Blog-Mycar.ruГибридные автомобили и их устройствоPost navigationРубрикиСвежие записиОпрос

Плюсы и минусы гибридного двигателя

Сегодня, когда цены на топливо бьют новые рекорды, автомобили с гибридным двигателем становятся все более популярными у населения. Несомненно, что главной причиной является низкий расход горючего. Особенно значительной экономии можно добиться в городских условиях с частыми остановками на светофорах и пробками. В таких автомобилях работает так называемая система «старт – стоп», которая отключает двигатель внутреннего сгорания при коротких остановках и включает его снова во время начала движения. Кроме того, работает система рекуперации энергии. Таким образом, при торможении энергия накапливается в аккумуляторах и впоследствии расходуется электромотором. Использование двух двигателей позволило значительно увеличить мощность автомобилей. Аналоги с традиционными моторами уступают гибридным автомобилям в динамике разгона, поэтому в настоящее время такие агрегаты стали устанавливать на спортивные автомобили и внедорожники. Еще одним немаловажным фактором в пользу гибрида является меньшая зависимость от заправок. Заезжать на них владельцу таких машин приходится гораздо реже, что в свою очередь экономит значительную часть свободного времени. Кроме того, минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу не могут не радовать экологов. А хозяина гибридного автомобиля, как правило, берет гордость за то, что он ездит на машине, в которой применены передовые технические разработки. Престиж сегодня для многих гораздо важнее практичности.

Однако есть в этой бочке меда и ложка дегтя. Самым существенным недостатком гибридных автомобилей является дороговизна. Уже при покупке машины владелец вынужден значительно переплачивать за машину с гибридной силовой установкой. Аналоги с традиционными моторами стоят существенно дешевле. Уже после покупки затраты также будут подстерегать автомобилиста на каждом шагу. Обслуживание этих машин, ввиду сложности конструкции, обходится существенно дороже. Особенно дороги аккумуляторы, от энергии которых работает электромотор. Они, к сожалению, не вечны и при интенсивной эксплуатации через несколько лет могут выйти из строя. Замена их новыми батареями очень дорогое удовольствие. Поэтому, несмотря на то что гибридный автомобиль потребляет мало топлива, назвать его экономичным и недорогим в эксплуатации нельзя. На сегодняшний момент покупка такой машины это скорее имиджевый ход, нежели забота о кошельке.

https://youtube.com/watch?v=Yomrys5yVMY%2520

Как работает гибридный двигатель

Когда машина начинает движение, расходуется запас электромотора и аккумулятора. На высокой скорости к работе электрических источников энергии подключается бензиновый двигатель. В результате работы бензинового двигателя образуется некий излишек энергии, который подзаряжает генератор. От генератора питается электромотор, а он, в свою очередь, подзаряжает .

При торможении используется принцип рекуперативного торможения – электромотор в этом случае выполняет функцию генератора, подпитывая аккумулятор. Таким образом, энергия, полученная в результате торможения, используется на благо автомобиля.

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

Инженеры разных компаний по-разному подходят к вопросу гибридного двигателестроения. Современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.

Последовательная схема

Это наиболее простой вариант. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. Автомобиль при этом движется только на электротяге.

Также для зарядки аккумуляторной батареи применяется система рекуперации кинетической энергии. Своим названием данная схема обязана последовательным преобразованиям энергии: энергия сгорания топлива двигателем внутреннего сгорания превращается в механическую, затем в электрическую при помощи генератора и снова в механическую.

• ДВС всегда работает на неизменных оборотах, с максимальным КПД;
• нет необходимости оснащать автомобиль мощным и прожорливым двигателем;
• не нужно сцепление и коробка передач;
• автомобиль способен передвигаться и с выключенным двигателем внутреннего сгорания за счет энергии, запасенной аккумуляторной батареей.

Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:

1. потери энергии в процессе преобразований;
2. большой размер, вес и высокая стоимость аккумуляторных батарей.

Наибольшая эффективность такой схемы достигается при движении с частыми остановками, когда активно работает KERS. Поэтому она нашла применение в городском транспорте. Также гибридные двигатели с последовательной схемой применяются в карьерных самосвалах, которым для работы важен большой крутящий момент и не требуется высокая скорость.

