К сожалению, невозможно полностью избавиться от светофоров, пробок и нерегулируемых перекрестков. Это означает, что автомобили будут продолжать разгоняться и тормозить. Поэтому идея накопления кинетической энергии, которая в противном случае теряется в виде тепла и износа тормозов, становится все более актуальной.
Следует отметить, что БМВ-118d не является полноценным гибридом, хотя он и может накапливать энергию в аккумуляторе во время выбега.
ULTRA LIGHTS
«Ультралегкие» гибриды – это концепция, предложенная автором. Формально, автомобиль, который не использует электродвигатель для движения, не должен называться гибридом. Тем не менее, я настаиваю на использовании этого термина, поскольку такие машины способны накапливать кинетическую энергию, пусть и для других целей. Подобные системы применяются в современных моделях БМВ и «Ауди».
Умный генератор производит электричество во время торможения и снимает нагрузку с мотора при разгонах. В условиях равномерного движения его работа зависит от количества потребителей и уровня зарядки батареи.
Принцип работы довольно прост: генератор забирает мощность у мотора, что позволяет оптимизировать его работу, уменьшая нагрузку во время разгона и увеличивая её при торможении. При равномерном движении все зависит от текущего баланса потребителей: если их немного, то батареи хватает. Как только заряд падает ниже определенного уровня, генератор снова включается. Для этого требуется продвинутое управление зарядкой, которое учитывает множество факторов, недоступных простому реле-регулятору, использующемуся в автомобилях уже более полувека. Результат, впервые продемонстрированный БМВ в рамках концепции эффективной динамики, – это снижение расхода топлива на 0,2–0,3 л/100 км и небольшое улучшение разгона.
В настоящее время такие устройства используются в моделях БМВ 1-й и 3-й серий, а также в экологически чистых дизельных «Ауди» с индексом «е». Однако это только начало. Интеллектуальное управление зарядом батареи также необходимо для систем «старт-стоп», что уже реализовано в 4-цилиндровых БМВ с механическими трансмиссиями.
«Лексус-LS 600h» является одним из самых технически сложных гибридов. Он оснащен 8-цилиндровым бензиновым двигателем с непосредственным впрыском и полным приводом. К 290 кВт и 520 Н·м бензинового мотора добавляются 165 кВт и 300 Н·м электрического.
«Легкие» гибриды представляют собой попытку преобразовать обычный автомобиль в гибрид с минимальными затратами. Как и любой компромисс, они имеют свои недостатки, главным из которых является неспособность передвигаться исключительно на электротяге. Тем не менее, положительные аспекты перевешивают отрицательные: заметное снижение расхода топлива в городских условиях и улучшение динамики разгона (в первую очередь это касается так называемого rolling start и эластичности). Реальный выигрыш может превышать 20%.
Основные компоненты гибридного автомобиля «Мерседес-Бенц S400 BlueHYBRID».
Легкий гибрид можно распознать по небольшой мощности электродвигателя, обычно не превышающей 20 кВт. Наиболее успешным коммерческим примером является «Хонда-Сивик Гибрид», который внешне почти не отличается от стандартного «Сивика». Первое поколение этих автомобилей появилось в 2003 году. Под капотом 1,8-литровый бензиновый двигатель был заменен на 1,3-литровый с 15-киловаттным электрическим помощником. Электродвигатель, расположенный между мотором и коробкой передач, помогал при разгоне и работал как генератор, заряжая никель-металлгидридную батарею напряжением 156 В. Второе поколение, выпускаемое с 2006 года, получило вариатор и новую систему регулирования фаз газораспределения i-VTEC, которая полностью закрывает клапаны неработающего мотора, уменьшая насосные потери и торможение двигателем. Таким образом, гибридный «Сивик» стал единственным легким гибридом, способным передвигаться на чистой электротяге.
2-Mode Hybrid – это вариант, предполагающий использование двух электромоторов по 22 кВт и планетарного делителя. Основные объекты – полноразмерные внедорожники и пикапы «Дженерал моторс».
Гибридизация от Continental позволяет полностью интегрироваться в моторный отсек. Литий-ионная батарея отлично помещается на месте обычного свинцово-кислотного аккумулятора.
Похожую схему выбрал «Мерседес-Бенц», который в этом году планирует представить гибридный автомобиль на базе S-класса. На «Мерседес-Бенце S 400 BlueHYBRID» электромотор мощностью всего 20 кВт установлен между бензиновым двигателем и 7-ступенчатым гидромеханическим автоматом. Хотя «Мерседес» не может передвигаться на электротяге, он оснащен электрическим компрессором кондиционера, что позволяет сохранить комфорт в пробках или на светофоре, когда бензиновый мотор отключен.
