Что такое гибритный двигатель

Гибридный двигатель: что это такое?

Гибридный автомобиль (hybrid) представляет собой транспорт, который оснащается не привычным двигателем внутреннего сгорания, а так называемым гибридным силовым агрегатом. Главным отличием гибридных автомобилей является то, что транспортные средства данного типа приводятся в движение посредством использования нескольких источников энергии: тепловой и электрической. Другими словами, гибридная машина имеет на борту несколько типов двигателей, которые приводят в движение автомобиль.

Что касается самого понятия гибридного двигателя, то данный термин многими ошибочно понимается как особая силовая установка. На самом деле под «гибридом» следует понимать несколько двигателей разного типа, которые объединены в комплексную единую систему по преобразованию различных источников энергии в полезную работу. В современном автомобилестроении машины гибриды оснащаются двумя типами силовых агрегатов: электродвигатель работает в паре с двигателем внутреннего сгорания.

Какой автомобиль называют «гибридом»

Силовой агрегат промежуточного этапа стал представлять собой комбинацию из уже отработанной конструкции ДВС и одного или нескольких электромоторов.

Электрическая часть тяговой установки получает питание от генераторов, связанных механически с бензомотором или дизелем, аккумуляторных батарей и системы рекуперации, возвращающих в накопитель энергию, выделяющуюся при торможении автомобиля.

Все многочисленные схемы практической реализации идеи получили название гибридов.

Иногда производители вводят в заблуждение клиентов, называя гибридами системы, где электропривод используется лишь для запуска основного мотора в режиме «старт-стоп».

Поскольку связи электродвигателей с колёсами и возможности движения на электротяге здесь нет, то такие машины к гибридным относить некорректно.

Принцип работы гибридных автомобилей

Устройство автомобилей «нового поколения» безупречно и просто. Заправка осуществляется бензином. Когда загорается знак нулевого уровня топлива, то к работе подключается электродвигатель. При этом два мотора объединены конструкторами в единую систему, чтобы полноценно использовать два вида энергии – тепловую и электрическую.

Виды взаимодействий внутри отсека двигателя:

• Последовательный вид. (По этому принципу работают электромобили).

Последовательный вид работы гибридной установки применяется на набирающем популярность гибриде от компании Nissan — это Nissan Note.

• Параллельное взаимодействие. (В данном случае электромотор одновременно является стартером.)
• Последовательно-параллельное совмещение. (При этом варианте функционируют обе схемы).

Последовательно-параллельная вид работы гибридной установки применяется на самом популярном гибриде от компании Тойота — это Тойота Приус.

Подзаряжаемый гибрид – PHEV (Plug-in Hybrid)

По нашему мнению, это один из самых полезных гибридов – такая машина может несколько десятков километров двигаться как электромобиль. То есть, зарядив аккумулятор за ночь дома, владелец может доехать утром до работы на электроприводе. И если есть возможность зарядить батарею и на работе, то и домой он поедет на электротяге.

Наиболее целесообразный сегодня гибрид – типа PHEV (Plug-in), который имеет большую тяговую батарею с возможностью подзарядки от электросети

А уж для более длительных поездок – на уикенд, на дачу, или, скажем, в супермаркет, машина автоматически подключит ДВС, который начнет подзаряжать батарею или приводить в действие колеса. С технической точки зрения гибрид PHEV (подзаряжаемый или подключаемый), аналогичный полному гибриду FHEV, но PHEV стоит заметно дороже – из-за батареи большой емкости.

Типы гибридных автомобилей

Первое и главное, зачем делаются такие машины, — экономия топлива и необходимость вписываться во все более жесткие экологические нормы. Помимо прочего, оценивается средний уровень вредных выбросов по всей модельной линейке каждого производителя, поэтому компании идут на некоторые ухищрения.

«Мягкие» гибриды (mild hybrid)

Самая простая и доступная технология, позволяющая не сильно перекраивать конструкцию автомобиля и при этом демонстрировать нужные показатели по выбросам. В большинстве случаев все сводится к установке мощного стартер-генератора — электромотора, который может как запасать энергию, так и расходовать ее.

Например, в пробках это позволяет расширить функционал системы старт-стоп: двигатель глушится еще до полной остановки автомобиля (в это время как раз накапливается заряд), а при трогании стартер-генератор запускает его и помогает разгоняться в первые несколько секунд. Еще не полноценная езда на электротяге, но уже небольшие ее отголоски.

Помимо некоторой экономии топлива, такая система позволяет сгладить переходные процессы — ведь традиционная схема старт-стоп зачастую работает с рывками, например, когда мотор приходится запускать через секунду после того, как он был заглушен. Кроме того, «мягкому» гибриду не требуется большая батарея, которая увеличивала бы массу и отбирала пространство у пассажиров или багажа. Наконец, большинство подобных автомобилей вместо стандартной 12-вольтовой бортовой сети использует 48-вольтовую, от которой, помимо стартер-генератора, питаются современные технические решения вроде электрических турбонагнетателей и активных стабилизаторов поперечной устойчивости — особенно любят такие решения в немецком премиуме.

