Гибридные автомобили уже перестали вызывать удивление на улицах, но их конструкция до сих пор является для многих загадкой
Ответить на вопрос об устройстве современного гибрида одновременно и просто, и сложно. В общем понимании, это автомобиль, силовая установка которого состоит из электромотора и двигателя внутреннего сгорания, которые так или иначе совместными усилиями вращают колёса. Этого достаточно, чтобы объяснить любому непосвящённому, что значит загадочное слово Hybrid на кузове обычной с виду машины. Но стоит копнуть глубже — и голова идёт кругом от того, какое количество технических решений и вариантов компоновок наворотили создатели современных гибридов! Запутаться в обилии терминов и инженерных решений проще простого, но в нашем материале мы разобрались, какими вообще бывают гибриды и как они все устроены. Первый критерий, по которому можно разделить все гибридные автомобили, — насколько развита их способность двигаться на электротяге.
Микрогибриды — простейшая форма гибридной жизни
Самая примитивная форма гибридизации — это продвинутая версия системы «старт-стоп». Здесь никакие электромоторы не толкают автомобиль вперёд, и гибридной такая технология является достаточно условно, поэтому сразу выделим микрогибриды в особую категорию вне всяких классификаций. В таких автомобилях специальный мощный стартер способен не только раскручивать двигатель для запуска, но и работать как генератор при рекуперативном торможении. Собираем «бесплатное» электричество — экономим на паразитной нагрузке ДВС (у которого нет необходимости вырабатывать бортовое электричество в дополнение к основным тяговым обязанностям), а значит и расходе топлива. Подобранная буквально с дороги и сохранённая в усиленной батарее и/или специальном накопителе электроэнергия идёт потом на перезапуск двигателя внутреннего сгорания при работе системы «старт-стоп», питание климатической установки, электроприводов, светотехники и других бортовых устройств, а сэкономленное на этом топливо — на дополнительные километры пробега. Подобные технологии используют многие производители: это i-ELOOP от Mazda, e-HDI от Peugeot, Blue Drive от Hyundai и другие.Производители заявляют, что микрогибридная технология позволяет экономить до 10-15% топлива
Высшая степень электрификации: гибриды типа plug-in
Но настоящие, полноценные гибриды всё-таки способны на большее, как с точки зрения экономии топлива, так и в плане тяговых возможностей. Всё потому, что их электродвигатели не только собирают электроэнергию в роли генераторов для зарядки батарей, но и вращают колёса совместно с двигателем внутреннего сгорания. Только делают это по-разному. Самые совершенные конструкции обеспечивают возможность двигаться как с помощью совместных усилий ДВС и электромотора, так и на чистой электротяге, причём достаточно продолжительное время. Для этого их батарея имеет увеличенный объём, электромотор — высокую мощность (70-100 л.с. и выше), а наряду с лючком бензобака в кузове имеется и порт для подключения электрического шнура для зарядки от обычной розетки. Это решение получило общераспространённое обозначение plug-in (плаг-ин) и по своей сути представляет собой промежуточное звено между традиционными автомобилями и электрическими
Всё потому, что благодаря в разы более объёмной, чем у обычных гибридов, батарее «плагины» могут преодолевать на электротяге без единой вспышки в цилиндрах ДВС до 50 километров. Это вполне приличная по городским меркам дистанция, безвредно для окружающей среды повторять которую можно снова и снова при условии регулярной «дозаправки» батарей из розетки. Но усреднённый показатель с учётом условий движения и разницы в технических характеристиках — около 25-30 км. Что тоже, впрочем, немало. Ведь способность полноценно передвигаться на электричестве в коротких городских поездках является серьёзным конкурентным преимуществом перед другими, более простыми гибридами, которые едва ли доедут на электротяге до следующего светофора!
