Гибридный автомобиль Тойота Приус: устройство, принцип работы. Гибридный двигатель

Как работает, рассмотрим на примере Touareg, с гибридным силовым агрегатом.

Что означает понятие «техника гибридного привода»?

Термин «гибрид» берет свое начало от латинского слова hybrida, и означает нечто скрещенное, или смешанное. В технике гибридом называют систему, в которой комбинируются друг с другом две разных технологии. В связи с концепциями привода термин технология гибридного привода применяется для обозначения двух направлений: бивалентный (или двухтопливный) силовой агрегат гибридный силовой агрегат

В случае гибридной технологии привода речь идет о комбинации из двух разных силовых агрегатов, работа которых основана на разных принципах действия. В настоящее время под технологией гибридного привода подразумевают комбинацию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателягенератора (электромашины). Эта электромашина может использоваться как генератор для выработки электрической энергии, тяговый электродвигатель для движения автомобиля, и стартер для запуска двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от исполнения основной конструкции различают три вида гибридного силового агрегата: т.н. «микрогибридный» силовой агрегат, т.н. «среднегибридный» силовой агрегат, т.н. «полногибридный» силовой агрегат.

"Микрогибридный" силовой агрегат

В этой концепции привода электрический компонент (стартер/генератор) служит исключительно для реализации функции Стартстоп. Часть кинетической энергии можно снова использовать в качестве электрической энергии (рекуперация). Привод только от электрической тяги не предусмотрен. Параметры 12 вольтной АКБ со стекловолоконным наполнителем адаптированы к частым запускам двигателя.

«Среднегибридный» привод

Электрический привод поддерживает работу двигателя внутреннего сгорания. Движение автомобиля только на электрической тяге невозможно. У «среднегибридного» привода большая часть кинетической энергии при торможении регенерируется, и в виде электрической энергии накапливается в высоковольтной батарее. Высоковольтная батарея, а также электрические компоненты сконструированы для более высокого электрического напряжения и, таким образом, более высокой мощности. Благодаря поддержке электродвигателягенератора режим работы теплового двигателя может быть смещен в область максимальной эффективности. Это обозначается как смещение точки нагрузки.

«Полногибридный» силовой агрегат

Мощный электродвигательгенератор комбинируется с двигателем внутреннего сгорания. Возможно движение только на электрической тяге. Электродвигательгенератор, если только позволяют условия, поддерживает работу двигателя внутреннего сгорания. Движение с малой скоростью осуществляется только на электрической тяге. Реализована функция Стартстоп для двигателя внутреннего сгорания. Рекуперация используется для зарядки высоковольтной батареи. Благодаря разделительному сцеплению между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателемгенератором можно обеспечить разъединение обеих систем. Двигатель внутреннего сгорания подключается в работу только при необходимости.

Основы гибридной техники

Системы полного гибридных силовых агрегатов делятся на три подгруппы: параллельный гибридный силовой агрегат, раздельный силовой агрегат (с разделёнными потоками мощности), последовательный гибридный силовой агрегат.

Параллельный гибридный силовой агрегат

Параллельное исполнение гибридного силового агрегата отличается простотой. Он используется в случае, когда необходимо «гибридизировать» существующий автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания, электромоторгенератор и коробка передач располагаются на одной оси. Обычно в системе параллельного гибридного силового агрегата используется один электродвигатель генератор. Сумма единичной мощности двигателя внутреннего сгорания и мощности электродвигателягенератора соответствует полной мощности. Эта концепция обеспечивает высокую степень заимствования узлов и деталей прежнего автомобиля. У полноприводных автомобилей со схемой параллельного гибридного силового агрегата привод всех четырех колёс реализован с помощью дифференциала Torsen и раздаточной коробки.

Раздельный гибридный привод

В системе раздельного гибридного привода помимо двигателя внутреннего сгорания имеется электродвигательгенератор. Оба двигателя располагаются под капотом. Крутящий момент двигателя внутреннего сгорания, также как и от электродвигателягенератора, через планетарную передачу подаётся на коробку передач автомобиля. В противоположность параллельному гибридному приводу, снять таким образом сумму отдельных мощностей для привода колёс невозможно. Вырабатываемая мощность частично тратится на приведение автомобиля в движение, частично, в виде электрической энергии, накапливается в высоковольтной батарее.