Устройство «Лексуса-LS 600h»: 1 – управляющий блок (PSU); 2 – бензиновый двигатель V8 объемом 5 л; 3 – гибридная трансмиссия; 4 – двухступенчатый редуктор; 5 – никель-металлгидридная батарея, 288 В; 6 – электронно-управляемая тормозная система с функцией регенерации.
Выигрыш в динамике может показаться незначительным на первый взгляд. Несмотря на то что электродвигатель развивает всего 20 кВт, его крутящий момент достигает 160 Н·м, что составляет более половины от мощности бензинового мотора. Соответственно, его вклад в динамику заметен, особенно при разгонах с малых скоростей или обгонах в диапазоне 60–120 км/ч. Однако старт с места практически не изменяется – с гидромеханической трансмиссией крутящий момент бензинового двигателя усиливается гидротрансформатором.
Полноценные, или «тяжелые», гибриды могут передвигаться, используя как бензиновый, так и электрический двигатели, а также их комбинацию в любых пропорциях. Эти автомобили сегодня лучше всего представлены марками «Тойота» и «Лексус». Благодаря усилиям крупнейшего производителя автомобилей и японской корпорации «Айсин» (агрегаты трансмиссии) была разработана одна из самых удачных схем. Двигатель автомобиля приводит в действие генератор, который занимает место традиционной коробки передач в трансмиссионном агрегате. Однако они не соединены жестко, а через планетарный делитель, который позволяет мотору выбирать – вращать колеса или генератор. Он также отвечает за запуск двигателя на ходу, временно замыкая трансмиссию.
Модуль гибридной трансмиссии компании Aisin для полноприводного автомобиля: 1 – генератор; 2 – планетарный делитель; 3 – электродвигатель; 4 – двухступенчатый планетарный редуктор; 5 – межосевой дифференциал повышенного трения Torsen.
Далее располагается электродвигатель и еще один планетарный редуктор, который функционирует как двухступенчатая коробка передач, изменяя передаточное число между электродвигателем и трансмиссией. Оказывается, двух передач (1,9:1 и 3,9:1) достаточно для эффективной работы привода на всех скоростях. У автомобиля нет привычной коробки передач – суммарный крутящий момент бензинового мотора и электродвигателя позволяет обходиться всего двумя ступенями.
Гибридный «Шевроле-Тахо» может передвигаться на электротяге. Справа под капотом находится инвертор, который преобразует ток для управления тяговыми электромоторами. Под задним сиденьем расположена никель-металлгидридная батарея.
В режиме Hybrid выбор делается в пользу наиболее экономичного передвижения. Режим Power предполагает максимальное использование электродвигателя как «бустера», улучшающего динамику автомобиля. Зимний режим Snow вводит ограничения по крутящему и тормозному моментам для достижения максимального сцепления с дорогой. Спортивный режим трансмиссии «Лексуса-LS600h» предлагает восемь уровней торможения двигателем и, соответственно, скорости и интенсивности реакции на педаль газа, имитируя работу 8-ступенчатой автоматической трансмиссии. При обычном разгоне автомобиль начинает движение только за счет электродвигателя, а бензиновый мотор подключается по мере необходимости.
Помните прибор под названием «эконометр»? Вот его современное воплощение в «Лексусе-LS 600h». Стрелка показывает зарядку, разрядку или экономичную езду, при которой «гибридность» не используется.
Литий-ионная батарея заключена в прочный стальной корпус. Это необходимо, поскольку высокая концентрация энергии в небольшом объеме может привести к короткому замыканию и взрыву.
Современные гибриды невозможно представить без эффективных аккумуляторов. Литий-ионные батареи являются наилучшим решением на сегодняшний день. Хотя технологии компактных пластинчатых элементов пока доступны лишь немногим. Этот элемент был изготовлен на опытном производстве «Ниссан».
