автомобиле. В гибридах с разделением мощности или последовательно-параллельных, как их еще называют, водитель выбирает один из двух приводов.

Гибридные автомобили: преимущества и недостатки

Каковы преимущества гибридного автомобиля?

По сравнению с автомобилями, оснащенными только двигателем внутреннего сгорания, гибридные системы привода или полностью электрические двигатели имеют много преимуществ:

• В зависимости от ситуации и типа вождения гибридный автомобиль может использовать оптимальный режим движения, например, в городе и на загородных дорогах.
• Расход топлива снижается на 15–50 % в зависимости от типа автомобиля. Особенно это касается вождения в городском потоке с частыми остановками.
• Более низкое потребление и, в некоторых случаях, чисто электрический режим приводят к меньшему количеству выбросов.
• Транспортное средство движется более эффективно. Потери энергии меньше, чем при использовании бензина или дизельного топлива, поскольку энергия от торможения и движения накатом улавливается и используется.
• Также можно совершать длительные поездки, так как запас хода больше, чем у чисто электрического автомобиля.
• По сравнению с обычной системой привода ускорение увеличивается на 10–20 %. Двигателю внутреннего сгорания нужны более высокие обороты для большего крутящего момента. С электродвигателем это высоко с самого начала.
• Помимо подключаемых гибридов, транспортные средства не нужно заряжать электричеством – следовательно, водителям не нужно искать зарядную станцию.

Каковы недостатки гибридного автомобиля?

Гибридные автомобили также имеют несколько недостатков по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания или только с электродвигателями:

• Их покупка дороже, чем автомобилей с ДВС, поскольку конструкция технологии двойного привода более сложна. Однако этот недостаток со временем компенсируется меньшим расходом топлива.
• Автомобиль тяжелее из-за двух источников питания и дополнительной батареи. В некоторых моделях расход топлива может быть выше в определенных ситуациях, когда работает только двигатель внутреннего сгорания.
• Дополнительная батарея занимает место. Это может означать, что багажник меньше, чем в обычном автомобиле.
• У подключаемых гибридов общий углеродный след зависит от электричества, которое используется для зарядки аккумулятора — чем больше «зеленого» электричества, тем лучше.
• В отличие от чисто электрических транспортных средств, гибриды по-прежнему зависят от ископаемого топлива и производят выбросы.

jpg_1414829238.jpg»> Вклад Infineon в гибридные диски

Как обычно, при производстве, хранении или преобразовании электроэнергии микроэлектроника также играет важную роль в электрических и гибридных транспортных средствах. Датчики измеряют различные параметры; микроконтроллеры принимают решения, например, когда ток должен течь в определенной части системы, а когда нет. И силовые полупроводниковые приборы реализуют эти решения. Степень, в которой электроника работает разумно и эффективно, оказывает большое влияние на запас хода, производительность и стоимость, а для подключаемых гибридов и полностью электрических транспортных средств также на время зарядки аккумулятора.

Infineon очень рано начала разрабатывать полупроводники специально для электрических и гибридных автомобилей. В настоящее время компания является ведущим поставщиком чипов для электромобилей. Infineon ожидает дальнейшего роста. «В этом столетии мы достигнем точки, когда большинство всех новых автомобилей в мире будут полу- или полностью электрическими», — говорит Стефан Зизала, вице-президент и генеральный директор подразделения Automotive High Power компании Infineon. Соответственно, Infineon инвестирует в увеличение производственных мощностей. Например, в Филлахе в Австрии. Здесь строится новый завод стоимостью 1,6 миллиарда евро для производства силовой электроники для гибридных и электрических транспортных средств, а также для других целей.

Infineon также работает над технологическими инновациями, чтобы сделать электронику еще более мощной и эффективной. Примером этого является использование новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния. В некоторых приложениях чипы из карбида кремния обеспечивают большую мощность и более высокую энергоэффективность, чем традиционные кремниевые чипы. Например, это снижает потери энергии при зарядке подключаемого гибрида и увеличивает запас хода электромобилей.

Обзор наиболее важных вопросов и ответов

Что такое подключаемый гибрид?

Подключаемый гибрид — это транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем. В отличие от других гибридных моделей, его аккумулятор заряжается не только за счет рекуперации при торможении и движении накатом; при необходимости подключаемый гибрид также может питаться от зарядной станции или настенной розетки, что объясняет название «подключаемый» гибрид. Аккумулятор подключаемого гибрида больше, чем у других гибридных автомобилей, поэтому на одном электричестве можно проехать дольше — в среднем 50 километров, а в некоторых автомобилях даже до 100 километров.

Что лучше: гибрид или подключаемый гибрид?