Параллельная схема

Принцип работы «параллельного» гибридного двигателя полностью отличается от вышеописанного. Автомобили с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, ездят с использованием и ДВС, и электромотора. Электродвигатель в таком случае должен быть обратимым, т.е. способным работать в качестве генератора. Согласованная работа обоих моторов достигается посредством компьютерного управления.

В зависимости от режима езды блок управления распределяет крутящий момент, поступающий от обоих элементов гибрида. Основную работу выполняет двигатель внутреннего сгорания, электромотор же подключается когда нужна дополнительная мощность (при трогании, ускорении), при торможении и замедлении он работает как генератор.

По данной схеме построены гибридные автомобили марки Хонда. Главный принцип руководства компании: схема гибридного двигателя должна быть как можно более простой и дешевой, а функция электромотора заключается лишь в помощи ДВС сэкономить максимально возможное количество топлива. У этой марки существует две гибридных модели – Civic (снят с производства в 2010 году) и Insight.

Последовательно-параллельная схема

Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. Благодаря этому автомобиль при трогании и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме).

На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).

рекуперативного торможения

Плюсы последовательно-параллельного гибридного двигателя данной схемы, в максимальной топливной экономичности и высокой экологичности. Минусы системы – сложность конструкции и высокая стоимость, поскольку требуется дополнительный генератор, достаточно емкая аккумуляторная батарея и сложный электронный блок управления.

Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус. Подобными гибридными двигателями оснащаются машины Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.

Экономия электроэнергии в гибридных двигателях

Известно, что на движение автомобиля затрачивается огромное количество энергии. В связи с этим возникает закономерный вопрос: как электромотор даже в условиях малых нагрузок может долго работать без дополнительного прицепа с аккумуляторами. Чтобы понять принцип работы электродвигателя автомобиля, нужно проследить весь процесс от начала движения до остановки.

Когда автомобиль трогается либо движется на малых скоростях, всю работу осуществляет электродвигатель, который питается от аккумулятора. Далее в его задачу входит разогнать автомобиль до предельно возможной для электродвигателя скорости. После этого компьютер дает команду на включение топливного двигателя. При этом ДВС часть энергии отдает на генератор, который подменяет АКБ и продолжает вместо нее питать электромотор, параллельно заряжая аккумулятор. Автомобиль при этом работает на двух силовых агрегатах одновременно.

При движении со средней скоростью электродвигатель отключается, работает только ДВС, пополняя запас энергии аккумулятора. При повышении нагрузки на ДВС ему на помощь снова приходит электромотор. Но электроэнергия пополняется не только за счет работы ДВС. Тормозной механизм автомобиля с гибридным двигателем устроен таким образом, что образовавшаяся во время торможения энергия, преобразовывается в электрическую и тоже идет на питание электромотора. Такое торможение получило название «рекуперативное».

Рассмотренный выше алгоритм работы описывает общую картину работы гибридного силового агрегата автомобиля. На сегодняшний день существует три типа таких двигателей: последовательный, параллельный и смешанный.

Последовательная схема гибрида

Принцип работы такой схемы можно считать самой простой из гибридов. Двигатель внутреннего сгорания в данном типе является вспомогательным элементом и предназначен для работы генератора. Генератор, получая энергию от ДВС, преобразует ее в электрическую и запитывает электромотор, который приводит автомобиль в движение.

Такая схема, как правило, применяется в маломощных автомобилях (малолитражках). Но используемый аккумулятор имеет большую емкость, с возможностью зарядки от обычной электросети. Большая емкость АКБ позволяет минимизировать использование ДВС, то есть автомобиль может двигаться на электродвигателе, который питается только от аккумулятора. Chevrolet Volt – это одна из моделей автомобилей, в которой использована последовательная схема гибрида.

https://youtube.com/watch?v=s7yRbgHBoug

Параллельная схема гибридного автомобиля

Принцип работы параллельной схемы заключается в том, что ДВС и электромотор установлены таким образом, что появляется возможность их использовать как вместе, так и по отдельности. Но все же основная функция электромотора в такой схеме – это создание дополнительной мощности ДВС при ускорении. Кроме того электродвигатель выполняет функции стартера и генератора. Аккумуляторы при такой схеме не требуют дополнительной подзарядки, им хватает энергии, вырабатываемой при движении.

Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid – модели с параллельной схемой гибридного двигателя.

Последовательно – параллельная схема гибрида

В этой схеме ДВС и электромотор связывает между собой планетарный редуктор, при помощи которого мощность от обоих двигателей передается на ведущие колеса.