Меньшая степень электрификации: полные и умеренные гибриды
Компоновка: последовательные гибриды
В случае, когда двигатель внутреннего сгорания в принципе не вращает колёса механическим способом, гибрид представляет собой по сути электромобиль с бортовым генератором электричества, роль которого и исполняет ДВС. Такие гибриды принято именовать последовательными. Эта схема отличается простотой, так как нет необходимости сооружать сложную трансмиссию — электромоторы вращают колёса через единственную главную передачу, которая служит для формирования нужного крутящего момента. Но класс последовательных гибридов сегодня представлен единичными моделями, так как эффективность подобного решения неоднозначна. Ведь энергию сгорания топлива приходится преобразовывать сначала в механическую, потом механическую в электрическую, а в конце электрическую — в работу непосредственно на колёсахПоэтому функционирующий по такой схеме гибрид должен обязательно иметь хорошо развитые электрические способности. Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников упомянем, прежде всего, Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 километров (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой чисто электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором между ДВС и трансмиссией
Но если вышеупомянутая схема по своей сути ближе к электромобилю, то такие автомобили, как Porsche Panamera S E-Hybrid и Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE и Passat GTE, Mercedes-Benz S 500 e и С 350 e, BMW X5 xDrive40e и другие сочетают в себе привычные нам свойства бензиновых машин и способность проехать получасовой маршрут на электричестве. Для того, чтобы сохранить все «бензиновые» преимущества, мощные моторы таких машин имеют жёсткую связь с колёсами. Электродвигатель не нарушает привычную компоновку этих моделей, потому как встроен в коробку передач, и при необходимости мощности ДВС и электромотора суммируются. Эта схема называется параллельной, так как моторы обоих типов работают одновременно. В зависимости от выбранного водителем режима, бензиновый мотор может либо вращать колёса совместно с электродвигателем, либо последний будет работать в качестве генератора и запасать электричество в батарее на будущее. Чисто электрический режим реализован посредством сцепления между трансмиссией и ДВС: если оно разомкнуто, то электромотор вращает колёса в одиночку.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором отдельно от ДВС и трансмиссии
Отдельно стоит достаточно обширная и одновременно разношёрстная группа гибридных автомобилей, у которых один или несколько электромоторов не сблокированы с коробкой передач и двигателем, а вынесены на периферию. Первопроходцем в таких решениях стала компания Toyota со своей технологией HSD (Hybrid Synergy Drive), которая лежит в основе подавляющего большинства бензиново-электрических Toyota и Lexus. Это очень сложная и достаточно эффективная конструкция: помимо батареи и обслуживающей систему электрики, она состоит из двигателя внутреннего сгорания и двух электромоторов, объединённых посредством планетарной передачи. Планетарная передача — это механическая конструкция из нескольких шестерён и осей, которая объединяет, разделяет и преобразует крутящий момент от нескольких источников.
Один из электромоторов системы служит стартером и генератором, а второй является тяговым и рекуперирующим электричество при замедлении. Благодаря особенностям планетарного механизма, ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора. Для подробного разбора устройства гибридной установки Toyota потребуется отдельный большой материал, а в рамках этого общего нужно понимать главное: традиционная трансмиссия здесь заменяется планетарной передачей и контролирующей силовые модули (ДВС и два электромотора-генератора) электроникой — в зависимости от потребностей водителя, тяговый электромотор выдаёт определённую мощность отдельно или совместно с двигателем внутреннего сгорания, а избыточная тяга последнего средствами планетарного механизма идёт на вращение второго мотора-генератора и, соответственно, зарядку основной батареи.
Однако не одна только Toyota решилась на инженерные извращения в области гибридов. Несколько более простую схему разнесённых ДВС и электромоторов используют Volvo и Peugeot для создания гибридных полноприводников. Идея проста и одновременно красива: переднюю ось пусть приводит турбодизель (ещё одно экзотическое решение в мире питающихся обычно бензином гибридов), а заднюю — электродвигатель. При необходимости (или по принуждению водителя) включения полного привода гибрид начинает работать как последовательно-параллельный: ДВС одновременно вращает через обычную автоматическую коробку передач переднюю ось и питает через генератор электромотор, который крутит колёса задней оси. В чистом же электрорежиме автомобиль является заднеприводным. Volvo V60 Plug-In Hybrid ещё и оказалась самой дальнобойной в электрическом плане за всю историю наших тестов гибридов — за счёт ёмкой батареи и хорошо отлаженных алгоритмов универсал покрыл на электротяге 46 километров!
Нечто подобное, только наоборот, изобрели в BMW, когда проектировали футуристичный суперкар i8. У него бензиновая установка с автоматической коробкой передач и электромотором-генератором находится сзади, а тяговый электродвигатель — на передней оси. Система работает таким образом, что гибридное купе может быть либо переднеприводно-электрическим, либо полноприводно-гибридным. Переход на задний привод невозможен по той причине, что в случае опустошения батареи ДВС, по задумке инженеров, начинает работать одновременно в режиме вращения колёс задней оси и питания переднего электродвигателя через второй мотор-генератор — это всё та же последовательно-параллельная схема. Интересной особенностью BMW i8 является то, что передний электродвигатель вращает «ось» через двухступенчатую коробку передач, что позволяет достигать на одной только электрической тяге скорости 120 км/ч.
Так что же лучше?
