Принципы работы гибридного автомобиля

Как устроен и работает гибридный двигатель автомобиля

Главный силовой агрегат современных машин – двигатель внутреннего сгорания. Но в условиях истощения залежей нефти, роста требований к экологической чистоте топлива инженеры прибегают к новым технологиям. Полный отказ от углеводородного топлива или снижение его расхода обеспечивают электрический мотор или гибридный машинный двигатель. Последнюю деталь устанавливают на современных авто.

История гибридных двигателей

Гибридный автомобильный двигатель – это система из бензинового мотора внутреннего сгорания и электродвигателя. Впервые выпуском подобного транспорта занялся бренд Parisienne des Voitures Electriques в 1897 году. Американская компания General Electric приступила к производству гибридов с 1900 году. Инженеры корпорации создали машину с четырехцилиндровым двигателем на бензине. Абсолютно новый вид транспорта был экономически нецелесообразным по причинам низкой мощности и дешевизны топлива.

Интересно знать! Грузовики-гибриды несерийно выпускались в Чикаго до 1940-х годов.

Ввиду ухудшения экологической обстановки, подорожания топлива для ДВС идея создания смешанных силовых агрегатов стала актуальной в наше время. Серийное производство гибридов практически первыми наладил бренд Тойота. Авто Toyota Prius liftback были выпущены в 1997 году. В 1999 Хонда презентовала модель Insight. На 2014 год количество гибридов составило более 7 млн.

Принцип работы и устройство гибридных двигателей

Современные инженеры подробно объясняют, что же такое мотор-гибрид в машине. Двигатель представляет собой систему из бензиновой (дизельной) и электрической силовых установок. Для полноценной работы цепи задействуются другие узлы с компьютерным управлением.

Полная конструкция гибрида

Понять, как же работает современный гибридный автомобильный двигатель, поможет описание его устройства. Мотор состоит из:

• двигателя внутреннего сгорания. Конструкция детали разрабатывалась так, чтобы облегчить вес, минимизировать затраты топлива и количество вредных выбросов;
• электрического двигателя. Он сгенерирован с топливным баком и может вырабатывать энергию для заряда АКБ. Деталь встраивается в силовую систему или располагается отдельно. Есть модели с двумя вариантами размещения;
• трансмиссии. В зависимости от типа гибрида существуют интегрированные коробки передач, КПП с механикой или автоматическим управлением. Некоторые детали работают по принципу плавной нагрузки;
• топливного бака. Обеспечивает подачу топлива в ДВС;
• аккумуляторы. В гибридных машинах устанавливаются две батареи – высоковольтная для работы мотора и на 12 В для запитки бортовой системы. Системы запускаются от аккумулятора стандартного типа – высоковольтный и инвертор функционируют только при постоянном охлаждении;
• инвертор. Нужен для преобразования тока, идущего от высоковольтного аккумулятора в переменный трехфазный для электромотора, регулировки распределения энергии;
• генератор. Работает по принципу электрического агрегата, производит электроэнергию.

Функционирование двигателя-гибрида

Принцип бесперебойной работы современного гибридного двигателя основывается на отдельном или одновременном функционировании ДВС и электромотора. Для управления системой применяется бортовой компьютер. Прибор по режиму движения определяет вид активного силового агрегата:

• на городских дорогах требуется электродвигатель с небольшой мощностью;
• при езде на загородном шоссе задействуется топливный мотор;
• в смешанном режиме (периодические остановки и ускорения) агрегаты работают вместе.

Важно! В процессе работы ДВС происходит зарядка электрического мотора.

Схемы взаимодействия мотора и ДВС

Развитие технологии гибридных двигателей привело к реализации нескольких вариантов взаимодействия электроагрегата и стандартного мотора.

Последовательная схема

В схеме series hybrid ДВС активирует генератор, вырабатывающий энергию для запитки электрического двигателя, вращающего колеса. Последовательный автомобиль-гибрид задействует маломощный ДВС, но только в условиях максимального КПД. Модели-малолитражки выпускаются с большой АКБ.

Параллельная схема

Оснащение машины системой parallel hybrid обеспечивает вращение колес от бензинового и электрического мотора. Электрическая установка также выполняет функции стартера и генератора, располагается между коробкой передач и ДВС. Дополнительная мощность создается электродвигателем в зависимости от режима езды. Аккумуляторные батареи отличаются компактностью, заряжаются при движении машины.

Подробное описание параллельной схемы для гибридной силовой моторной установки современного автомобиля отмечает ее недостаток. Электрический двигатель не выполняет одновременное вращение колеса и зарядку батареи.