Система, используемая компанией «Дженерал моторс» на гибридном внедорожнике «Шевроле-Тахо», несколько отличается: в ней отсутствует вторая планетарная передача, но вместо одного электромотора используются два по 22 кВт. Этого достаточно, чтобы бензиновый двигатель обходился без традиционной коробки передач, а автомобиль мог передвигаться исключительно на электротяге. Название 2-Mode Hybrid Transmission подразумевает два режима работы. В первом, при минимальных скоростях и нагрузках, в зависимости от состояния аккумуляторов, можно двигаться как за счет электродвигателей, так и с помощью бензинового 5,3-литрового мотора. Второй режим предназначен для движения на высокой скорости по шоссе: он исключает влияние электродвигателей, что повышает КПД трансмиссии и снижает расход бензина. Более того, при благоприятных условиях автоматика отключает четыре из восьми цилиндров мотора. В таком режиме «Шевроле-Тахо» способен проехать 22 мили на галлоне бензина, что соответствует примерно 10,7 л/100 км. Неплохой результат для автомобиля такого размера!
FULL FLAVOUR
Эти устройства называют range extender (в буквальном переводе – удлинитель). Однако речь идет пока о прототипах, которые не подтверждают заявленных характеристик. Гибриды такого типа по сути являются электромобилями, оснащенными вспомогательным бензиновым или дизельным двигателем.
Шасси раннего образца «Шевроле-Вольт» сочетает в себе бензиновый двигатель (вероятно, «Опель-ЭКОТЕК» объемом 1,4 литра с турбонаддувом), литий-ионную батарею, размещенную в трансмиссионном тоннеле, и электродвигатель переменного тока с инверторной системой управления.
Силовой агрегат прототипа для «легкого» гибрида от «Дженерал моторс» отличается от традиционного двигателя наличием мощного стартер-генератора с системой жидкостного охлаждения. Этот агрегат способен поддерживать бензиновый двигатель при старте и ускорении.
Ключевое отличие в использовании заключается в том, что ежедневная подзарядка от электросети является крайне желательной. Основной режим работы «бензоудлинителя» – городской. При запасе хода более 100 км в повседневных поездках по городу нет необходимости в использовании двигателя внутреннего сгорания. Если же электрическая энергия иссякнет, бензиновый мотор сможет обеспечить комфортное передвижение до ближайшей зарядной станции. Его задача заключается не в зарядке аккумуляторов, а в поддержании уровня заряда на уровне около 30%. Хотя КПД не слишком высок, предполагается, что использование бензинового двигателя будет скорее исключением, чем правилом. Механическая связь с колесами у этого гибрида отсутствует, что лишает его одного из главных преимуществ гибридной трансмиссии – улучшения динамических характеристик за счет совместной работы электродвигателя и ДВС.
Первым серийным автомобилем в этом сегменте должен стать «Шевроле-Вольт», производство которого планируется начать в 2010 году.
Таким образом, серийный «Шевроле-Вольт» станет первым гибридом класса range extender, если производство начнется в соответствии с графиком в 2010 году.
О ВРЕДЕ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ
Какой из подходов к гибридному приводу окажется более успешным? Точного ответа нет. Вероятно, «бензоудлинители» будут востребованы в Северной Америке, где цены на электроэнергию низкие, а на бензин – высокие. Гибриды аналогичного типа также планирует производить «Мерседес-Бенц», чья компоновка компактных моделей была разработана с учетом этого направления еще много лет назад.
Компания «Тойота» под руководством президента Кацуаки Ватанабе подтвердила намерение запустить в серийное производство подзаряжаемого (Plug-in) гибрида с литий-ионными батареями в 2010 году. В то же время технология отрабатывается на втором поколении «Тойота-Приус».
Тем не менее, более вероятно, что сотрудничество «Тойоты» и «Айсина» окажется более успешным, и им удастся постепенно увеличивать долю электрической энергии в гибридных трансмиссиях. Прототип «Тойота-Приус» с возможностью подзарядки уже способен проехать на электротяге 10 км в городских условиях. Для полной зарядки батарей от сети 220 В требуется менее двух часов. Автомобиль третьего поколения с литий-ионными аккумуляторами сможет продемонстрировать значительно лучшие результаты. Подзарядка от внешнего источника позволяет превратить аккумуляторы из сомнительного накопителя кинетической энергии в реальный «топливный бак» (хотя и значительно уступающий бензиновому).
Единственный остающийся вопрос – это цена на бензин. Настоящий кризис оказался экономическим, а не связанным с топливом. Когда стоимость топлива снижается, дорогостоящие программы по разработке гибридных трансмиссий и силовых установок могут серьезно повредить финансовому состоянию автопроизводителей.
