Гибридизация

На прошлой неделе произошло знаменательное событие в автомобильном мире – самым продаваемым автомобилем на одном из крупнейших автомобильных рынков мира стал гибрид. В Японии подвели итоги продаж за 2009 год и выяснили, что самым продаваемым новым автомобилем в стране стала Toyota Prius. За год эту модель с гибридной силовой установкой приобрели сразу 208876 японцев. Эта новость подтверждает тот факт, что электричество наступает на «пятки» традиционным видам топлива, занимая все более устойчивые позиции.

Конечно, не стоит отбрасывать то, что гибрид, стал самым продаваемым автомобилем в такой высокоразвитой и высокотехнологичной стране как Япония, но преимущества гибридных технологий понимают не только японцы. Ведь гибридные технологии разрабатывают и успешно внедряют не только в стране восходящего солнца. Гибрид является компромиссом между автомобилем с традиционным двигателем внутреннего сгорания и электромобилем. Человечеству эволюционный путь как-то поближе революционного будет, поэтому переход от бензина (или дизеля) к электричеству происходит через гибриды. И если электромобиль все же пока является чем-то из разряда научной фантастики для большинства автолюбителей, гибридные автомобили выпускаются серийно с 1997 года (именно тогда и вышла «в серию» Toyota Prius).

Популярность гибридов в России в целом и в Красноярске в частности не сравнится с японской статистикой. В том числе и потому что мы мало знаем о том, как устроены эти автомобили, и что вообще такое «гибрид». Постараемся заполнить пробелы в гибридной эрудиции.

ДВС и электротяга

Гибридный привод – это симбиоз традиционного ДВС и электромотора. У каждого из его составляющих есть свои преимущества и недостатки. Обычный автомобиль может проехать на одном баке 400-500 км, при этом он выбрасывает в атмосферу определенный объем вредных веществ. Заправку сейчас можно найти даже в заповедных зонах российской тайги, ну или в конце концов можно всегда кинуть в багажник канистру с дополнительным топливом. Электромобиль на одном заряде батарей может проехать примерно 80-150 км, при этом не выбросив в атмосферу вообще ничего. Но что делать, если вы исчерпали ресурс батарей, а розетки поблизости нет? Паниковать или проклинать «батарейку на колесах». Если же вы нашли розетку, то процесс зарядки батарей займет не один час, что, конечно, играет не в пользу электромотора. Зато у электродвигателя есть свои неоспоримые преимущества перед ДВС. Например, электромотор не нужно заводить и «раскручивать», не надо глушить, он не потребляет энергии, пока вы стоите, и не работает на холостых оборотах. Нажали на педаль акселератора – получили мгновенную максимальную тягу на колесах. Электродвигатель эффективней ДВС в режиме частых стартов и торможений, а ДВС наиболее эффективен на постоянных, оптимальных для двигателя оборотах.

Гибридные автомобили используют все преимущества ДВС и электромотора, а недостатков их не имеют, т.к. они перекрываются достоинствами «конкурирующей» силовой установки. Гибрид – это симбиоз ДВС и электромотора. ДВС крутит генератор и питает энергией электромотор, а тот позволяет ДВС работать без резких разгонных нагрузок.

Но недостатки у гибридов, конечно, имеются. Более сложная схема силовой установки не может не отражаться на цене таких автомобилей. Аккумуляторные батареи чувствительны к морозам, подвержены саморазряду и имеют ограниченный срок службы. А основное преимущество гибрида – экономичность — зависит, в первую очередь, от состояния аккумуляторной батареи. Т.к. гибриды не так распространены, то на них сложней найти запчасти, да и за ремонт сложного агрегата возьмется не каждый сервис.

Гибридная классификация

По роли, которую играет в силовой установке электромотор, все гибриды можно разделить на умеренные (mild hybrids) и полные (full hybrids). У первых электромотор служит лишь помощником двигателю внутреннего сгорания. Вторые способны проехать некоторое расстояние на одной электротяге.

Существует также три основных схемы устройства гибридных установок.

Последовательная схема

Эту схему придумал еще в 1899 году Фердинанд Порше. ДВС в ней используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса. При такой схеме в автомобиле отсутствует коробка передач и сцепление, т.к. электродвигателю они не нужны. Зато такому электромотору необходимы аккумуляторные батареи большой емкости.

Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому ее используют в городском транспорте, а также в больших карьерных самосвалах, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.

Параллельная схема

Эта схема была запатентована в 1905 году немцем Генри Пипером. Эта схема сейчас самая распространенная. При ней ведущие колеса приводятся в движение как ДВС, так и электродвигателем, который также работает и в качестве генератора. Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии (как правило, используется вариатор или планетарная передача). Крутящий момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор (рекуперативное торможение). Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему.

Параллельную схему использует компания Honda, которая выпустила свой первый серийный гибрид Insight на рынок в 1999 году. Позже в продаже появился гибридный Civic. А недавно к ним добавилась новая модель CR-Z, которая появится в продаже этим летом и помимо всего прочего уникальная тем, что будет доступна, в том числе, с шестиступенчатой «механикой». Жаль, что ни один хондовский гибрид не продается на территории России.

Последовательно-параллельная схема

По этой схеме работает Toyota. Разработанная этой компанией система Hybrid Synergy Drive (HSD) объединяет в себе особенности двух предыдущих типов. В схему параллельного гибрида добавляется отдельный генератор и делитель мощности (планетарный механизм). В результате гибрид приобретает черты последовательного гибрида: автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге. На высоких скоростях и при движении с постоянной скоростью подключается ДВС. При высоких нагрузках (ускорение, движение в гору и т.п.) электродвигатель дополнительно подпитывается от аккумулятора — т.е. гибрид работает как параллельный. Благодаря наличию отдельного генератора, заряжающего батарею, электродвигатель используется только для привода колес и при рекуперативном торможении. Планетарный механизм передает часть мощности ДВС на колеса, а остальную часть на генератор, который либо питает электродвигатель, либо заряжает батарею. Компьютерная система постоянно регулирует подачу мощности от обоих источников энергии для оптимальной эксплуатации при любых условиях движения. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется только в наиболее эффективных режимах. Поэтому его мощность может быть ниже, чем в параллельном гибриде.

Большинство ДВС, установленных на гибридах – бензиновые. Многие из них работают по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Цикл Аткинсона характерен более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели, но меньшую по сравнению с циклом Отто мощность. Но ДВС в гибриде как раз функционирует в малонагруженных режимах, когда этот недостаток не так существенен.

Ввиду того, что последовательно-параллельный гибрид нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления, его стоимость выше, чем при последовательной или параллельной схеме.

Последовательно-параллельная схема, разработанная «Тойотой» используется ими в таких гибридах как Toyota Prius, Toyota Camry, Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Toyota Harrier Hybrid, Lexus GS 450h и Lexus LS 600h. К тому же ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Ford и Nissan и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.

Гибридизация

Как мы уже отмечали, гибрид – это своего рода компромисс между обычным автомобилем и электромобилем. И считать гибрид транспортным средством будущего было бы неправильным. Скорее это промежуточный этап на пути к автомобилю с электрической силовой установкой. От чего ушли, к тому и возвращаемся. Мало кто знает, что электричество в качестве источника энергии для автомобиля начали использовать раньше, чем бензин. Но история сложилась так, что сейчас автомобильное электричество – это пока будущее, к которому мы идем. Гибридизация же помогает сделать этот переход более мягким и заодно развить новые технологии, которые помогут сделать электромобиль оптимальной и более выгодной альтернативой обычному автомобилю.

Гибриды разрабатывают и выпускают сейчас практически все мировые производители, но коснется ли гибридизация в ближайшее время России, неизвестно. Сейчас официально свои гибриды у нас продает Toyota (модель Prius) и Lexus (гибридные версии моделей GS, LS, RX). Популярностью они не пользуются. Думается, ввиду своей немалой стоимости. С «Лексусом» и так все ясно, а новый Prius у дилера можно купить за 1 млн 177 тысяч рублей – гибридные технологии стоят немалых денег. Подержанные «Приусы», привезенные из Японии в Красноярске есть, но тоже в очень малом количестве. Если учесть, что срок жизни аккумуляторной батареи в японских условиях составляет примерно 7 лет, то большого смысла приобретать старый Prius за его «гибридные выгоды» (расход — 4 литра бензина на 100 км) нет, т.к. в скором времени они сойдут на нет. Но все же хочется верить, что гибридизация приживется и на русской земле.