Принцип работы гибридного двигателя автомобиля

Тип

Гибридный двигатель имеет несколько источников энергии: бензиновый и электрический моторы. Оба агрегата приводят автомобиль в движение по отдельности или совместно. Разработано несколько видов гибридных конструкций, и каждая реализует в себе главное преимущество перед «обычными» моторами — топливную экономичность. А значит, и в возможность достичь высоких экологических требований к транспорту.

Гибридный двигатель

История гибридных двигателей

Гибридные силовые установки были известные ещё в 19 веке. Изобретателем первого гибрида, работающего на электроэнергии, стал Роберт Андерсон. Однако, патент на систему получил Генри Пайпер в 1905 году. В этом же направлении работал Фердинанд Порше. Серийными производителями гибридных моторов были французская компания Parisienne des Voitures Electriques, американская корпорация General Electric, бельгийская Pieper.

Гибридный автомобиль Порше 1901 года

Бурного развития технология гибридов в начале 20 века не получила по нескольким причинам:

  • низкая стоимость топлива;
  • нерентабельность по сравнению с бензиновым ДВС.

К концу 20 века рост на энергоносители и ужесточение экологических стандартов заставили автопроизводителей возвратиться к разработкам эффективных моторов. Изначально в гонку включились VW, Mercedes, GM, Audi, но до серийного производства гибридных автомобилей так и не дошли, перейдя в другие сферы разработок. Первым удачным автомобилем с гибридным двигателем стал Toyota Prius 1997 года. За год компания смогла продать 25 000 моделей. Вторым популярным гибридом на рынке стал Honda Insight.

Honda Insight.

После Приуса, Тойота наладила серийный выпуск моделей: Hybrid Harrier, Highlander, Estima Hybrid, Crown, Camry Hybrid, Lexus RX. Среди разработок Хонда с гибридной установкой известны Accord Hybrid и Civic Hybrid. Единичные автомобили встречаются у Форда, Ауди, Мазды, Рено, БМВ, Ниссан, Хёндай.

Поговорим подробнее, что значит машина-гибрид. Рассмотрим устройство, принцип работы, в чём плюсы и минусы гибридных установок.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Принцип работы гибридных двигателей основан на комбинировании возможностей ДВС и электромотора. Бензиновый агрегат развивает максимальный крутящий момент на высоких оборотах, в то время, как электрический двигатель — на низких. Объединение установок позволяет исключить из конструкции механизмы преобразования механической энергии, увеличить КПД силового агрегата и снизить расход топлива.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Полная конструкция

Автомобиль с гибридным мотором устроен иначе, чем привычные машины с ДВС. Здесь под днищем находятся:

  • двигатель внутреннего сгорания;
  • один или несколько электрических моторов;
  • блок аккумуляторных батарей.
  • для управления и преобразования энергии установлен электронный блок с инвертором.

Конструкция гибридного автомобиля

Источником энергии в гибридном двигателе служит ДВС, работающий на бензине или дизеле. Мощность, преобразованная генератором, запускает тяговый электродвигатель и заряжает аккумуляторные батареи. Именно от блока аккумуляторов электромотор получает дополнительное питание, если не будет хватать энергии генератора.

Похожая статья  Технические характеристики двигателя Мерседес OM 612

Инвертор преобразует постоянный ток высоковольтного аккумулятора в 3-фазный переменный ток большего напряжения. Энергия используется для:

  • управления электромотором;
  • обратной конвертации тока с генератора для подзарядки батареи;
  • питания бортовой электросети.

Конструктивно инвертор представляет собой корпус с набором электронных плат и транзисторными сборками.

ИнверторПлата инвертора гибридной установки

Общий принцип работы гибридного автомобиля рассмотрим далее.

Функционирование двигателя

Режим совместной работы ДВС и электромотора зависит от конструктивного устройства гибридного силового агрегата и режима движения автомобиля. Так, в начале движения бензиновый двигатель не всегда нужно запускать. Машина тронется за счёт работы электрического мотора, питающегося от батареи.

Функционирование двигателя

Большая ёмкость аккумулятора с возможностью внешней подзарядки может сократить потребление бензина до нуля, если суточный пробег автомобиля короткий.

Электромотор поддерживает работу автомобиля на холостом ходу: при стоянке на светофоре, временной остановке. В это время ДВС отключен, до те пор, пока хватает мощности электротяги. Обычно бензиновый мотор подключается на скорости 60км/ч. При больших нагрузках, например, для заезда в горку, понадобится двойное усилие обоих агрегатов. В таком режиме автомобиль сможет проехать более 500 км.