При этом традиционная 12-вольтовая сеть в «мягких» гибридах (как, впрочем, и полноценных электромобилях вплоть до Tesla) сохранена: гораздо проще питать фары, мультимедийку, дворники и прочие вспомогательные устройства от традиционного аккумулятора, чем заново изобретать все процессы.

Параллельные гибриды (parallel hybrid)

Именно такие машины можно называть обычными, самыми распространенными гибридами. Емкость батарей здесь уже выше, а электромотор обычно располагается между ДВС и трансмиссией, причем элементы этой цепочки могут работать и сообща, и отдельно друг от друга.

Это позволяет автомобилю перемещаться как на чистой электротяге — когда ДВС заглушен и отсоединен от колес — так и в настоящем гибридном режиме, когда на разгон работают и топливо, и электричество. Кроме того, аккумуляторы можно заряжать на торможениях за счет рекуперации, а также от обычного двигателя, который в этом случае выполняет роль генератора.

Получается своеобразная игра: во дворах и в пробках параллельный гибрид вполне может ездить, не загрязняя атмосферу, а если вам потребуется больше динамики — на помощь придут оба типа энергии и позволят разгоняться активнее, чем на одном только ископаемом топливе. И пусть запас хода на чистой электротяге чаще всего составляет всего несколько километров, при городских режимах эксплуатации экономия топлива оказывается уже ощутимой.

Последовательные гибриды (series hybrid)

В этой схеме вообще не предусмотрена механическая связь двигателя внутреннего сгорания и колес — он только производит энергию для электромоторов. Теоретические плюсы понятны: водитель получает «электрическое» удобство управления тягой без пауз и задержек, ДВС работает в оптимальном режиме и не крутится в отсечку, а машина превращается в милое и почти экологичное привидение с моторчиком.

Но в реальности этот метод приводит к двойным потерям энергии: сначала на преобразование топлива в электричество, а потом на передачу его к колесам. Поэтому в чистом виде такая схема не используется, зато отдельные модели вроде BMW i3 или Chevrolet Volt отметились опциями под названием range extender, то есть увеличитель запаса хода — ДВС в большинстве случаев бездействует, но готов прийти на помощь, если у вас закончилось электричество. Считайте, просто генератор, который всегда с собой.

Последовательно-параллельные гибриды (parallel-series-hybrid)

Особая категория, представленная, по сути, только запатентованными изобретениями компании Toyota и отдельными силовыми установками, сделанными по лицензии. Здесь ДВС и электричество работают как единое целое, постоянно и бесшовно распределяя энергию туда, где она нужна. Самое массовое применение технология нашла на Toyota Prius, где без особых изменений используется уже почти 15 лет.

Называется этот уникальный привод Hybrid Synergy Drive, а примечателен он в первую очередь тем, что лишен обычной трансмиссии — в то время как в большинстве гибридов используются вариаторы, «роботы» или классические «автоматы». Здесь же два электромотора объединены с ДВС через хитрую планетарную передачу, которая вообще стирает границу между двумя мирами для конечного пользователя. Самый яркий пример — бензиновый двигатель здесь может одновременно работать на разгон и заряжать батареи, если вы не требуете от машины максимальной динамики.

Подключаемые гибриды (plug-in hybrid, PHEV)

Главный принцип здесь один: наличие отдельного разъема для зарядки аккумуляторов. При этом сам гибрид может быть как последовательным (тот же BMW i3 или Fisker Karma), так и параллельным (Porsche Cayenne e-Hybrid или Volvo XC60 Recharge). И если с первым случаем все понятно (по сути это электромобили с бензиновыми генераторами), то параллельные подключаемые гибриды интереснее. Идея заключается в том, что емкость батарей у таких автомобилей уже действительно солидная — например, у современного «Кайена» это 18 кВтч, то есть примерно треть от того, что можно найти в среднем электромобиле. Да и электромотор вполне самостоятелен: на многих подключаемых гибридах его мощность превышает 100 лошадиных сил.

Иными словами, при определенных сценариях вы можете ездить на такой машине, как на настоящем электрокаре: запас хода составляет несколько десятков километров, разгоняться можно до сотни с лишним километров в час — но делать надо все плавно. Прикатили по пробкам в центр на работу, вечером вернулись домой, подзарядились от розетки — и никаких выбросов. При этом в вашем распоряжении остается и настоящий бензиновый двигатель — со всей своей мощностью, универсальностью и возможностью заправляться когда угодно и сколько угодно. Нажимаете акселератор посильнее, и он включается в работу.

Никто не отменял и дополнительной помощи от электромотора: в спортивном режиме бензоэлектрическая силовая установка даст динамику, на которую традиционный ДВС в одиночку будет не способен. Но надо понимать, что без питания от розетки подключаемые гибриды мало чем отличаются от обычных параллельных: да, запас электричества можно принудительно пополнять от бензинового мотора, но эффективности, экологичности и смысла в этом откровенно мало.