Смешанная схема отличается от параллельной наличием генератора, создающего энергию для электродвигателя.

Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid – это представители полного гибрида.

Положительные стороны гибридных двигателей

1. Основное достоинство гибридов заключается в его экономичности. Минимальная экономия топлива составляет 20%, что в условиях роста цен довольно ощутимое преимущество.
2. Совместное использование двух двигателей снижает количество выбросов СО2.
3. Отличные ходовые характеристики, которые достигнуты благодаря рациональному накоплению и последующему перераспределению мощностей, выработанных совместно двумя двигателями.
4. В сравнении с традиционным автомобилем гибрид обладает ощутимым запасом хода, то есть он может продолжать движение даже с пустым баком.
5. Характеристики гибридных двигателей полностью идентичны традиционным моделям с ДВС, вопреки сложившимся стереотипам, а с учетом других преимуществ порой даже превосходит их.
6. Электродвигатели практически бесшумны, что добавляет комфорта при эксплуатации автомобиля.
7. В сравнении с электромобилем, АКБ гибрида заряжается от топливного двигателя, что увеличивает запас его хода.
8. Заправка автомобиля осуществляется тем же бензином, что и традиционные авто.

История создания

Идея создания гибридного двигателя появилась еще в начале ХХ века. Эта мысль пришла в голову известному сегодня конструктору и основателю одноименного бренда Фердинанду Порше. Сначала он построил автомобиль только с одним электрическим мотором. Через некоторое время конструктора посещает идея о значительной модернизации модели. И Порше встраивает в схему трансмиссии сразу два бензиновых агрегата. Они питали энергией электродвигатели, которые устанавливались непосредственно на колеса и приводили их в движение. Часть невостребованной энергии (своего рода излишки) перетекала в аккумуляторы, где скапливалась, и впоследствии расходовалась когда это было необходимо. Однако в те времена идея гибридного двигателя не стала востребованной. Это обуславливалось дороговизной подобных машин и более высокой сложностью их обслуживания. Кроме того, вопрос экономии топлива стоял тогда не настолько остро как сегодня. К идее создания гибридного средства передвижения вернулись только в шестидесятых годах прошлого столетия, когда в мире случился бензиновый кризис. Основная работа велась в Америке. Конструктор Виктор Воук совместил роторный бензиновый двигатель с электрическим мотором на автомобиле Buick Skylark. Результаты оказались впечатляющими. Расход горючего уменьшился наполовину.

В СССР тоже велись подобные разработки. Руководил ими ученый Нурбей Гулиа. Советские конструкторы создали прототип грузовика с гибридным двигателем на базе УАЗ-450. Велись работы и по созданию гибридных автобусов. Однако востребованными эти технологии в Советском Союзе так и не стали.

Гибридный двигатель на Порш

Массовое производство серийных машин с гибридными двигателями началось на рубеже двадцатого и двадцать первого веков. Самым популярным гибридным автомобилем и по сей день является Тойота Приус. Первая модель этой машины увидела свет еще в 1997 году. С тех пор она неоднократно обновлялась и подвергалась рестайлингу. Наибольшую популярность автомобили, имеющие гибридный двигатель, завоевали в США. Там очень популярны не только компактные машины, но и внедорожники, и даже спортивные автомобили с такими двигателями.

Другие гибриды

Давайте посмотрим, каковы наиболее распространенные гибриды животных. Примеры достаточно интересны. Это следующие гибриды:

• домашней лошади и зебры – зеброид;
• осла и зебры – зебрул;
• бизона и зубра – зубробизон;
• соболя и куницы – кидас;
• цихлидовых – попугай красный;
• самки африканского льва и леопарда – левопард;
• леопарда и львицы – леопон;
• глухаря и тетерева – межняк;
• дромадера и бактриана – нар;
• львицы и тигра – тигон;
• зайцев русака и беляка – тумак;
• коровы и яка – хайнак (дзо);
• хорька и норки – хонорик;
• леопарда и ягуара – ягопард.

А вот такие в ходе многих экспериментов получались гибриды сельскохозяйственных животных:

• лошади и осла – мул;
• ослицы и жеребца – лошак;
• барана и козы;
• алмазного и золотого фазанов – гибридный фазан;
• коровы домашней и американского бизона – бифало;
• гибрид, полученный в результате скрещивания селезней мускусных с утками пекинской белой, руанской, оргпингтон, белой алье – муллард;
• свиньи домашней с боровом диким – свинья из железного века.