Последовательно-параллельная схема

Смешанный гибрид совмещает последовательную и параллельную схему работы. Электрические агрегаты работают как генератор, создавая электроэнергию и как мотор, создавая тягу. Для объединения двигателей используется планетарный редуктор. ДВС вырабатывает минимум мощности при цикле Аткинсона, что обеспечивает экономию топлива. Устройство параллельно-последовательной схемы и принцип для работы смешанного гибридного двигателя предполагают:

• работу в эконом-режиме. На электрической тяге ДВС выключен, запитка электромотора происходит от аккумулятора;
• поддержку скорости движения. Мощность ДВС распределяется по колесной системе и генератору. В это время выполняется одновременная запитка параллельного электроагрегата и дозарядка АКБ;
• интенсивное ускорение. При высоких нагрузках ДВС и электрическая часть функционируют параллельно. Электромотор подпитывается от батареи без утраты мощности генератором.

Важно! Наиболее эффективно принцип комбинированной тяги реализован у бренда Тойота и называется Hybrid Synergy Drive.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Транспорт с гибридной силовой установкой расходует на 30 % меньше топлива по сравнению со стандартными моделями. На этом преимущества использования гибридного автомобильного двигателя не заканчиваются:

• минимальное количество вредных выбросов за счет технологий рекуперативного торможения, наличия емкой АКБ;
• согласованность функций ДВС и электромотора;
• полезные инновации – опции стоп-старта, рециркуляции отработанных газовых смесей (подогревают тосол), изменение фазы распределения газов;
• наличие водяного насоса с электроприводом, системы климат-контроля и усиления руля, улучшенного качения покрышек;
• эффективность при работе на холостом ходу в городских условиях;
• возможность продолжительной поездки без дозарядки аккумулятора – заправляется бак;
• поддержка выбранного режима за счет компьютерного управления;
• низкий уровень шума работающего мотора.

К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:

• необходимость регулярной нагрузки на АКБ;
• батарея может разряжаться до критического состояния при низкой температуре;
• проблемы с самостоятельным ремонтом машины;
• дорогая цена запчастей, которые не всегда есть в наличии в сервисных центрах.

Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.

Типы гибридных агрегатов

Гибридный современный двигатель – экономичный и экологичный агрегат, но полностью разобраться, что же это такое, поможет обзор вариантов исполнения основной конструкции:

• микрогибридный силовой агрегат. Электрическим компонентом привода является стартер или генератор, отвечающий за функции старта и стопа. Кинетическая энергия используется по принципу рекуперации, то есть переходит в электрическую. Привода исключительно для электротяги нет. АКБ с наполнителем из стекловолокна – на 12 Вольт, адаптирована к частым стартам;
• среднегибридный силовой агрегат. Что значит в этом случае гибридный машинный двигатель? Деталь поддерживает функции ДВС, но транспорт не ездит на электротяге. Средние гибриды могут регенерировать часть кинетической энергии при торможении. Она переходит в электрическую и накапливается в АКБ. Батарея и электроузлы работают на высокой мощности. В режиме смещения точки нагрузки при помощи электрического генератора у теплового мотора повышается эффективность;
• полногибридный силовой агрегат. Высокомощный генератор интегрируется с ДВС. Есть функция движения при электрической тяге при маленькой скорости авто. Электрогенератор запитывает двигатель внутреннего сгорания с функцией старт-стоп в рабочем режиме. Высоковольтный аккумулятор заряжается в процессе рекуперации. Разделительное сцепление ДВС и электромотора обеспечивает быстрое отсоединение одной системы от другой.

Классификация по степени электрификации

В зависимости от электрификации существует несколько видов гибридных машин.

Микрогибрид

У моделей есть функции рекуперации энергии во время торможения, автоматика типа стоп-старт. Микрогибриды подразделяются на три типа:

• машины с системой старт-стоп;
• транспорт со старт-стопом и рекуперативным торможением;
• модели, объединяющие две технологии, со свинцово-кислотным AGM—аккумулятором и объединенным блоком стартера/генератора.

При экономичности топлива и экологичности, электрического воздействия на привод не происходит.

Важно! Данный транспорт нельзя назвать гибридными машинами на 100 %.

Мягкий гибрид

Что же такое мягкий двигатель типа гибрид? Электрическая силовая установка обеспечивает поддержку ДВС, работа в режиме чистого электричества не осуществляется. Рекуперация происходит только при торможении. Конструкция моделей не предусматривает маховика, на его месте находится стартер-генератор. Мягкие гибриды отличаются небольшой мощностью, которая компенсируется электрической частью только при ускорении или разгоне.

Интересно знать! Система Kinetic Energy Recovery мягкогибридных машин также используется в Формуле-1.

Полный гибрид

Электрическая часть задействуется в режиме поездок по городу, на высоких скоростях работает стандартный ДВС. Схема соединения электромотора с двигателем внутреннего сгорания реализуется последовательным, комбинированным или разветвленным способом.

Транспортное средство не заряжается от сети, а только в процессе рекуперации. При разрядке литий-ионного аккумулятора можно переключиться на ДВС.