Гибридное будущее однозначно за конструкциями типа plug-in, потому что именно они дают реальную экономию топлива. К тому же, большинство «плагинов» — это два автомобиля в одном: бесшумный и плавный электрический плюс бензиновый со взрывной динамикой, которую обеспечивает увесистый электрический «буст». Однако для полноценного использования такого автомобиля владелец должен иметь возможность обеспечить его зарядной инфраструктурой. В противном случае проще остановиться на обычном полном гибриде, не имеющем функционала подключения к розетке — пусть его пробег на электричестве и ничтожен в сравнении с «плагинами», но и весит вся конструкция меньше, и стоит дешевле. Смысл в вымирающих умеренных гибридах, которые неспособны двигаться без участия ДВС, практически отсутствует — эффект от применения электротяги здесь едва ли оправдывает лишнюю массу и более высокую стоимость в сравнении с негибридными версиями. Есть будущее и у микрогибридов: отношение затрат к достигаемому с помощью этой технологии эффекту выглядит выгодным. Что касается механической схемы, то это больше вопрос настройки: конечного пользователя не должно волновать как и с помощью чего распределяются потоки мощности и энергии в недрах автомобиля — индустрия знает примеры как отличной, так и не слишком идеальной работы любой из известных схем.
— Совершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) едва-едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой — экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение — геологи, все настойчивее напоминающие об истощении запасов «черного золота». Одним из вариантов решения этой проблемы являются гибридные силовые установки, состоящие из обычного ДВС и электродвигателя. В отличие от электромобилей и автомобилей на топливных элементах, которые все еще остаются «автомобилями будущего», гибриды уже с 1997 года выпускаются серийно.
— Давайте сравним автомобиль с обычным ДВС и электромобиль. Обыкновенный автомобиль способен проехать без дозаправки четыре-пять сотен километров и при этом отравить атмосферу некоторым объёмом вредных веществ. Заправочных станций предостаточно в любом регионе, и пополнить запасы топлива можно за считанные минуты. Электромобиль может проехать на одном заряде батарей порядка 80-160 км. Он экологически чист, бесшумен и практически безупречен до того момента, пока не наступает очередь подзарядки аккумуляторов. У существующих в наше время «электрических» машин этот процесс длится несколько часов.Гибридные автомобили берут все лучшее от обоих моторов: ДВС и электрического. Достоинство первого – в удобном энергоносителе, жидком топливе, а второго – в выдающихся моментных характеристиках. В отличие от ДВС, электромотор не нужно заводить и «раскручивать». Он может «стоять и ждать» не потребляя энергии. Но как только дали ток – сразу получили максимальную тягу на колесах. Электродвигатель эффективнее двигателя внутреннего сгорания в режиме частых стартов и стопов (т.е., при езде в городском цикле). Двигатель внутреннего сгорания, наоборот, более эффективен на постоянных, оптимальных для данного двигателя оборотах.В гибриде оба двигателя работают друг на друга. ДВС крутит генератор и питает энергией электромотор. Тот, в свою очередь, позволяет ДВС работать без резких разгонных нагрузок, в наиболее благоприятных режимах. Практически все современные гибриды имеют систему рекуперации или, по-русски, «возврата энергии». Суть ее в том, что при торможении или при движении машины накатом, электродвигатели начинают крутиться от колес и работать как генераторы, заряжая батарею. Отсюда – меньший износ, экологичность и экономичность (особенно в городском цикле.)Итак, перед нами технологичный прогрессивный автомобиль, в котором нивелируются недостатки и объединяются достоинства двух моторов. Но., рано хлопать в ладоши, и послушаем, что говорят скептики.
— Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, не любят морозов, подвержены саморазряду, срок службы их ограничен несколькими годами. А «экономность» гибрида прямо связана с состоянием АКБ. Кроме того, существует проблема утилизации отработанных батарей. Гибриды дороже в ремонте, да и за сам ремонт возьмется далеко не каждый. Кроме того, высокую экологичность и экономичность гибридов многие тоже ставят под сомнение. Так, ряд тестов, проведенных авторитетными автомобильными изданиями, показал, что гибриды дают заметную экономию топлива только в городе, при движении же в смешанном цикле незначительно, а за городом существенно проигрывают современным дизелям. Почетное звание «Самый экологичный автомобиль года» в 2007 и 2008 годах присуждалось также автомобилям с дизельными моторами.Рассмотрим подробнее, какими бывают и как устроены гибриды.По степени гибридизации их делят на «умеренные», «полные» и plug-in. «Полный» в состоянии двигаться лишь на электричестве, не потребляя топлива. «Умеренный» всегда задействует ДВС, а электромотор подключается, если требуется дополнительная мощность. Гибрид с подзарядкой (plug-in hybrid) — такой гибрид можно включать в розетку для подзарядки. В результате обладатель подобного гибрида получает все преимущества электрического автомобиля, без самого большого недостатка: ограниченного пробега на одном заряде. Когда электрический заряд заканчивается, подключается ДВС и автомобиль превращается в обычный гибрид.По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих авто, гибридные приводы принято разделять на три вида: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.
• ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА:
— Это — самая простая гибридная конфигурация. ДВС используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса. Это избавляет от необходимости в коробке передач и сцеплении. Для подзарядки аккумулятора также используется рекуперативное торможение. Свое название схема получила потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд последовательных преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. При этом часть энергии неизбежно теряется. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить. При отключении ДВС электродвигатель и батарея в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения. Поэтому они, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а, значит, они имеют и большую стоимость. Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта. По такому принципу работают также большие карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.
• ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА:
— Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (который должен быть обратимым, т.е. может работать в качестве генератора). Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах. 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. Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему. Поэтому параллельные гибриды могут использовать меньшую аккумуляторную батарею, по сравнению с последовательными. Так как ДВС непосредственно связан с колесами, то и потери мощности значительно меньше, чем в последовательном гибриде. Подобная конструкция достаточно проста, но ее недостатком является то, что обратимая машина параллельного гибрида не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС.
— Приверженцем такой схемы гибридов является компания «Хонда». Их гибридная система получила название Integrated Motor Assist (Интегрированный помощник двигателя). Она предусматривает, прежде всего, создание бензинового двигателя с увеличенным к.п.д. И только тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже. Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов. Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохранённая при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнёт ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдёт на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях. В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Honda выпускает две гибридные модели:Insight и Civic.
• ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА:
— Компания «Тойота» при создании гибридов пошла своим путем. Разработанная японскими инженерами 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.Важной особенностью ДВС также является то, что он работает по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Если работа двигателя организована по циклу Отто, то на такте впуска поршень, двигаясь вниз, создает в цилиндре разрежение, благодаря которому происходит всасывание в него воздуха и топлива. При этом в режиме малых оборотов, когда дроссельная заслонка почти закрыта, появляются так наз. насосные потери. (Чтобы лучше понять, что это такое, попробуйте, например, втянуть воздух через зажатые ноздри). Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. В ходе такта выпуска, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы еще находятся под давлением, и их энергия безвозвратно теряется- это так наз. потери выпуска.
— В двигателе Аткинсона на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок. Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает по так наз. циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Данная стать Таким образом, получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность. Но в том-то и суть, что мотор тойотовского гибрида функционирует в малонагруженных режимах, при которых этот недостаток цикла Аткинсона не играет большой роли.
— К недостаткам последовательно- параллельного гибрида следует отнести более высокую стоимость, в виду того, что он нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления.
— Система HSD установливается на хэтчбеке Toyota Prius, седане бизнес-класса Camry, вседорожниках Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса — Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.Из всего сказанного можно сделать вывод, что, наверное, нет смысла считать гибридные автомобили решением всех проблем. Это скорее промежуточный этап на пути к будущей машине с нулевым выбросом вредных веществ. Гибридные технологии дают возможность отработать ее ключевые технические компоненты — емкие компактные аккумуляторы, оптимизированные системы «повторного использования» энергии, технологию быстрой зарядки от внешних источников, новые электродвигатели, облегченные кузова. Только массовое производство этих узлов сможет приблизить то время, когда вместо поездки на заправку достаточно будет подключить железного коня на часок к обычной домашней электросети — а потом ездить целый день без подзарядки. Похоже, что, сев за руль гибридного автомобиля, человеческая цивилизация сможет прибыть в светлое электромобильное будущее самым коротким и самым эффективным путем.
Ликбез: что такое подзаряжаемый гибрид (Plug-In Hybrid)?Подзаряжаемый гибрид – это автомобиль, где объединились традиционный ДВС (двигатель внутреннего сгорания, бензин, дизель, газ) и электромотор. Однако существенное отличие подзаряжаемого гибрида от обычного гибрида состоит в заметно увеличенном аккумуляторе (обычно 8-15 кВтч) с возможностью его подзарядки от внешнего источника питания, т.е. обычной розетки или зарядки. Кроме того, нередко подзаряжаемые гибриды имеют электромотор увеличенной мощности, который позволяет разгонять автомобиль до относительно высоких скоростей (60-125 км/ч) без включения традиционного ДВС.
В итоге подзаряжаемый гибрид позволяет в городе ездить почти как на электромобиле: увеличенная АКБ обеспечивает достаточный запас хода (20-80 км) для ежедневных поездок, а мощный электромотор гарантирует разгон и поддержание скорости городского потока. При этом, ввиду небольшой АКБ, ее полная зарядка занимает немного времени – лишь 2-4 часа – что означает возможность постоянной подзарядки аккумулятора даже во время похода в кино или деловой встречи.
Результат: при условии городской эксплуатации подзаряжаемый гибрид практически все время может выступать в роли электрокара – экологически чистого и финансово экономичного. На крайний случай, при разряде АКБ в городе и для длительных загородных поездок, под капотом имеется традиционный ДВС, который в режиме дальней поездки по трассе потребляет не так уж много топлива.