Последовательный гибридный силовой агрегат

Автомобиль оборудован двигателем внутреннего сгорания, генератором и электродвигателем генератором. Однако в отличие от обеих описанных ранее концепций, двигатель внутреннего сгорания не имеет возможности самостоятельно приводить автомобиль в движение валом, или через коробку передач. Мощность от двигателя внутреннего сгорания на колеса не передаётся. Основной привод автомобиля осуществляет электродвигатель генератор. Если ёмкость высоковольтной батареи слишком низкая, запускается двигатель внутреннего сгорания. Через генератор двигатель внутреннего сгорания заряжает высоковольтную батарею. Электродвигательгенератор снова может получать энергию от высоковольтной батареи.

Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат

Раздельный последовательный гибридный силовой агрегат представляет собой смешанную форму двух описанных выше гибридных приводов. Автомобиль оборудован одним двигателем внутреннего сгорания и двумя электродвигателями генераторами. Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигательгенератор размещены под капотом. Второй электродвигательгенератор расположен на задней оси. Эта концепция используется для полноприводных автомобилей. Двигатель внутреннего сгорания и первый электродвигательгенератор через планетарную передачу могут приводить коробку передач автомобиля. И в этом случае действует правило, согласно которому одиночные мощности привода не могут отбираться для привода колёс в виде суммарной мощности. Второй электродвигатель генератор на задней оси активируется при необходимости. В связи с таким конструктивным исполнением привода высоковольтная батарея располагается между обеими осями автомобиля.

Другие термины и определения Здесь будут кратко разъяснены другие термины и определения, часто используемые в связи с технологией гибридного привода.

Рекуперация. В общем случае этот термин в технике означает способ возврата энергии. При рекуперации имеющаяся энергия одного вида преобразуется в другой, используемый в последующем вид энергии. Потенциальная химическая энергия топлива преобразуется в трансмиссии в кинетическую энергию. Если автомобиль затормаживается обычным тормозом, то избыточная кинетическая энергия посредством трения тормозов превращается в тепловую энергию. Возникающее тепло рассеивается в окружающем пространстве, и поэтому использовать его в дальнейшем невозможно.

Если же напротив, как при использовании технологии гибридного привода, дополнительно к классическим тормозам генератор используется в качестве моторного тормоза, то часть кинетической энергии преобразуется в электрическую энергию, и таким образом становится доступной для последующего использования. Энергетический баланс автомобиля улучшается. Этот вид регенеративного торможения называют рекуперативным тормозом.

Как только в режиме принудительного холостого хода скорость автомобиля снижается путем торможения нажатием педали тормоза или автомобиль движется накатом или автомобиль движется под уклон cистема гибридного привода включает электродвигатель - генератор, и использует его в режиме генератора.

В этом случае он заряжает высоковольтную батарею. Таким образом в режиме принудительного холостого
хода появляется возможность «заправлять» автомобили с электрическим гибридным приводом электроэнергией.
При движении автомобиля накатом электродвигатель генератор, работающий в режиме генератора,
преобразует из энергии движения в электрическую энергию только такое количество энергии, которое
требуется для работы 12 вольтной бортовой сети.

Электродвигатель-генератор (электромашина)

Термин электродвигатель-генератор, или электромашина, используется вместо терминов генератор, электродвигатель и стартер. В принципе, любой электродвигатель можно применять и в качестве генератора. Если вал электродвигателя приводится от внешнего привода, то электродвигатель, подобно генератору, вырабатывает электрическую энергию. Если к электромашине подводится электрическая энергия, то она работает как электродвигатель. Таким образом, электродвигательгенератор автомобилей с электрическим гибридным приводом заменяет обычный стартер двигателя внутреннего сгорания, а также обычный генератор (осветительный генератор).

