Четверг, 17.08.2017, 04:50
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2014 » Декабрь » 7 » Автомобили с гибридными силовыми установками
14:22
Автомобили с гибридными силовыми установками

 

В современном мире гибридные автомобили набирают все большую популярность. У многих автопроизводителей уже есть гибридный автомобиль собственной разработки, а некоторые производители могут похвастаться целой линейкой гибридных силовых установок и автомобилей, использующих такие установки.

Гибридный автомобиль – автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии. Чаще всего автопроизводители используют комбинацию двигатель внутреннего сгорания плюс электромотор. Также можно встретить автомобили, работающие на водороде или полностью электрические. Такие автомобили не будут считаться гибридами, так как они используют только один источник энергии. Это автомобили на альтернативном топливе. Путать их с гибридами нельзя.

Прототипы гибридных авто электромобили появились еще в середине XIX века. Самый первый из них, который использовал в качестве движущей силы электрическую энергию, в 1839гг. сконструировал шотландец Роберт Андерсон. В 1905 г. бельгиец Генри Пайпер запатентовал гибридную схему для авто, которая предусматривала использование электромотора наряду с бензиновым двигателем. Вторым гибридным устройством был Lohner Electric Chaise (Рис. 1), созданный немцем Фердинандом Порше.

По одной версии Chaise приводилась в движение несколькими электрическими моторами и двигателем внутреннего сгорания с генератором, производившим это электричество. По другой – автомобиль работал от перезаряжаемой 44-элементной батареи. Заряда батареи хватало на 65 км пути. Машина двигалась хоть и медленно, но почти бесшумно.

Рис. 1. Lohner Electric Chaise

 

Однако, по данным исторических источников, Порше стал собирать четырехприводные гибриды гораздо позже. За разработку во время Первой мировой войны машин с гибридными силовыми установками, моторов для дирижаблей и самолётов Порше был удостоен звания заслуженного профессора Венского технического университета и получил крест «За заслуги».

Помешал дальнейшему развитию гибридных технологий Генри Форд со своим конвейером, значительно удешевивший автомобильное производство. Его машины были гораздо мощнее и быстрее «электровозов», а также имели намного больший запас хода на одной заправке.

Постоянный рост цен на нефть и газ в 70 годы двадцатого века, а также усиление требований к экологическим характеристикам автомобилей вынудили разработчиков снова заняться разработками экологичного и экономичного средства передвижения. Тут то и понадобились давно забытые идеи конструкторов гибридных авто. В это время в западной Германии появились европейские гибридные автомобили производства Volkswagen. В 90-е годы концерн Toyota серьезно занялся разработкой максимально экономичных автомобилей с низкими показателями загрязнения окружающей среды.

 

Принцип работы гибридной силовой установки

При применении электротрансмиссии двигатель, работающий на обычном топливе, вращает электрогенератор; вырабатываемый ток через систему управления передаётся на электродвигатели, которые и приводят в движение транспортное средство. В этом случае уместно сравнение с размещённой на электромобиле электростанцией, вырабатывающей электричество для его движения. Схема работы гибридного автомобиля в целом аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением промежуточного накопителя энергии — как правило, аккумуляторной батареи, имеющей меньшую, чем у «чистого» электромобиля, ёмкость и, соответственно, вес.

Гибридный автомобиль сочетает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания: больший коэффициент полезного действия электромобилей и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.

По методу подключения накопителя и двигателей к приводу гибридные установки имеют следующие схемы:

Последовательная: по сути, является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель — только с колёсами (Рис. 2). Пример: Chevrolet Volt.

Рис. 2. Гибридный автомобиль, построенный по последовательной схеме
 

Параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность как их работы по отдельности, так и совместно (Рис. 3). Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.
 

Рис. 3. Гибридный автомобиль, построенный по параллельной схеме

Последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами (Рис. 4). Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius (Рис. 5).

Рис. 4. Планетарный редуктор

Рис. 5. Toyota Prius

В качестве промежуточного накопителя, помимо аккумуляторных батарей, также могут использоваться батареи конденсаторов и ионисторы (суперконденсаторы). В случае применения накопителя энергии значительной ёмкости гибридный автомобиль имеет возможность двигаться без включения двигателя внутреннего сгорания — в «режиме электромобиля» (Chevrolet Volt). В случае, если зарядка накопителя может производиться не только от основного двигателя, но и от электрической сети, говорят о «подключаемом гибриде» (англ. Plug-in Hybrid) (Рис. 6).

Рис. 6. Автомобиль, построенный по схеме Plug-in Hybrid
 

Преимущества и недостатки гибридных автомобилей

Преимущества

Главное преимущество гибридных автомобилей — это пониженное потребление топлива. Поскольку во время разгона машина вовсе не потребляет бензина, то в городском цикле экономия топлива составляет 25-35%. На одном только электроприводе гибрид эконом-класса может проехать до 80 км, а разогнаться — до 50—60 км/ч. Такие показатели позволяют уменьшить почти на треть количество заездов на заправку. В режиме загородной трассы этот показатель достигает половины заездов. А это, помимо значительной экономии топлива, приводит к сокращению времени в пути. К примеру, на одном 45-литровом баке гибридной Toyota Prius можно проехать до 1000 км.