Еще один плюс – суммарная мощность силовой установки подзаряжаемого гибрида (ДВС + электромотор) выходит достаточно высокой, что превращает такой автомобиль в «подогретую версию», которая при этом, умеет ездить с расходом 0 л топлива на 100 км пути. Однако у подзаряжаемых гибридов имеются и существенные минусы: во-первых, сложность и дороговизна конструкции; во-вторых, необходимость проведения ТО для традиционного мотора (ДВС).
Chevrolet Volt (2-е поколение)Автомобиль Chevrolet Volt с момента своего появления вызывал немалый интерес: заявленный создателями как «электромобиль с увеличителем запаса хода», на самом деле во многих режимах эксплуатации он был гибридом. Новый Chevrolet Volt 2-го поколения постарался стать «еще больше электромобилем», хотя фактически остался гибридом.Ожидаемый реальный пробег на электротяге – 80 км; суммарная мощность силовой установки – около 150-200 л.с.
Так, здесь установлен достаточно большой аккумулятор (18,4 кВтч) – это позволяет Chevrolet Volt проезжать в электрическом режиме достаточно большую дистанцию: 85 км в замере ЕРА и 100 км в замере NEDC. Для полной зарядки АКБ требуется 4-5 часов. Словом, Chevrolet Volt 2-го поколения сравним с первыми электромобилями начала 2000-х годов.
В тоже время, под его капотом скрывается ДВС объемом 1,5 л (102 л.с.) и электромотор мощностью 110 кВт (150 л.с.), который в большинстве режимов езды теперь является основным. Кроме того, помощи можно ждать и от стартер-генератора – при разгонах он может краткосрочно выдавать мощность в 61 л.с. Нормативный расход топлива равен 2,2 л на 100 км; объем топливного бака – 34 литра; время разгона «0-100 км/ч» составляет 9 секунд.
Цена около 1 000 000р.
Ford C-Max EnergiДа, это не хэтчбек, а минивэн. Но он все равно построен на основе хэтчбека С-класса, создан для семьи, продается за сравнимые деньги. Что же предлагает подзаряжаемый гибрид Ford C-Max Energi?
Во-первых, 2-литровый 140 сильный бензиновый мотор, который работает в паре с электромотором – суммарная мощность силовой установки составляет 188-195 л.с. в зависимости от режима эксплуатации. Во-вторых, аккумулятор на 7,6 кВтч, который обеспечивает запас хода в 36 км по измерительному циклу ЕРА и требует 2,5-3 часа для полного заряда.Ожидаемый реальный пробег на электротяге – 30-35 км; суммарная мощность силовой установки – около 190 л.с.
Наконец, третье: вместительный салон, большой багажник, много отсеков для мелочей, широкие возможности трансформации (различные варианты складывания сидений). Все-таки это подзаряжаемый гибридный минивэн – редкость класса.
Цена под заказ с США: от 18 500$Hyundai Ioniq Plug-In HybridГибридный хэтчбек Hyundai Ioniq Plug-In Hybrid входит в состав семейства Hyundai Ioniq, но в старте продажах он отстает примерно на год – все-таки самая технически сложная версия автомобиля. Так, под капотом здесь скрывается бензиновый двигатель 1.6 GDI мощностью 105 л.с., в паре с ним работает электромотор мощностью 45 кВт (65 л.с.) – мощнее, чем на обычном Hyundai Ioniq Hybrid. Питание для электромотора дает аккумулятор емкостью 8,9 кВтч: производитель обещает запас хода 50 км (в измерительном цикле ЕРА) и полную зарядку АКБ примерно за 3-4 часа.
Ожидаемый реальный пробег на электротяге – 40 км; суммарная мощность силовой установки – около 150 л.с.
Toyota Prius PrimeКак не крути, а Toyota Prius – знаковый автомобиль: все-таки первый по-настоящему серийный гибрид в мире. Сегодня выпускается уже 4-е поколение Toyota Prius и впервые модель получила исполнение «Plug-In Hybrid». Да, в прошлом 3-м поколении Toyota Prius также встречался подзаряжаемый гибрид, но он был выпущен ограниченной серией и под конец производства основной модели; фактически речь идет об экспериментальных образцах.
А вот Toyota Prius Prime – это подзаряжаемый гибрид, который вышел практически одновременно с базовой моделью Toyota Prius. Мало того, в этом поколении Toyota Prius Prime заметно отличается от обычного гибрида Toyota Prius своей внешностью: другая крыша, задняя часть, фонари.Ясно, что под капотом различий еще больше. Основа – бензиновый мотор объемом 1,8 л (98 л.с.); в паре с ним работает электромотор мощностью 53 кВт (72 л.с.); также кратковременно мощности прибавляет и стартер-генератор.