Про гибриды животных можно говорить очень долго, учитывая их количество и многообразие. Но есть ли другие варианты, например, гибриды животных и растений?

На сегодняшний день существует единственный известный гибрид – морская улитка (Elysia chlorotica), обитающая на побережье Северной Америки со стороны Атлантического океана. Эти животные питаются солнечной энергией: употребляя в пищу растения, они фотосинтезируют. Улитку окрестили желатиновым заводом зеленого цвета. Этот гибрид получает хлоропласты, которые потом хранятся в клетках кишечника. Любопытный факт: морская улитка при продолжительности жизни не более одного года может питаться только первые две недели с момента рождения, после чего потребление еды становится неприоритетным.

Гибриды растений и животных стали уже привычными, а как бы отреагировала общественность на гибрид человека и животного? И существуют ли такие?

О существовании таких гибридов ходит много слухов, но, к сожалению, есть весьма мало фактов. Однако, изучая мифологию разных народов, ученые указывают на наличие практически во всех эпосах зверолюдей. Ученые из Австралии и США изучили более 5000 наскальных рисунков, текстов. Чаще всего встречаются описания людей, тела которых (как правило, нижняя часть) состоят из тела лошади, козла, барана, собаки. Названия таких зверолюдей нам хорошо известны из мифологии. Это кентавры, минотавры, сатиры и другие.

Существование подобных «людей» ученые объяснили тем, что в древние времена зоофилия была обычным явлением, особенно в армии, ведь рядом всегда содержались стада овец и коз. Животные были для военных не только потенциальной пищей, но и объектами удовлетворения сексуальных потребностей. У многих ученых Средневековья встречаются упоминания о рождении у женщин детей от животных и наоборот. Эти факты остаются под большим вопросом, так как с биологической точки зрения это невозможно из-за разного набора хромосом.

В последнее время общественности открываются все новые, неоднозначные факты. Один из таких фактов – проведение эксперимента по оплодотворению женщины спермой шимпанзе в фашистской Германии и СССР. По некоторым данным, Советский Союз после ряда попыток получил положительный результат. Дальнейшая судьба эксперимента еще не раскрыта.

Гибрид человека и животного для современного общества является нонсенсом, но в СМИ продолжает появляться информация о подобных экспериментах. Правда это или вымысел? Судить будем лет через 10-20. Время покажет, как далеко шагнет наука, а пока будем поглощать гибридные фрукты-овощи, наслаждаться красотой гибридных растений и животных и надеяться, что человечество не вернется в каменный век.

Бестер

Бестер – гибрид двух представителей семейства осетровых – самки белуги и самца стерляди. Своим появлением бестер обязан российскому ученому-биологу — профессору Н. И. Николюкину. С 1948 года он вплотную занялся проблемой гибридизации осетровых. В 1952 году супруга Николая Ивановича, которая вместе с мужем работала над созданием гибридов рыб, попыталась искусственным путем получить потомство стерляди и белуги. Неколюкины не предполагали, что этот внеплановый эксперимент положит начало новому направлению в рыбоводстве.

Во время опытов профессор скрещивал разные виды осетровых, но до белуги и стерляди очередь не доходила. Возможно, он считал подобный эксперимент изначально провальным, так как эти осетровые разные по размеру и весу (белуга — до тонны, а стерлядь — не более 15 кг), обитают и нерестятся в разных местах, да и их гибриды не могут давать потомство. Но все произошло с точностью до наоборот.

Бестер взял от белуги быстрый рост, а от стерляди – быстрое половое созревание, что является немаловажным фактором для промышленной рыбы. Также у гибрида получилось неимоверно нежное мясо и вкусная икра.

Сейчас на территории России бестеров разводят в промышленных масштабах.

Будущее гибридов

Аккумуляторы постоянно совершенствуются. Падает их цена и вес, растет срок службы. Думаю, что в течение 10 лет появятся гибридные двигатели, стоимость и масса которых будет сравнима с классической силовой установкой при соизмеримых экологических стандартах.

Очень перспективным представляется использование в гибридах турбинных силовых установок. Именно такие установки используются в современных тепловых электростанциях. КПД их может достигать 70%. Главным недостатком поршневого двигателя является возвратно-поступательное движение поршней. Энергия, уходящая на разгон поршня, теряется впустую. В турбинах таких деталей нет.