Какой тип мягкого, полного или подключаемого гибрида лучше всего подходит водителю, зависит от реальной ситуации. С подключаемым гибридом водители могут рассчитывать на более длительное вождение, используя только электричество. Аккумулятор также можно заряжать на зарядной станции или через настенную розетку. Это невозможно с другими типами гибридов: электроэнергия вырабатывается исключительно за счет рекуперации и с помощью двигателя внутреннего сгорания. Другие гибриды могут ездить исключительно на электричестве только на короткие расстояния, если вообще могут. Кроме того, электродвигатель увеличивает КПД двигателя внутреннего сгорания.

Как заряжается гибридный автомобиль?

Все гибридные автомобили получают электроэнергию за счет рекуперации: кинетическая энергия при торможении и движении накатом не теряется полностью; вместо этого часть его преобразуется в электричество и сохраняется в аккумуляторе. Это большое преимущество по сравнению с автомобилями с обычными двигателями внутреннего сгорания. Мощность бензинового или дизельного двигателя также может быть использована для выработки электроэнергии. Подключаемые гибриды также можно заряжать дома или на зарядной станции.

Подходят ли гибридные автомобили для чисто дальних поездок?

На гибридных автомобилях также можно ездить на большие расстояния. Однако преимущества системы комбинированного привода не столь ярко выражены, так как электроэнергия вырабатывается в основном за счет частых торможений при движении по городу. Кроме того, электродвигатель особенно поддерживает двигатель внутреннего сгорания при запуске автомобиля. На более низких скоростях некоторые гибриды также могут двигаться исключительно на электричестве. Как правило, из-за дополнительного электродвигателя топливный бак гибрида меньше, чем в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Следовательно, он содержит меньше топлива, что может уменьшить дальность полета на большие расстояния.

Насколько практичны гибриды только для коротких расстояний?

В зависимости от типа транспортного средства гибриды могут ездить на короткие расстояния, например, по городу, используя только электричество. Тогда ископаемое топливо не потребляется. Однако, если водитель не тормозит часто, не так много энергии может быть рекуперировано, и двигатель внутреннего сгорания должен вступить во владение. Если преодолеваются в основном короткие расстояния, чисто электрический автомобиль может быть более подходящим, поскольку его можно подзарядить на зарядной станции. Подключаемый гибрид является альтернативой, если транспортному средству также необходимо проехать на большие расстояния.

Последнее обновление: июль 2021 г.

Короткое время зарядки, большой радиус действия

В настоящее время мало кто готов водить электромобиль. Но это быстро изменится — с развитием зарядных станций большой мощности.

Узнать больше

Путь к устойчивой мобильности

Узнайте больше о том, как Infineon ускоряет внедрение xEV на массовом рынке и помогает автомобильной промышленности достичь своих амбициозных целей по выбросам CO2.

Узнать больше

Ищете новые возможности для работы?

Познакомьтесь с нашими сотрудниками и откройте для себя целый мир карьерных возможностей в этой сфере нашей компетенции.

Учить больше

Гибридные, электрические и газовые транспортные средства

Выбор, выбор

Не так давно основное различие между автомобильными двигателями заключалось в том, какое топливо вы заправляете — бензин или дизель. Но сегодня забота об окружающей среде и желание уменьшить зависимость от ископаемого топлива означают, что все больше и больше электрических и гибридных автомобилей попадают к вашим местным дилерам.

В следующий раз, когда вы будете искать новый автомобиль на рынке, найдите время, чтобы узнать разницу между обычными бензиновыми двигателями, электромобилями и гибридными автомобилями. Ознакомьтесь с этим удобным руководством, чтобы узнать о плюсах и минусах каждого типа транспортного средства, прежде чем отправиться за покупками.

Обычные автомобили, работающие на газе

Большинство автомобилей, грузовиков и внедорожников, которые вы видите сегодня на дорогах, используют обычный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или дизельном топливе. Этот тип двигателя, впервые разработанный в 1860 году, имеет множество движущихся частей, которые соединяются вместе, чтобы двигать автомобиль по дороге. Бензиновый двигатель по-прежнему широко используется, потому что он по-прежнему обеспечивает мощность и производительность, которые нужны многим водителям.

Благодаря блоку цилиндров с такими деталями, как головки цилиндров, клапаны, поршни и свечи зажигания, мощность представляет собой четырехтактный процесс, который приводит в движение ваш автомобиль.

Такт 1 – Впуск : Поршень втягивается в цилиндр, и впускной клапан открывается для подачи воздушно-топливной смеси.

Такт 2 – Сжатие : Впускной клапан закрывается, и поршень движется обратно вверх для сжатия топливно-воздушной смеси.

Такт 3 – Сгорание (мощность): Когда поршень находится в верхней части, свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь. Сгорание толкает поршень обратно вниз.