Ожидаемый реальный пробег на электротяге – 30 км; суммарная мощность силовой установки – около 130 л.с.
Питание электромотора – от литий-ион аккумулятора емкостью 8,8 кВтч: он обеспечивает запас хода около 35 км (измерительный цикл ЕРА); максимальная скорость при езде на электротяге может достигать 135 км/ч. Также предусмотрен 43-литровый топливный бак. Итоговый запас хода, согласно данным производителя, составляет 965 км.
Цена под заказ с США: 30 000$
Volkswagen Golf GTEПодзаряжаемый гибрид создан для экономии? Забудьте, он создан для мощности! Похоже, именно так решила компания Volkswagen при разработке свой модели Golf GTE, которую поставили в один ряд с легендарным Golf GTI. Ведь под капотом скрыта силовая установка мощностью 204 л.с. (крутящий момент 350 Нм), которая обеспечивает разгон 0-100 км/ч за 7,6 секунды. Основа – бензиновый турбо-мотор объемом 1,4 л (150 л.с.); в паре с ним работает электромотор мощностью 75 кВт (102 л.с.) и 6-ступенчатая КПП DSG.
Питание электромотора – от аккумулятора емкостью 8,7 кВтч (для полного заряда требуется 2,5-3 часа); обещанный электрический запас хода составляет 50 км (согласно измерительному циклу NEDC, но в реальности стоит расчитывать на около 30-35 км. Плюс предусмотрен 40-литровый топливный бак для бензинового мотора, что позволяет совершать длительные поездки в полтысячи километров за один заход.Ожидаемый реальный пробег на электротяге – 35-40 км; суммарная мощность силовой установки – 204 л.с.
Итог обзора: уже сегодня за адекватную цену – около $20-35 тыс., причем всегда очень хорошие и полные комплектации – можно купить массу различных гибридных автомобилей: начиная с традиционных эко-моделей, продолжая минивэном для семьи, заканчивая «подогретым хэтчбеком». И в будущем количество подобных автомобилей будет только увеличиваться.
Если быть совсем точными, о гибридных силовых установках, которые получены путем совмещения разных типов приводов с целью объединения их сильных сторон. Поэтому нет ничего удивительного, что сейчас в линейках практически всех мировых автопроизводителей есть гибридные модели. В будущем, возможно, мы пересядем на машины с магнитной подушкой или с атомными силовыми установками, которые не надо будет заправлять совсем. Но пока это научная фантастика, а вот гибриды – это наше настоящее, ну или совсем близкое будущее.
Суть практически всех гибридов сводится в комбинации возможностей традиционного ДВС и электромотора. Есть, конечно, и весьма экзотические конструкции, но о них мы поговорим отдельно.
У гибридной силовой установки есть две главные задачи, которые и призваны экономить топливо: во-первых, это оптимизация режима работы ДВС, во-вторых, возможность рекуперации энергии торможения, которая обычно уходит на нагрев тормозных механизмов и затем рассеивается в воздухе. Давайте рассмотрим каждый из этих моментов в отдельности
Для ДВС самый не удобный и сложный режим – трогание с места и разгон. Двигатель не может работать ниже оборотов холостого хода и потребляет много топлива в переходных режимах. Оптимальной же для него является работа с постоянными оборотами в зоне минимального удельного расхода топлива, что очень похоже на движение по трассе. А вот в городе нам на помощь приходит электромотор. Он развивает максимальный крутящий момент уже с нуля и обладает ровной тягой во всем диапазоне оборотов.
Ну, а при замедлении электромотор можно мгновенно переключить в режим генератора. Тогда он сможет рекуперировать энергию торможения, вместо того чтобы пускать ее на нагрев нашей планеты, что не эффективно с точки зрения как экологии, так и расхода топлива. Полученное электричество уходит как на питание бортовой электроники, так и используется повторно при очередном разгоне. Таким образом, самый разорительный и не эффективный для традиционных машин режим разгон-торможение для водителя гибрида проходит практически бесплатно и с минимальным количеством вредных выбросов.
Получается, что характеристики электромоторов значительно лучше подходят для рваного городского режима движения. А вот при движении с постоянной скоростью гибридная схема практически не работает, а с учетом того, что гибрид – это неминуемо дополнительный вес и объем , то на трассе возможно даже некоторое увеличение расхода. Хотя даже в Европе, не говоря уже про Россию, становится все сложнее найти участки без подъемом и спусков, где можно было бы долгое время ехать с неизменной скоростью.
Остается только решить вопрос с накопителем энергии, и гибрид готов. Вариантов существует два: аккумулятор или суперконденсатор, но это уже тема для отдельного разговора. А пока давайте остановимся на различных типах гибридов, которых в последнее время возникло великое множество. Так как массовому гибридостроению всего 10-15 лет, то и четкой классификации пока не существует, однако основные принципиальные схемы уже можно выделить в отдельные сегменты.