В заключение, стоит отметить, что гибридные технологии продолжают развиваться, и производители автомобилей активно работают над улучшением эффективности и надежности своих систем. В будущем можно ожидать появления новых решений, которые сделают гибридные автомобили еще более привлекательными для потребителей, а также помогут сократить выбросы углекислого газа и снизить зависимость от ископаемых видов топлива.
Преимущества и недостатки гибридных автомобилей
Преимущества:
Гибридные автомобили предлагают значительное снижение расхода топлива. В среднем, они могут потреблять на 20-50% меньше топлива по сравнению с традиционными моделями. Это связано с тем, что они используют как двигатель внутреннего сгорания, так и электрический мотор, что позволяет оптимизировать расход энергии в зависимости от условий движения.
Экологические преимущества также очевидны. Снижение выбросов углекислого газа и других вредных веществ делает такие транспортные средства более дружелюбными к окружающей среде. Например, некоторые модели могут выделять до 50% меньше CO2 по сравнению с обычными автомобилями.
Дополнительным плюсом является возможность использования рекуперативного торможения. Эта технология позволяет преобразовывать кинетическую энергию в электрическую, что увеличивает общую эффективность и продлевает срок службы аккумуляторов.
Недостатки:
Одним из основных недостатков является высокая стоимость. Гибридные автомобили часто стоят дороже своих бензиновых аналогов, что может отпугнуть потенциальных покупателей. Это связано с более сложной технологией и компонентами, такими как аккумуляторы и электродвигатели.
Также стоит учитывать ограниченный запас хода на электротяге. Многие модели могут проехать всего 20-50 километров без использования бензинового двигателя, что может быть недостаточно для длительных поездок.
Наконец, обслуживание гибридов может быть более сложным и дорогим. Специфика технологий требует специализированного оборудования и знаний, что может привести к увеличению затрат на ремонт и техническое обслуживание.
Будущее гибридных технологий: тренды и инновации
Системы рекуперации энергии становятся все более распространенными. Они позволяют преобразовывать кинетическую энергию, возникающую при торможении, в электрическую, что увеличивает общую эффективность транспортных средств. Например, современные модели могут использовать эту энергию для подзарядки аккумуляторов, что снижает потребность в частой подзарядке от сети.
Разработка более легких и прочных материалов также играет важную роль. Использование углеродных волокон и алюминия позволяет уменьшить вес автомобилей, что, в свою очередь, повышает их экономичность и производительность. Это особенно актуально для спортивных моделей, где каждая грамм имеет значение.
Автономные технологии становятся неотъемлемой частью гибридных решений. Интеграция систем помощи водителю и автопилота позволяет улучшить безопасность и комфорт. Такие системы могут оптимизировать расход энергии, выбирая наиболее эффективные маршруты и режимы движения.
С точки зрения потребительского спроса, наблюдается рост интереса к гибридным моделям среди молодежи. Они ценят не только экономию топлива, но и экологическую ответственность. Производители должны учитывать эти предпочтения, предлагая более разнообразные и привлекательные модели.
Сравнение гибридов с традиционными бензиновыми и электрическими автомобилями
Гибридные автомобили представляют собой сочетание двух источников энергии: внутреннего сгорания и электрического привода. Это позволяет им использовать преимущества обоих типов транспортных средств. В отличие от чисто бензиновых моделей, гибриды обеспечивают более низкий расход топлива и меньшие выбросы углекислого газа. Например, некоторые современные гибриды могут достигать экономии топлива до 50% по сравнению с традиционными аналогами.
Сравнение с полностью электрическими автомобилями также показывает интересные аспекты. Электромобили не производят выбросов во время движения, что делает их более экологически чистыми. Однако их ограниченный запас хода и необходимость зарядки могут быть недостатками для пользователей, которые часто совершают длительные поездки. Гибриды, в свою очередь, могут работать на бензине, что устраняет проблемы с зарядкой и увеличивает дальность поездки.
С точки зрения стоимости, гибридные модели часто имеют более низкую цену по сравнению с электрическими автомобилями, что делает их более доступными для широкой аудитории. Однако стоит учитывать, что эксплуатационные расходы на электрические автомобили могут быть ниже благодаря меньшим затратам на электроэнергию и обслуживание.
При выборе между этими типами автомобилей важно учитывать индивидуальные потребности. Для городских поездок и коротких маршрутов электрические модели могут быть предпочтительнее. Гибриды же подойдут тем, кто часто путешествует на большие расстояния и хочет сократить расходы на топливо, не отказываясь от привычного комфорта.