Электрический ускоритель (E-boost)

По аналогии с функцией Kickdown двигателей внутреннего сгорания, которая делает доступной максимальную мощность двигателя, гибридный привод располагает функцией электрического ускорителя E-Boost. При использовании функции электродвигатель-генератор и двигатель внутреннего сгорания выдают свои максимальные индивидуальные мощности, которые складываются в более высокое значение суммарной мощности. Сумма индивидуальных мощностей обоих видов двигателей соответствует суммарной мощности трансмиссии.

Вследствие потерь мощности в электродвигателе-генераторе, его мощность в режиме генератора ниже, чем в режиме тягового электродвигателя. Мощность электродвигателя-генератора в режиме двигателя составляет 34 кВт. Мощность электродвигателя-генератора в режиме генератора равна 31 кВт. У Touareg с гибридным приводом двигатель внутреннего сгорания имеет мощность 245 кВт, а электродвигатель-генератор мощность 31 кВт. В режиме тягового электродвигателя электродвигатель-генератор выдаёт мощность 34 кВт. Вместе двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор в режиме тягового электродвигателя развивают суммарную мощность 279 кВт.

Функция Старт-стоп

Технология гибридного привода позволяет реализовать в этой конструкции автомобиля функцию Стартстоп. В случае обычного автомобиля с системой Стартстоп, для отключения двигателя внутреннего сгорания автомобиль должен остановиться (пример: Passat BlueMotion).

Однако автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться и на электрической тяге. Эта особенность позволяет системе Стартстоп отключать двигатель внутреннего сгорания на движущемся, или катящемся накатом автомобиле. Двигатель внутреннего сгорания включается в зависимости от потребности. Это может происходить в случае быстрого разгона, при движении на высокой скорости, с высокой нагрузкой, или при высокой степени разряженности высоковольтной батареи. При высокой степени разряженности высоковольтной батареи система гибридного привода может использовать двигатель внутреннего сгорания в сочетании с электродвигателем-генератором, работающим в режиме генератора, для зарядки высоковольтной батареи.

В других случаях автомобиль с полным гибридным приводом может двигаться на электрической тяге. Двигатель внутреннего сгорания при этом находится в режиме останова. Это действительно и в случае медленного движения транспортоного потока, остановки на светофоре, при движении в режиме принудительного холостого хода под уклон, или при движении автомобиля накатом.

Когда двигатель внутреннего сгорания не работает, он не расходует топливо и не выбрасывает в атмосферу вредные вещества.

Интегрированная в систему гибридного привода функция Старт-стоп повышает КПД и экологичность автомобиля.

В то время, когда двигатель внутреннего сгорания находится в режиме останова, климатическая установка может продолжать работу. Компрессор климатической установки является элементом высоковольтной системы.

Аргументы в пользу гибридной техники

Почему мы комбинируем электродвигатель-генератор с двигателем внутреннего сгорания? Для отбора крутящего момента частота вращения двигателя внутреннего сгорания должна быть не ниже частоты вращения холостого хода. При остановке двигатель не может отдавать крутящий момент. При увеличении частоты вращения двигателя внутреннего сгорания его крутящий момент увеличивается. Электромоторгенератор с первыми оборотами выдает максимальный крутящий момент. Для него не существует частоты вращения холостого хода. При увеличении частоты вращения его крутящий моментуменьшается. Благодаря работе электродвигателя-генератора у двигателя внутреннего сгорания исключен наиболее сложный режим работы: в диапазоне ниже оборотов холостого хода. Благодаря поддержке электродвигателягенератора двигатель внутреннего сгорания может эксплуатироваться в более эффективных режимах. Это смещение точки нагрузки повышает КПД силового агрегата.

Почему применяется полный гибридный силовой агрегат (привод)?

Полный гибридный агрегат, в отличие от остальных вариантов гибридного привода, объединяет функцию встроенной системы Стартстоп, систему E-Boost, функцию рекуперации и возможность движения только на электродвигателе (режим электрической тяги).

Электродвигатель-генератор

Электродвигатель-генератор размещён между двигателем внутреннего сгорания и АКП. Он представляет собой синхронный двигатель трехфазного тока. С помощью силового электронного модуля постоянное напряжение 288 В преобразуется в трёхфазное переменное напряжение. Три фазы напряжение создают в электродвигателегенераторе трёхфазное электромагнитное поле.