Они используют только один из плюсов гибридов – рекуперацию энергии торможения. По сути своей это обычные автомобили, у которых привод осуществляется исключительно от традиционного ДВС и трансмиссии. Отличие заключается только в увеличенной мощности генератора. При разгоне автомобиля электроника выключает генератор, и двигатель не тратит на него свою энергию и топливо. Зато при торможении генератор включается, таким образом, электричество для питания всех электроприборов выделяется за счет рекуперации, т.е. фактически бесплатно. Такая схема позволяет сократить расход топлива на 3-7%, и вероятнее всего, это решение очень скоро получит всеобщее распространение и станет обязательным атрибутом современно автомобиля, как, например, кондиционер или система впрыска топлива. Уже сейчас функция микрогибридов есть практически на всех моделях BMW и Mercedes, а также начинает появляться на бюджетных автомобилях.
Умеренные (Mild) и полные (Full) гибриды
Отличие между двумя основными типами гибридов сводится к тому, что полные гибриды могут проехать некоторое расстояние только на электротяге, а в умеренных электромотор выступает исключительно как помощник основному ДВС.
В умеренных гибридах электродвигатель упакован между ДВС и трансмиссией. Это упрощает интеграцию гибрида в традиционную силовую установку. Батарея используется небольшого размера, что позволяет поместить ее непосредственно под капотом (у Mercedes) или занять небольшую часть багажника (BMW и Honda). Экономия топлива у умеренных гибридов составляет 15-20%.
Мощность электродвигателя у полных гибридов значительно выше, и он может обеспечивать уверенный разгон и движение в режиме электромобиля. Запас хода напрямую зависит от батареи: от 2-3 км для обычных гибридов до 30-60 км у подзаряжаемых от бытовой сети (Plug-in Hybrid). Применение полногибридной силовой установки позволяет снизить расход топлива на 20-30%.
Последовательно или параллельно?
Вариантов совместной работы ДВС и электромотора два: последовательный и параллельный.
Единственный последовательный гибрид, который имеется в продаже, – Fisker Karma. Но эта компания сейчас находится на стадии банкротства. Суммарные продажи автомобилей составили около 2000 единиц, а цена автомобиля в Америке составляет 115 000 долларов. Karma может похвастаться мощной подзаряжаемой батареей, которая обеспечивает внушительный запас хода. Однако при работе в режиме гибрида расход топлива получается таким же, а местами даже выше, чем у обычных автомобилей. Аналогичную схему работы планируют и создатели ё-мобиля, однако место большой батареи занимает скромный по объему суперконденсатор, так что экономия топлива топлива остается под большим вопросом — впрочем, так же, как и весь проект.
Параллельная схема многократно опережает по популярности последовательную. Главный плюс параллельной схемы — наличие прямой связи между ДВС и колесами, что обеспечивает более высокий КПД при движении с постоянной скоростью.
В параллельной схеме есть два варианта подключения. Первый — через планетарный редуктор, который позволяет ДВС и электродвигателю работать в оптимальных режимах и направлять энергию на одну ось. Первым разработчиком подобной схемы является компания Toyota, которая запатентовала свое изобретение под именем Synergy Drive и затем продавала эту технологию другим маркам.
Альтернативой сложному планетарному редуктору является разнесенная схема параллельного гибрида, когда ДВС приводит во вращение одну ось, а электромотор – другую. Такую схему использует Peugeot (3008 и 508), Volvo (V60), BMW (i8)и некоторые другие. Она лучше подходит для работы в паре с дизельным двигателем, который отличается более низким расходом топлива, чем бензиновые. Кроме того, гибрид с разнесенной схемой не сложно интегрировать в серийный моноприводный автомобиль. Спереди сохраняется традиционная силовая установка, а на задней оси монтируется электродвигатель. Аккумуляторная батарея располагается в багажнике. А чтобы сокращение объема не ухудшало общих характеристик автомобиля, подобные схемы оптимальны на универсалах и кроссоверах.
В качестве бонуса подобная схема наделяет автомобиль полным приводом, что опять-таки хорошо для кроссоверов. Возможно использование компактной батареи, накапливающей исключительно энергию рекуперации (Peugeot 3008 и 508) или с возможностью подзарядки (Volvo V60 Plug-in Hybrid). Также при использовании разнесенной схемы можно применять суперконденсаторы, которые быстрее накапливают и отдают заряд, что прекрасно подходит автомобилям со спортивным характером (Toyota Yaris R Concept).