Отличительно, как работает гибридный двигатель во время торможения. Тормозная система привычного автомобиля с ДВС преобразует кинетическую энергию в тепловую, рассеивая её в воздухе. Гибриды оснащены системой рекуперации, т.е. возвращения. При замедлении движения электромотор переключается в режим генератора, отдавая электрическую энергию в аккумуляторную батарею.

Типы гибридных агрегатов

Гибридные двигатели различаются по типу применения и компоновочной схеме. По первому критерию гибриды делятся на микрогибриды, умеренные гибриды и полные гибриды. Более подробно о них поговорим ниже.

Применение разных компоновочных систем гибридных двигателей отражает уровень развития гибридизации, суть которой заключается в желании производителей перевести автомобиль на альтернативный источник энергии. Наиболее прогрессивными в плане разработок являются компании Тойота, БМВ, Хёндай, Вольво.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Конструктивная схема гибридного двигателя выбирается исходя из проектных характеристик автомобиля: требуемой мощности, скорости разгона, расхода топлива и т.д. Различают последовательную, параллельную и комбинированную схемы.

Последовательная схема

Гибридная система автомобиля с последовательной компоновкой была придумана Порше в 1899 году. Схема включает в себя ДВС с генератором, тяговый электродвигатель и аккумуляторные батареи. По этой схеме двигатель внутреннего сгорания запускает генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую, питая электрический мотор. В свою очередь электродвигатель воздействует на ведущие колёса, приводя машину в движение.

Последовательная схема

Большая ёмкость аккумуляторов позволяет автомобилю в некоторых режимах работать только на электрической энергии, при выключенном ДВС. Батареи заряжаются от генератора, когда потребляемая мощность электромотора невысока, например, во время размеренного движения. Однако, в режиме ускорения мощности генератора может не хватать, и тогда недостаток энергии компенсирует аккумулятор.

Последовательная схема гибридного двигателя хороша тем, что ёмкая АКБ позволяет устанавливать ДВС меньших габаритов и меньшего веса. Более простая конструкция расходует меньше топлива и требует меньших затрат на обслуживание.

Электрический мотор вращается в любом направлении, что позволяет упростить конструкцию автомобиля, убрав сцепление и коробку передач. А при установке электродвигателей с редуктором в ведущие колёса, можно обойтись и без дифференциала. Подобная схема встречается на карьерных самосвалах БелАЗ и городских автобусах ЗИЛ. В легковых автомобилях встречается редко.

Похожая статья  Технические характеристики двигателя Beams 1G FE

Параллельная схема

Гибридные двигатели с параллельной системой могут приводить автомобиль в движении от ДВС, тягового электромотора или их совместной работы. Часто электрический двигатель устанавливают вместо маховика, используя электромотор в качестве генератора и стартера для трогания и остановки автомобиля. Аккумуляторные батареи подзаряжаются во время рекуперативного торможения.

Параллельная схема

Параллельная схема подходит для автомобилей небольшой мощности. За счёт использования малоёмких батарей снижается вес и начальная стоимость машины. Подобная конструкция встречается в моделях Honda Insight, BMW 7 ActiveHybrid.

Последовательно-параллельная схема

По сути данная схема представляет собой доработку параллельной. Особенность гибридных двигателей с последовательно-параллельной системой — наличие делителя мощности в трансмиссии. Энергия ДВС разделяется на 2 потока в соответствии с режимом движения автомобиля. Часть мощности переходит к ведущим колёсам, другая — к накопителю электрической энергии.

Последовательно-параллельная схема

Для реализации подобной компоновки необходим менее мощный ДВС, но с высокой эффективностью. Например, двигатель, работающий по циклу Аткинсона с коротким тактом сжатия. По такой схеме построены Toyota Prius и Lexus RX.

https://www.youtube.com/watch?v=k1nG8PkP28E&feature=youtu.be

Классификация по степени электрификации

Разбираясь в особенностях гибридных двигателей, поговорим и о различном применении электромоторов. Степень электрификации машины указывает на возможности электрической установки. В одном случае, она идёт как приложение, в другом — позволяет полноценно передвигаться на электротяге. Чтобы понять насколько прогресс ушёл вперёд, рассмотрим этапы электрификации последовательно.

Микрогибрид

Двигатель-микрогибрид представляет собой простейшую форму гибридизации. Автомобиль оснащается системой «Старт-Стоп», в которой электрическая установка используется, как стартер и генератор, но не передаёт энергию колёсам. Во время работы машины на холостом ходу блок управления глушит бензиновый двигатель, позволяя сэкономить топливо. В среднем расход в городе снижается на 10%.