Использование турбин в качестве силовых установок классического автомобиля невозможно из-за небольшого усилия на вал и медленного разгона турбины. А в гибриде это вообще не проблема.

Встречал в прессе идеи использования паровых турбин. Тогда двигатель сможет работать практически на любом топливе. Главное, чтобы топливо было специально подготовлено для порционной подачи в силовую установку. Можно сделать двигатель на угольных гранулах, брикетах сена или опилок и т. д.

Я точно не знаю, реальность это или недалекое будущее, но в гибридном автомобиле возможен независимый привод на все колеса (на каждое колесо свой электродвигатель). Не нужно никаких дифференциалов. Дифференциал — одна из самых неудачных идей автомобиля. Его классическая схема сильно ухудшает проходимость, динамику и управляемость, так как проскальзывание одного колеса (на скользкой грязи, льду, из-за экстремального ускорения или резкого поворота), отключает привод на все остальные. Машина при этом перестает ускоряться и теряет управляемость. Дифференциалы повышенного трения свободны от этих недостатков, но сильно снижают энергоэффективность и надежность машины, так как сильно греются. В автомобиле с независимым приводом ездить будет безопаснее и комфортнее.

Устройство гибридного автомобиля

Гибридный авто состоит из следующих основных узлов:

1. Бензиновый двигатель (двигатель внутреннего сгорания). Но в гибридных автомобилях, в отличие от классических, ДВС маломощный, так как используется в тандеме с электромотором.
2. Электрический двигатель. Альтернативный источник энергии для автомобиля. Часто в таких двигателях используется технология рекуперации – электромотор работает не только в качестве силовой установки, приводящей машину в движение. Он также выполняет функции генератора, накапливая энергию во время торможения и спуска с возвышенностей.
3. Генератор предназначен для производства электроэнергии.
4. Аккумуляторные батареи хранят запас электроэнергии для электродвигателя.
5. Топливный бак используется для хранения бензина для ДВС.
6. Коробка передач позволяет управлять как ДВС, так и электродвигателем.

Устройство гибридного авто на примере

предназначен, в первую очередь, для эффективного использования энергоресурса. Для достижения этого эффекта используется несколько приемов:

1. Используется энергия торможения за счет технологии рекуперации.
2. Бензин экономится за счет переключения механизма на работу электромотора.
3. При производстве машины гибрида используют легкие материалы, которые облегчают конструкцию, тем самым уменьшая потребление ресурсов.
4. Эффективно используются аэродинамические свойства материалов и конструкций.

Индустрия гибридных авто активно развивается, ведь пока мы не можем говорить о совершенстве данных конструкций и их доступности. Рассмотрим более подробно некоторые преимущества и недостатки конструкций гибридных автомобилей:

• Экономия при расходе топлива и энергоресурсов. Несомненный плюс гибридов – сокращение расходов, к тому же электромотор может самостоятельно производить энергию.
• Экология. Гибриды существенно меньше вредят окружающей среде, чем классические автомобили.
• Дальность пробега. Гибридные автомобили заправляют гораздо реже, чем обычные бензиновые.
• Аккумуляторные батареи гибридов гораздо легче и удобнее в использовании, чем батареи электрических автомобилей.
• Электродвигатель работает практически бесшумно.
• Гибридный автомобиль может обходиться без ДВС на городских улицах.

Но существуют и некоторые недостатки, связанные с гибридными машинами:

• Аккумуляторы электродвигателей должны постоянно эксплуатироваться, в противном случае срок из действия сокращается. Кроме того, они способны самостоятельно разряжаться, не переносят резких перепадов температур. Еще не развита инфраструктура предприятий, способных правильно утилизировать эти элементы.
• Сложная конструкция двигателя делает его ремонт сложным и дорогостоящим. Часто детали невозможно отремонтировать и приходится заказывать новые у производителей, что затягивает процесс ремонта.
• Гибридные двигатели работают в основном с бензиновыми автомобилями, хотя использование дизельного топлива экономически более выгодно.
• Стоимость автомобилей с гибридными двигателями гораздо выше средней на рынке. Такое дорогое приобретение не всем по карману.

Не смотря на некоторые недостатки, отрасль производства гибридных автомобилей динамично развивается и совершенствуется. С каждым новым сезоном производители представляют лучшие гибридные автомобили, обладающие более широким набором функций и более доступными для автолюбителей.