Такт 4 – Выхлоп : Выпускной клапан открывается, и поршень возвращается вверх, выталкивая выхлоп из цилиндра.

Этот цикл повторяется в каждом цилиндре сотни раз в минуту, обеспечивая питание вашего автомобиля.

Плюсы:

Более низкая закупочная цена

Средняя дальность 300-400 миль (на полном баке бензина)

Больше мощности для разгона и буксировки

Простота заправки – множество заправочных станций

Выбросы способствуют загрязнению окружающей среды

Работает на газе, невозобновляемом ресурсе

Электромобили

Будущая доступность газа, а также влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду привели производителей транспортных средств к гонке за то, чтобы первыми разработать электромобиль, который получит широкое распространение среди водителей. Электромобили полагаются на батареи для питания двигателя и движения автомобиля по дороге.

Обычно с первого взгляда невозможно отличить транспортное средство, работающее на бензине, от электромобиля, но стоит заглянуть под капот, и не возникнет вопроса, на какой тип транспортного средства вы смотрите. Там, где вы обычно видите блок двигателя и все связанные с ним части газового двигателя, в электромобиле вы найдете меньше движущихся частей. Основными компонентами электромобиля являются:

Аккумуляторы – Источник питания транспортного средства; находится под автомобилем или в багажнике.

Контроллер – получает питание от батарей, скрывает питание и передает ток на двигатель.

Электродвигатель – получает энергию от контроллера для питания двигателя и движения автомобиля.

В электромобилях используются различные технологии для максимизации мощности, в том числе:

Автоматический запуск и остановка . Благодаря автоматическому выключению двигателя при остановке автомобиля и его перезапуску при нажатии на педаль акселератора сокращается расход энергии на холостом ходу. .

Рекуперативное торможение — Возвращая энергию, потерянную при движении накатом или торможении, рекуперативное торможение использует движение колес вперед, чтобы помочь остановить автомобиль.

Нет выхлопной трубы – нет загрязнения

Меньше деталей для замены

Меньше регламентных работ – без замены масла

Стоимость при перепродаже может быть выше

Удобство – можно заряжать дома но улучшается с каждым модельным годом

Время зарядки — полная зарядка может занять от 4 до 8 часов

Поиск зарядных станций — их не так много, как заправочных станций

Покупать дороже

Дорогие батареи — замена аккумуляторной батареи может стоить 1000–4000 долларов США 

Меньше транспортное средство = уменьшенная вместимость

Гибридные автомобили

Сочетая преимущества газовых и электрических двигателей, гибридные автомобили используют обычный двигатель внутреннего сгорания, но также используют электродвигатель и аккумулятор для увеличения мощности автомобиля. Использование обоих типов двигателей означает, что гибридные автомобили обеспечивают лучший расход бензина и меньше выбросов, чем традиционные автомобили с газовым двигателем.

Гибриды не только используют автоматический запуск и остановку, а также рекуперативное торможение, которое электромобили используют для максимальной экономии топлива, но также используют электроэнергию. Электродвигатель гибрида вырабатывает мощность, чтобы помочь двигателю, когда ему требуется ускорение при ускорении, подъеме на холм или обгоне другого транспортного средства. С этой помощью производители могут использовать газовый двигатель меньшего размера, который более эффективен.

На рынке представлено несколько различных типов гибридных автомобилей. Обычные гибриды, такие как Toyota Prius, в полной мере используют описанные выше технологии. Есть некоторые «мягкие» гибриды, в которых электродвигатель никогда полностью не берет на себя управление, что ограничивает их топливную экономичность. Микрогибриды не используют все функции обычного гибрида, а это означает, что вы не сможете добиться такой же экономии топлива, как с полноценным гибридом. Есть даже некоторые подключаемые гибриды, такие как Chevrolet Volt, которые имеют большие батареи, которые можно подключить.0003

Увеличенная экономия топлива

Меньше поездок на заправку экономит деньги

Меньше расхода газа — меньше выбросов

Стоимость при перепродаже может быть выше

Более высокая закупочная цена

Узнайте больше о качественных автозапчастях, найдите свою автозапчасть или найдите местную автомастерскую уже сегодня.

Содержимое, содержащееся в этой статье, предназначено только для развлекательных и информационных целей и не должно использоваться вместо обращения за профессиональной консультацией к сертифицированному технику или механику. Мы рекомендуем вам проконсультироваться с сертифицированным техническим специалистом или механиком, если у вас есть конкретные вопросы или проблемы, связанные с любой из тем, затронутых в этом документе. Ни при каких обстоятельствах мы не несем ответственности за любые убытки или ущерб, вызванные тем, что вы полагаетесь на какой-либо контент.