Преимущество подзаряжаемых гибридов (Plug-in) заключается в возможности проехать некоторое расстояние (30-60 км) с нулевым выхлопом и минимальной стоимостью. Расход энергии в электрическом режиме составляет около 16-20 кВт/100 км, что в российских реалиях составляет 20-90 рублей на 100 км и эквивалентно расходу 1-3 литра бензина. Однако оборотной стороной такой экономии становится большая стоимость батареи, которая может достигать 10 000 евро. Так что окупить ее удастся не ранее чем за 100 000 км.
Собственно 100 000 км – это, как правило, минимальный пробег, при котором обладатель гибрида может рассчитывать на возврат собственных инвестиций. И это не только российские реалии, но и мировая практика. Ускорить процесс может лишь прогресс или государственные дотации. Ну, а пока можно запастись терпением.
Игорь Сирин, специально для Autonews.ru
Электромобили пока стоят дорого и требуют частой зарядки. Если вам нужен экономичный транспорт на каждый день, лучше присмотреться к гибриду. Рассказываем, как работает гибридный автомобиль, в чем его преимущества, и что нужно знать перед покупкой.
Принцип действия гибридного автомобиля
Слово «гибридный» означает «смешанный». Гибридные автомобили используют два источника энергии — горючие нефтепродукты и электричество. В таких машинах больше одного мотора. Силовые агрегаты работают вместе, передавая мощность на колеса через сложную трансмиссию.
Обычно электромотор помогает двигателю внутреннего сгорания в сложных ситуациях: при подъеме, при старте со светофора, при обгоне. Обороты основного мотора снижаются, замедляется износ, сокращается расход топлива, а динамика остается такой же или улучшается.
Принцип работы некоторых гибридов позволяет авто стартовать на электротяге. Лучшие модели проезжают до 50–100 км без запуска двигателя внутреннего сгорания — в городе они едут бесшумно, с нулевым выхлопом.
Есть и гибридные автомобили, в которых одна ось приводится бензиновым двигателем, а вторая — электрическим. Это позволяет повысить проходимость и улучшить управляемость, не усложняя схему автомобиля и почти не увеличивая расходы на его обслуживание.
Преимущества и недостатки гибридов
Главный плюс гибридного автомобиля — меньший расход топлива. Toyota Prius 2021 года потребляет 4,3 литров бензина на 100 км в смешанном цикле. Сопоставимая по мощности Skoda Octavia 1,6 MPI расходует 7,5 литров топлива в тех же условиях. При среднем годовом пробеге 16 000 км и стоимости бензина 50 рублей за литр машины потратят:
- Skoda Octavia — 7,5 * (16 000 / 100) * 50 = 7,5 * 160 * 50 = 60 000 рублей;
- Toyota Prius — 4,3 * 160 * 50 = 34 400 рублей.
Годовая экономия — 25 600 рублей.
Если учесть, что Toyota Prius может заряжаться от сети и проезжать около 30 км на электротяге, мы получим еще более впечатляющую цифру. Разделив среднегодовой пробег на число рабочих дней в году, получим 60 км в день. Половину из них гибрид проезжает на электричестве, затрачивая 5 кВт*ч энергии. Стоимость одного киловатта в Москве — 5,66 рублей. Тогда затраты равны:
- бензин — 4,3 * (8 000 / 100) * 50 = 17 200 рублей;
- электричество — (8000 / 30) * 5 * 5,66 = 7 550 рублей;
- итого — 17 200 + 7 550 = 24 750 рублей.
Годовая экономия — 35 250 рублей.
Сниженный расход топлива гибридных автомобилей — не единственный плюс. Гибриды дольше обходятся без заправки. Toyota Prius может добраться от Москвы до Санкт-Петербурга без посещения АЗС. Если гибридная машина может двигаться на электротяге, она шумит намного меньше бензиновой — комфортнее как для пассажиров, так и для окружающих. Кроме того, электромотор развивает максимальный крутящий момент на малых оборотах — гибрид быстрее стартует с места.
Минусы исходят из принципа действия гибридного автомобиля. Кроме двигателя внутреннего сгорания, ему требуются электромоторы, батареи, сложные агрегаты в трансмиссии и дополнительные блоки управления. Машина получается намного сложнее и стоит дороже. Стоимость подержанного Prius в нашем примере начинается от 1 миллиона рублей, новой Skoda Octavia — от 800 тысяч рублей, а б/у машины с бензиновым двигателем — от 450-500 тысяч рублей
Часто приходится слышать о том, что гибридные автомобили требуют больше затрат на ремонт. Это популярный миф, расходы на обслуживание даже ниже. Бензиновый двигатель работает в максимально щадящих условиях и изнашивается медленнее. Но проблема с ремонтом существует: в России пока мало автомехаников, которые специализируются на гибридном приводе и электромоторах. Приготовьтесь к тому, что на специализированном СТО будет очередь.
Классификация гибридных автомобилей по устройству
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.