Высоковольтная батарея

Доступ к высоковольтной батарее обеспечивается через напольное покрытие багажного отсека. Она выполнена в виде модуля и включает различные компоненты высоковольтной системы Touareg. Модуль высоковольтной батареи имеет массу 85 кг и может заменятьсятолько в сборе.

Высоковольтную батарею нельзя сравнивать с обычной аккумуляторной батареей с напряжением 12 В. В нормальном режиме эксплуатации высоковольтная батарея задействуется в свободном диапазоне уровня зарядки от 20% до 85%. Переносить такие нагрузки в течение длительного времени обычная 12 вольтная АКБ неспособна. Поэтому высоковольтную батарею следует рассматривать как оперативное устройство накопления энергии для электрического привода. Подобно конденсатору она может накапливать и снова отдавать электрическую энергию. В принципе, рекуперацию, регенерацию энергии, можно рассматривать как возможность заправки автомобиля энергией во время движения. Применение высоковольтной батареи в автомобиле с гибридным приводом отличается чередование циклов зарядки (рекуперация) и разрядки (движение на электрическом приводе) высоковольтной батареи.

Пример: Если сравнить энергию высоковольтной батареи с энергией, образующейся при сжигании топлива, то количество энергии, которую может выработать батарея, будет соответствовать примерно 200 мл топлива. Этот пример демонстрирует, что на пути к созданию электромобилей, аккумуляторные батареи, с точки зрения способности накапливать энергию, должны быть существенно модернизированы.

Гибридный двигатель (или гибрид) – силовая установка, которая использует несколько видов топлива (два и более источника) и синергетический эффект от их совместного применения. Это может быть бензин и электроэнергия, бензин и газ, дизель и электроэнергия, водород, бензин и электроэнергия, а также множество других сочетаний. Благо, современная техника позволяет это делать.

История гибридных двигателей.

Считать гибридный двигатель каким-то суперсовременным изобретением – небольшое заблуждение. Да, современные гибриды – это высокотехнологичный инженерный проект, но если разобраться, то гибридный двигатель ведет свою историю еще с XIX-XX веков. Так, в 1897 году французская компания Parisienne des Voitures Electriques начала производить автомобили с гибридными двигателями.

Чуть позже в 1900 году производство гибридов начала осваивать и знаменитая американская корпорация General Electric. Интересно, что гибридные грузовики изготовлялись в Чикаго до 1940 года, хотя, в целом, это было несерийное производство.

Не прижилась гибридная технология в то время в силу нескольких причин. Во-первых, цены на топливо и энергоресурсы в те годы были настолько низкими, что отбивали любую экономическую целесообразность производства гибридов. Во-вторых, мощность обычного бензинового двигателя тогда была, однозначно, намного большей.

Энергетический кризис последних лет, связанный со стремительным ростом цен на энергоносители, а также ужесточение экологических норм подстегнули производителей к разработке и производству эффективных гибридных двигателей нового поколения. Современный гибрид – это, как правило, система из двух основных силовых установок: бензиновой (или дизельной) и электрической. Кроме них, в цепи задействовано еще несколько обеспечивающих узлов. Например, ими могут быть: электрогенератор, аккумуляторная батарея (накапливает заряд), инвертор (преобразует постоянный ток в переменный) и электронный вариатор. Все это контролируется и управляется современным мощнейшим компьютером, который повышает эффективность использования энергоресурсов в десятки раз по сравнению с традиционным ручным или аналоговым управлением. Топливная часть системы может работать одновременно с электрической, но предусмотрены и раздельные циклы. Важно, что во время работы топливной системы, электрическая не простаивает, а накапливает (аккумулирует) энергию.