Работа системы Старт-стоп

Энергия, сохранённая от рекуперативного торможения, питает систему «Старт-Стоп» и бортовые устройства.

В силовую установку микрогибрида устанавливают штатную коробку передач с импульсным масляным насосом. В режиме «Старт-Стоп», пока двигатель не работает, необходимо сохранить элементы переключения включенными. Насос поддерживает давление масла в каналах КПП, чтобы после запуска двигателя, автомобиль был готов ехать спустя 0,3 с.

Мягкий гибрид

Термин «мягкий» или «умеренный» гибрид означает, что электромотор используется в автомобилях как лёгкая «поддержка» ДВС. Основную работу в режиме ускорения и штатного движения выполняет бензиновый двигатель. Суть использования электрической установки — помощь при трогании и ускорении автомобиля, а также для подзарядки батареи во время торможения. Мощность электродвигателя не превышает 50 кВт.

Похожая статья  Характеристики двигателя Тойота Королла

Гибридный силовой агрегат Лексус

К гибридам подобного действия относятся: BMW 7 ActiveHybrid, Honda Civic Hybrid, Suzuki Smart Hybrid, Mercedes S 400 Hybrid.

Полный гибрид

Полноценный гибридный автомобиль способен работать на одном тяговом электромоторе при выключенном ДВС. Электрический двигатель заменяет сцепление, работает как генератор для заряда аккумуляторных батарей, в том числе в режиме рекуперативного торможения. В отличие от умеренного гибрида, здесь применяется электромотор мощностью 60 — 250 кВт.

BMW_X6_ActiveHybrid_

Принцип полного гибрида реализован в Audi A1 и BMW X6 ActiveHybrid. В такие гибриды устанавливают мощные литий-ионные аккумуляторные батареи. Однако, при ёмкости в 12кВт/ч, накопитель электроэнергии сможет обеспечить пробег автомобиля не более 60 км. При низком уровне заряда ДВС подключается автоматически, но чтобы снизить потребление топлива и увеличить пробег электрического мотора, инженеры разработали Plung-In.

Гибриды плагины

Plung-In или гибрид-плагин по принципу работы схож с полным гибридом. Разница заключается в возможности подзарядки аккумулятора от внешней сети. Расстояние, которое может проехать машина на одной электрической тяге, характеризуется показателем PHEV.

Toyota Prius

Гибрид Мерседес

Чтобы превратить гибридный двигатель в Plung-In, необходимо поставить дополнительное оборудование: зарядное устройство, дополнительный блок управления и блок батарей. Розетка для заряда располагается возле лючка для заправки топливного бака. Для подпитки батареи можно использовать домашнюю электросеть, учитывая рекомендации производителя.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Разобравшись, как работает гибридный автомобиль, подведём итог в виде объективной оценки. Сведём плюсы и минусы гибридного двигателя в таблицу.

Преимущества

Недостатки

1.   Высокий КПД за счёт использования крутящего момента от ДВС при любых нагрузках 1. Мало специалистов по ремонту и обслуживанию гибридов
2.   Экономия бензина в городе 10 — 30%  2. Высокая стоимость аккумуляторных батарей. При выходе из строя одного элемента приходится менять весь блок в сборе. Проблема с утилизацией
3.   Энергия торможения рекупируется в электрическую энергию 3. Наличие большого количества электроники. Сложность с запчастями. Дорогой ремонт.
4.   Использование ДВС меньшей мощности и габаритов. Возможность отказаться от сцепления и КПП 4. Недостаточное количество станций для подзарядки аккумуляторов. Малый пробег на одной электротяге
5.   Надёжный запуск зимой 5. Плохая маневренность
6.   Снижение токсичных выхлопов 6. Из-за холодов батареи быстрее выходят из строя
7.   Тихая работа 7. Бесшумная работа приводит к авариям

Заключение

Принцип работы гибридного автомобиля основан на использовании энергии бензинового и электрического двигателей. Их совместная работа позволяет достичь жёстких требований экологических стандартов, снижая расход топлива и выбросов. Инженеры постоянно совершенствуют конструкции, придумывают новые решения. Однако, не все компании видят перспективу в гибридах, концентрируясь на создании полноценных электромобилей.

автомеханик А.Зарядин
автомеханик А.Зарядин

Умею выявлять причину неисправности и дефекта, как трансмиссии так и самого двигателя. Обладаю достаточным опытом и объемом знаний в ремонте силовых агрегатов всевозможных марок и моделей автотранспортных средств.

Оцените автора
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Двигатель
Adblock
detector