Во-вторых, за счет того, что в авто, по сути, два двигателя, для достижения мощности негибридного аналога достаточно установить менее мощный бензиновый мотор. Как правило, экономия достигает 30—50% от мощностей традиционной модификации. Например, мощность двухлитрового автомобиля достигается в гибриде за счет работы 1,5-литрового мотора на пару с электродвигателем, коэффициент полезного действия которого составляет 90—95%. Сумма этих факторов приводит к тому, что гибридный среднеклассник потребляет не более 5—6 л/100 км в городском режиме, в то время как его негибридный собрат выходит в среднем на 11—12 л/100 км. Естественно, снижение потребления влечет за собой уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу. Гибриды выбрасывают в атмосферу на 90% меньше сажи и углеводородов, а оксидов азота — на 50%. Но подобный эффект достигается только при “среднестатистической” эксплуатации автомобиля, то есть на скорости не выше 70—80 км/ч в городском режиме и не более 120—130 км/ч — на трассе.

Еще одно преимущество, связанное с экологией, состоит в том, что во время простоя в пробке автомобиль вообще не генерирует выхлопов за счет работы от аккумуляторной батареи. Электродвигатель обеспечивает мгновенный запуск и остановку, не имеет необходимости в холостом ходе, что дает еще одно важное преимущество — отсутствие механизма сцепления. В теории такой механизм вовсе может быть размещен непосредственно в колесе. И такие разработки уже существуют. Кроме того, на обогрев салона не тратится ресурс традиционного для негибридных авто отопителя салона, работающего на том же топливе, что и ДВС.

Недостатки

Основным недостатком гибридов сегодня, при всех выгодах и будущих экономиях, является их цена. В сравнении с аналогами “экологические” машины стоят на 15—20% дороже. Окупить эту разницу за счет экономии на топливе можно лишь за четыре-семь лет в зависимости от мощности (и, соответственно, “прожорливости”) двигателя и интенсивности эксплуатации. Поэтому наиболее развитыми сегментами гибридных автомобилей являются бизнес-класс и люкс. Чем экономичнее гибрид, тем он дороже. Ведь чтобы сдерживать “прожорливость” ДВС как можно эффективнее, нужны более крупные батареи. А именно их цена — главная составляющая стоимости данных автомобилей.

Второй пункт, на который пока не очень обращают внимание, но который может остро встать на повестке дня уже через несколько лет интенсивной эксплуатации гибридов, — утилизация аккумуляторов. Батареи рано или поздно изнашивают свой ресурс перезарядов. Конечно, сегодняшние несколько десятков тысяч возможных “паспортных” перезарядок (около 100 000 км пробега) не идут ни в какое сравнение с несколькими сотнями, которыми обладали первые серийные батареи каких-то 15 лет назад. Однако даже такие долговечные аккумуляторы все равно когда-нибудь нужно будет утилизировать.

Среди бытовых “неурядиц”, которые сулят гибридным авто, — потенциальная невозможность работать в условиях сравнительно суровой зимы. Дескать, если температура будет ниже -15С, машина откажется заводиться. Впрочем, практическая эксплуатация показала, что максимальным неудобством, которое может принести зимняя погода, для гибрида является увеличение расхода топлива, что в принципе характерно и для обычного автомобиля.
 

Гибриды в автоспорте

Гибридные двигатели уже сегодня могут составить конкуренцию бензиновым «монстрам». Тенденция налицо — в последние несколько лет было представлено сразу несколько гибридных суперкаров, подходящих по классу для выступления в гонках на выживание.

Наиболее известны среди них McLaren P1 (Рис. 7), Porsche 918 и LaFerrari — сейчас они существуют в ограниченном серийном производстве, но их спортивные версии хоть сегодня могут быть допущены к соревнованиям в Ле-Мане или подобным. 
 

Рис. 7. McLaren P1

Наилучшие перспективы, видимо, у McLaren P1 — недаром машину разрабатывало гоночное подразделение компании с полноценным использованием формульных технологий. Например, P1 оборудован системой DRS — меняющим конфигурацию задним антикрылом, позволяющим мгновенно повышать коэффициент аэродинамического сопротивления при торможении или прижимную силу при разгоне. Наглядный пример непосредственного перехода технологии из гонок в реальную жизнь.

В остальном три болида имеют целый ряд схожих черт, на основе которых можно составить картину гонок на выживание… скажем, 2020 года. Силовой агрегат — бензиновый турбодвигатель V8 или V12 в сочетании с электромотором и аккумуляторным блоком. При сложении мощности основного и электрического двигателей суммарная мощность суперкара такого класса достигает порядка 900 л. с. (из них до 800 л. с. — доля бензинового агрегата).