Экзотические разновидности

Не во всех случаях гибридная тяга применяется исключительно ради экономии топлива. Например, французы из Peugeot и Citroen при помощи электричества компенсируют отсутствие полноценных полноприводных машин: задние колеса вращаются при помощи электромотора. Для тяжелого бездорожья такая схема подходит слабо, но задачу всепогодного вождения решает довольно успешно.

А производители спорткаров уже давно используют гибридные технологии для того, чтобы их машины ехали быстрее — ведь максимум тяги электромотора доступен всегда и везде, и это здорово помогает на разгонах, когда бензиновый двигатель еще не вышел на пиковую отдачу. Среди ранних образцов подобных машин можно вспомнить Porsche 918 Spyder, а среди современных Koenigsegg Regera или Aston Martin Valkyrie— одни из самых быстрых гиперкаров планеты.

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.

Классификация гибридных автомобилей по устройству

Микрогибриды

Вместо обычного стартера установлен мощный мотор-генератор. При плавном замедлении он вырабатывает электричество, заряжая батарею повышенной емкости. Двигатель внутреннего сгорания тратит меньше энергии на вращение обычного генератора или не тратит ее вовсе. Такую технологию устройства гибридов используют Mazda, Hyundai, BMW, Audi и другие бренды. Она сокращает расход топлива на 5–15 % в зависимости от манеры вождения.

Мягкие (умеренные) гибриды

Двигателю внутреннего сгорания помогает электромотор малой мощности до 30 лошадиных сил. Он включается в особо тяжелых условиях, чтобы снизить расход топлива и замедлить износ. Машина не может двигаться на электротяге. В лучшем случае она стартует бесшумно, а на скорости выше 5 км/ч запускается бензиновый двигатель. Источником питания служат компактные батареи или конденсаторы. Последние дешевле, надежнее и менее чувствительны к холоду. Технологию умеренного гибрида используют General Motors, Honda, BMW и даже Ferrari. Экономия топлива достигает 15–25 %.

Параллельный гибрид

Автомобиль может двигаться на чистой электротяге до 30–150 км без запуска двигателя внутреннего сгорания. Чаще всего дополнительный мотор установлен в силовом агрегате между основным двигателем и коробкой передач. Тогда его мощность невелика — до 50 лошадиных сил. Он работает самостоятельно, когда вы едете с постоянной скоростью 30–60 км/ч, без динамичных рывков. Такую конструкцию используют Volkswagen, Porsche, Audi и Mercedes-Benz.

Если электромотор установлен отдельно, его мощность не ограничивается — у некоторых моделей она превышает 200 лошадиных сил. Соответственно, вы получаете лучшую динамику на чистой электротяге. Такую технологию предпочитают Toyota, BMW и Lexus.

Иногда двигатель внутреннего сгорания и электромотор установлены на разных осях. Так удается получить полный привод с относительно простой механической схемой. Проходимость автомобиля повышается, расход топлива снижается, управляемость улучшается. По такой схеме работают гибридные авто Peugeot, Citroën, Nissan и FIAT.

Последовательный гибрид

Автомобиль всегда движется на электротяге. Запас хода — от 150–200 километров. Когда батарея разряжается, запускается двигатель внутреннего сгорания. Здесь он служит генератором, который не связан с колесами напрямую. Мотор работает в спокойном режиме при постоянных оборотах, поэтому изнашивается он намного медленнее, чем в обычных автомобилях. Расход топлива — от 1,5 до 3,5 литров на 100 км. Серийных примеров пока немного, можно вспомнить Chevrolet Volt и Opel Ampera.

Параллельно–последовательный гибрид

Такой гибридный автомобиль сочетает особенности двух конструкций. Когда он едет по ровной дороге с постоянным темпом, двигатель внутреннего сгорания вращает мощный генератор и заряжает батарею. Когда нагрузка повышается, включается электромотор, который ускоряет разгон и помогает преодолевать неровности. Такую схему довела до совершенства Toyota. Ее также можно встретить в Volvo и BMW.

Перспективы гибридизации

Гибридные автомобили изначально создавались для американского и японского рынков. Там были «обкатаны» технологии и испробованы разные варианты компоновки. Популярность гибридов растет — они появляются в других странах, включая Россию. Цена снижается, что делает их более доступными для широкой публики. В 2021 году гибридные машины стоит покупать ради их надежности, динамики и впечатляющего запаса хода. В ближайшие годы список преимуществ пополнится экономичностью. Если разница в цене будет окупаться за 4–5 лет, владеть гибридом будет намного выгоднее. Требования к двигателям внутреннего сгорания постоянно ужесточаются. Поэтому к 2030–2035 годам гибридные машины могут стать единственной альтернативой электрокарам.