Устройство, принцип работы гибридного двигателя. На сегодняшний день существует несколько типов гибридов:

Последовательный (series hybrid). При такой схеме двигатель внутреннего сгорания приводит в движение генератор, электроэнергия от которого запитывает электродвигатель. Последний, в свою очередь, вращает колеса автомобиля. Такой подход позволяет использовать бензиновый двигатель малой мощности при условии, что он будет постоянно работать при максимальном КПД. Автомобили с такой схемой, как правило, малолитражные и имеют крупную батарею (например, Chevrolet Volt);
Параллельный (parallel hybrid). В этом случае колеса автомобиля приводит в движение и бензиновый двигатель, и электрический. В зависимости от условий движения электродвигатель может создать дополнительную мощность. Такая схема встречается очень часто. Аккумуляторы в этом случае компактные и заряжаются прямо во время движения транспортного средства. Главный недостаток тут в том, что электродвигатель не может одновременно вращать колеса и заряжать батарею. Подобная схема реализована на автомобилях Civic Hybrid и Volkswagen Touareg Hybrid;
Последовательно-параллельный (смешанный). Из названия легко предположить, что третий тип совмещает в себе два предыдущих. На данный момент это наиболее эффективная схема гибрида. Для вращения колес может использоваться комбинированная тяга (бензиновый двигатель плюс электродвигатель). Кроме того, электродвигатель может одновременно вырабатывать электроэнергию (работать в качестве генератора) и создавать тягу (как мотор). Недостаток схемы в ее очень высокой стоимости.

В пример смешанной схемы можно привести гибридную силовую установку Hybrid Synergy Drive от Lexus (Toyota). Тут бензиновый двигатель объемом 3.3 литра, 2 электродвигателя и аккумуляторная батарея. Для связи между тремя этими элементами конструкции используется устройство распределения энергии с компактной планетарной передачей, которая снижает потери энергии на трении. Для управления потоками энергии имеется блок управления и полупроводниковое устройство переключения. Инвертор в установке HSD преобразует постоянный ток батареи в переменный ток для электродвигателя.

Для движения автомобиля на небольших скоростях и для старта используется электродвигатель. Это позволяет сэкономить бензин и плавно тронуться с места. При переходе в нормальный режим езды включается бензиновый двигатель, который работает параллельно с электромоторами. Излишки энергии отдаются на аккумулятор. Во время разгона активно работает двигатель внутреннего сгорания. В режиме торможения используется так называемая рекуперативная система торможения, когда электродвигатели работают в генераторном режиме, подзаряжая аккумулятор. Т.е. в основных режимах работы используется бензиновый двигатель, а в промежуточных (переходных) электрический.

Преимущества и недостатки гибридного двигателя. Конечно же, несмотря на высокий уровень технологий, гибридная установка имеет как неоспоримые преимущества, так и некоторые недостатки, над которыми продолжают работать ведущие инженеры. Начнем с достоинств:

эффективный расход топлива и его экономия до 35%;
низкий уровень токсичности выхлопных газов;
низкий шум;
отличная управляемость и более плавный разгон автомобиля;
полный контроль установки при помощи бортового компьютера и электронных систем;
компоненты батареи гибридных автомобилей легко утилизировать и перерабатывать;
система рекуперативного торможения помогает сохранить энергию;
длительный срок службы батареи у гибридного транспортного средства.

Среди недостатков гибридов стоит упомянуть такие:

высокая стоимость автомобилей с гибридной силовой установкой;
большая стоимость комплектующих запчастей и ремонта. Самостоятельно ремонтировать вряд ли получится, а полноценный сервис подобным автомобилям пока могут предоставить только в очень крупных городах. Кроме того, могут возникнуть заминки с поставкой нужных запчастей;
электрическая система плохо переносит значительные перепады температур.

Популярным заблуждением относительно гибридных двигателей является миф о потере мощности и эффективности силовой установки. Это не так, с мощностью у гибрида полный порядок. Кроме того, не требуется какое-либо специальное топливо для заправки.

Ведущие мировые автопроизводители уже по достоинству оценили преимущества гибридных двигателей. С каждым годом количество гибридных автомобилей растет, завоевывая все большую популярность у водителей. Рынки расширяются. Гибридный двигатель – настоящий шедевр инженерной мысли, суперсовременное экономичное и экологичное устройство, за которым ближайшее будущее мирового автопрома. В виду удорожания углеводородного топлива можно смело предсказать, что уже через 5-10 лет гибридные силовые установки будут широко распространены по всему миру.