При столь серьезных показателях гибридные суперкары значительно экономичнее своих бензиновых собратьев (Porsche 918, по официальному заявлению, тратит до 3,5 л на 100 км). На LaFerrari установлена система KERS, аналогичная «формульной» и дающая двигателю дополнительную мощность (Рис. 8), а на McLaren P1 — система рекуперативного торможения, подзаряжающая аккумуляторы, когда автомобиль тормозит.


 

Рис. 8. Система KERS, установленная на болиде Формулы 1. Кинетическая энергия поступает с ведущей оси в коробку передач, оттуда - через двигатель к мотору-генератору. Энергия преобразовывается в электричество, которое заряжает батарею системы KERS

Гибридные суперкары в ближайшее время станут флагманами большинства компаний, производящих спортивные автомобили, и уже оттуда «переберутся» в многочасовые гонки-марафоны.

Внешне автомобили — как с открытыми колесами, так и кузовные — будут изменяться постепенно, в соответствии с общими тенденциями в мировом автомобилестроении. При этом внутри каждой отдельной серии автомобили будут унифицироваться, становясь все более и более схожими внешне.

Основные изменения коснутся силовых агрегатов. Классические бензиновые двигатели постепенно уступят место гибридным и электрическим. Тем не менее, вряд ли автоспорт через 20−25 лет будет коренным, революционным образом отличаться от сегодняшнего. 

Судя по последним тенденциям, перспективное будущее ожидает дизельные спорткары. Тренд задала компания Audi, решившаяся выставить на «24 часа Ле-Мана» 2006 года дизельный автомобиль Audi R10 TDI и одержавшая блестящую победу. С тех пор в Ле-Мане выигрывали исключительно дизельные спортпрототипы - Audi R10 TDI (2006−2008), Peugeot 908 HDi FAP (2009), Audi R15 TDI plus (2010), Audi R18 TDI (2011) и Audi R18 e-tron quattro (2012−2013). 

Причем последний автомобиль оснащен ко всему прочему маховиковой системой рекуперации энергии (Рис. 9).  

Рис. 9. Система рекуперации энергии Audi R18 e-tron Quattro 

Audi R18 e-tron Quattro (Рис. 10) является примером грамотно спроектированной гибридной машины. E-tron появился в 2012 году. И с тех пор, гибридный прототип Audi уже трижды выигрывал гонку 24 часа Ле-Мана и дважды становился чемпионом серии World Endurance Championship (WEC). 

Рис. 10. Audi R18 e-tron Quattro. Марафон 24 Часа Ле-Мана

Альтернативное топливо

Еще одно направление развития автомобильных технологий — авто, работающие на водороде (Рис. 11). Водородный двигатель безвреден для окружающей среды, так как в результате химической реакции как “побочный продукт” образуется простая вода. Происходят такие реакции в топливных камерах — керамических ячейках. Каждая из них перегорожена на две секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую — водород. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту энергию можно использовать для питания электродвигателя. 

Рис. 11. Схема автомобиля Honda FCX Calrity, использующего водород в качестве топлива
 

Существенными препятствиями для достижения массовости данной технологии являются дороговизна платины, применяемой в качестве катализатора топливных элементов, и недостаточная мощность топливных элементов для работы в современных моделях автомобилей. Другой подвид — машины с двигателем внутреннего сгорания на водороде. Преимущество такого ДВС в том, что он обладает более широким по сравнению с бензином диапазоном пропорций смешивания с воздухом, при которых еще возможен поджиг смеси. Водород полнее сгорает в сравнении с бензином. Некоторым экспериментальным моделям килограмма водорода достаточно для преодоления 300 км. Такое авто разгоняется до скорости 48 км/ч всего за 5,5 сек. Максимальная скорость — чуть более 80 км/ч. Основной недостаток водорода как топлива — его высокая цена. Также, при хранении водорода, должны выполняться определенные условия. Водород должен храниться в баке под высоким давлением либо в жидком виде, но при сверхнизких (менее -253С) температурах. Соответственно, в первом случае нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором — сильная теплоизоляция. Первый вариант более опасен, но водород может храниться долго. Во втором случае безопасность выше, но топливо будет постепенно нагреваться и растворяться в атмосфере. Автомобили, работающие на водороде: Honda (FCX Clarity (Рис. 12), продажи с 2009 г.), BMW (Hydrogen, 7100 экземпляров для известных людей), General Motors (Chevrolet Volt, продажи с осени 2010 г.), Mazda.

Рис. 12. Honda FCX Clarity

 

 

Источники:

  1. http://en.wikipedia.org
  2. http://www.popmech.ru/adrenalin/14594-avtosport-budushchego-blizhe-k-prirode/#full
  3. http://www.biauto.ru/history.shtml
  4. http://www.1gai.ru/publ/510779-gibridnye-i-elektricheskie-avtomobili-kratkaya-istoriya.html

 

Просмотров: 2746 | Добавил: savagexl | Теги: гибрид, гибридная установка | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]