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:

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 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 , 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:

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

Отрицательные стороны последовательной схемы:

На этапах преобразования энергии происходит ее потеря.
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.

Autoleek

Всё больше, в последнее время, человек задумывается об экологии. Не исключением становится и автоиндустрия. С каждым годом повышаются экологические стандарты, а с этим модернизируются и усовершенствуются двигатели транспортных средств. Гибридный двигатель – одно из решений улучшения экологичности использования автомобиля.

Что такое гибридный двигатель

Что же такое гибридный двигатель и его устройство? Само слово «гибрид» переводится с латыни, как «помесь». По факту – это помесь классического варианта силового агрегата и электромотора. Так, привод ведущих колёс ведётся путём вращения при помощи обычного двигателя внутреннего сгорания или электромотором.

Каждый из силовых агрегатов выполняет в движение определённую функцию. Так, когда транспортное средство стоит в городских пробках, то движение осуществляется при помощи электромотора, а вот на трассе в работу вступает бензиновая силовая установка.

Плюсы «гибрида»

Пожалуй, самым большим плюсом в использовании гибридного силового агрегата является его экономичность. Как правило, такой мотор потребляет на 25-30% меньше горючего, от стандартных бензиновых двигателей.

Вторым позитивным моментом является – высокая экологическая норма. Поскольку уменьшается расход топлива, то в экосистему идёт меньше выбросов отработанных выхлопных газов.

Третьим плюсом становится то, что батареи для электромотора заряжаются от бензинового двигателя и если они сядут, то всегда можно переключиться на бензин. Сюда же можно отнести одинаковые технические характеристики. По мощностным характеристикам «гибрид» ничем не уступает обычному мотору.

Лучше всего «гибридный» двигатель чувствует себя в городском цикле использования, где есть частые остановки. В таком случае, в основном, работает сам электромотор. Во многих странах на «гибридных» автомобилях ездит городская полиция.

Минусы использования «гибрида»

Первым минусом, который стоит отметить, является дорогой ремонт гибридных моторов. Производители «гибрида» объясняют это тем, что силовой агрегат является конструктивно сложным, что в обслуживании, так и в восстановлении.

Аккумуляторные батареи гибридного движка, достаточно чувствительные к перепадам и снижению температуры, из-за чего при падении ниже -15 градусов Цельсия, они быстро разряжаются, и эксплуатация проводится в основном на бензине.

Высокая стоимость самого транспортного средства с гибридным мотором. Не каждый автолюбитель способен позволить себе машину, которая стоит 20 000 $. Несмотря на это, ряд стран ввели льготные налоги на растаможивание, регистрацию и использование гибридных движков, чтобы стимулировать покупателей к покупке данных автомобилей. На территории стран СНГ это пока не сделалось.

Современные показатели

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, кроссоверов серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса - Lexus LS 600h.

По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford(Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металлогидридных аккумуляторов.

В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году.

В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM).

Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Вывод

Как показывает современная тенденция, всё больше автомобилистов начинает предпочитать гибридные силовые агрегаты. Они более экономичные, бесшумные и экологичные. Недостатком использования является дорогой ремонт, и чувствительность батарей к перепаду температуры.

Почему мы хотим разобрать вместе с вами вопрос, как работает гибридный двигатель? Все дело в том, что в большинстве сфер нашей жизни сегодня наблюдается взаимодействие различных технологий, которые в результате дают более эффективные методы, приборы и механизмы. Не остались в стороне и моторы для нашего любимого транспортного средства. О принципах работы, плюсах и минусах таких агрегатов мы и поговорим на этой странице.

Как работает гибридный двигатель – простыми словами о новых технологиях

Если уж мы начали о смешении технологий, то следует пояснить, как это касается и затронутой нами темы. Гибридный мотор также сочетает в себе два вида: топливный (бензин/дизель) и электрический. Этот коктейль, конечно, несовершенен, но привнес в жизнь автомобилистов много положительного. Но об этом чуть ниже, а для начала следует разобрать принцип работы гибридного двигателя.

Топливная часть такого мотора может работать совместно с электрической, но возможно и осуществление совершенно независимых циклов. Конечно, машины с гибридным двигателем снабжаются компьютерами, которые и распределяют правильно нагрузку на обе части. Так, за городом, где важна мощность силового агрегата, в дело вступает бензиновая или дизельная технология, к тому же, на трассе не так губительны для человека выхлопные газы.

А вот в городе преимущественно работает электрическая составляющая, потому что такой вариант чище и экономичнее. Автомобили с гибридным двигателем умеют сами себя обслуживать, касается это электрической части мотора. Электрический компонент не бездельничает, пока работает топливный, он аккумулирует вырабатываемую энергию, чтобы потом снова пустить ее в дело.

Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты.

Устройство гибридного двигателя – описание схемы

Что значит гибридный двигатель, мы вкратце разобрали. Теперь хотелось бы углубиться немного и рассмотреть его схему. Следует учесть, что их существует целых три. Поэтому начнем с самой простой, которая для нас представляет наименьший интерес – это последовательный гибрид. Электромотор является главным участником в запуске и движении колес транспорта, а вот (ДВС) всего лишь находится у него на поддержке, раскручивает генератор.

Для сегодняшнего авто такое устройство гибридного двигателя не будет лучшим вариантом, ведь требуются емкие аккумуляторы, малолитражные ДВС, а сама машина будет медленная и неповоротливая. Хотя все же есть некоторые представители среди легкового автопарка, например, Chevrolet Volt . Но из-за главенствующего электро-компонента ему присущи все минусы электромобилей, взять хотя бы зависимость километража на одном заряде батареи, но это постепенно решают применением турбо-ДВС.

Следующие схемы называют параллельной и смешанной. Смешанная схема чаще всего встречается в Lexus и представляет собой плотное взаимодействие электромотора и ДВС. Они работают вместе, приводя авто в движение, принцип работы построен так, что даже трансмиссия является бесступенчатой, далекой от привычной нам. Такие варианты очень современные, но и очень дорогие.

А вот привычная нам схема называется параллельной и встречается довольно часто. Электромотор тут является хоть и не ведущим, но незаменимым помощником, страхуя ДВС в случаях потребности в дополнительной мощности. Батареи не являются большими и емкими, отчего их легко зарядить прямо во время движения, и они всегда готовы отозваться по первому требованию.

Авто с гибридным двигателем – плюсы и минусы

Информация была бы неполной без указания положительных и отрицательных сторон гибридных моторов. Конечно, плюсов будет больше, но и минусы имеются, как во всем новом и малоизученном со стороны потребителя. Например, почему-то чаще всего встречается гибридный бензиновый двигатель, хотя давно всем известна экономичность и большая мощность «дизелей». Но никакого секрета тут нет, потому что, во-первых, технологию разрабатывали за океаном, т.е. в Америке, а там с соляркой пока что знакомы слабо. Во-вторых, гибридный стоил бы еще дороже, хотя цена на такие технологии уже далеко выше средней.

Небольшой скепсис вызывают гибриды из-за электромотора, т.е. его батареи. Это достаточно капризный элемент, требующий постоянной эксплуатации, иначе срок службы гибридного двигателя значительно снизится именно из-за нее. Она плохо переносит перепады температур, может саморазряжаться, в дальнейшем возникают неясности с ее утилизацией . Так же тень на репутацию смешанных моторов накладывает не только их дороговизна, но и большая стоимость комплектующих и ремонта, если он понадобится. Причем самостоятельно его провести невозможно.

Ну, а теперь можно рассказать и о приятном. Про экологичность и экономичность можно говорить смело, это действительно так, хотя бы исходя из двойственной природы агрегата. Наличие батареи позволяет дольше ездить без заправки, сохраняя все технические показатели в актуальном состоянии. Эту батарею не нужно заряжать, заправка авто осуществляется только топливом. Двигатель, благодаря компьютеру, работает всегда в оптимальном режиме, как бы вы ни пытались его «насиловать» . Иногда такие машины могут двигаться вовсе без топлива, причем отличаются они еще и тихоходностью, мотор работает чуть слышно.