Гибриды-плагины

Что такое plug-in и надежный ли это гибридный автомобильный двигатель? Электрическая часть осуществляет сбор энергии для заряда батареи, совместно с двигателем внутреннего сгорания обеспечивает вращение колес.

Инновационные модели двигаются при задействовании усилий двух моторов, отличаются объемной мощной батарей (от 70 до 100 лошадей). Рядом с люком бензобака расположен порт для зарядки от розетки. Особенность плагинов – преодоление расстояния до 50 км только на электрической тяге.

Привод дополнительных аксессуаров в автомобилях с полным гибридным приводом

Конструкционные доработки привода дополнительных агрегатов заключались в том, чтобы компоненты работали не от ДВС, а от электричества. Приводная часть полногибридных моделей включает следующие элементы:

• вакуумный насос электрического типа. Деталь служит для понижения давления усилителя тормоза и поддерживает подачу низкого давления при старте и остановке;
• электрогидравлический усилитель управления рулем. Используется, чтобы во время автоматической остановки двигателя рассоединить ДВС и усилитель. Технология позволяет оптимизировать топливные затраты;
• компрессорный кондиционер с электрическим приводом. Отвечает за охлаждение салона при автоостановке. Деталь обеспечивает отсоединение компрессорного привода кондиционера и ДВС. Электрокомпрессор всасывает, сжимает фреоновый газ и направляет его в систему для прокачки;
• электроблок управления кондиционером. Регулирует температуру испарения от 800 до 9000 мин.

Перспективы автомобилей-гибридов

Новизна технологии совмещенного мотора приводит к неполному пониманию автолюбителями, что же такое и как работает гибридный двигатель на подобном автомобиле. С учетом 20-летних разработок бренда Тойота у гибридов есть множество перспектив развития. Машины с облегченным кузовом, емкими и компактными аккумуляторами, простой и быстрой зарядкой, усовершенствованным режимом рекуперации в ближайшем будущем завоюют рынок.

У гибридных авто ДВС не подвергается критическим нагрузкам, а с учетом цикла Аткинсона его моторесурс выше, чем у стандартного двигателя. Для сокращения расходов на топливо машины оснащаются ГБО, совместимыми с электронными блоками управления. При внешней схожести с бензиновой техникой автовладельцы сталкиваются со сложностью обслуживания и огромным разбегом стоимости. Даже при отсутствии поломок и значительном пробеге цена машины окупиться через 5 лет. Но минимальные затраты на горючее стоят таких вложений.

Однако, будущее гибридного транспорта – только за моделями plug-in, которые реально экономят топливо. Плагины привлекательны бесшумным плавным электродвигателем, динамикой бензинового мотора, обеспеченной массивным электрическим бустом. Чтобы использовать машину полноценно, необходимо развитие зарядной инфраструктуры – установка специальных розеток на АЗС.

Источник статьи: http://nahybride.ru/baza-znanij/kak-rabotaet-gibridnyj-dvigatel-avtomobilya

Разновидности гибридных автомобилей. Как они работают и чем отличаются друг от друга.

Гибридные автомобили навсегда и очень крепко обосновались на наших дорогах, и выбор гибрида вместо автомобиля с обычным двигателем внутреннего сгорания больше не считается прихотью или расточительностью. На самом деле, далеко не все знают, как работает гибридный автомобиль и какие у него преимущества.

Прежде чем мы рассмотрим устройство гибридного привода изнутри, давайте объясним цель его появления в автомобилях. За прошедшее столетие мы привыкли к автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Однако успех этого вида транспорта кроме удобства, является источником экологических проблем, таких как загрязнение воздуха в связи с высокими выбросами CO2.

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является его способность эффективно работать только в относительно небольшом диапазоне скоростей. Именно этот недостаток заставляет использовать дополнительные устройства в виде коробки передач и сцепления, без которых невозможно было бы получить динамичное ускорение и добиться высоких скоростей. Даже при оснащении автомобиля многоскоростной коробкой передач, двигатель внутреннего сгорания вынужден работать в неоптимальном диапазоне параметров, что лучше всего видно при перегрузке дизельных двигателей, создающих дымовую завесу во время ускорения. Эти неудобства может значительно облегчить или полностью устранить гибридный дизель-электрический привод.

Типы гибридных автомобилей

Первое, что нужно знать – существует три основных типа гибридов . Первый так называемый Последовательный гибрид , в котором двигатель внутреннего сгорания механически не связан с колесами транспортного средства, а является приводом для генератора, вырабатывающего электричество, которое подается на электродвигатель, приводящий в движение колеса. Кроме этого есть еще параллельный и последовательно-параллельный гибридные приводы, речь о них пойдет ниже.

Последовательный гибрид – принцип действия

Последовательная гибридная система может быть оборудована дополнительным аккумулятором, который накапливает избыточную энергию, которая поддерживает генератор при более высоких нагрузках: при запуске, ускорении или движении в гору. Последовательная система обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания в комфортном диапазоне параметров и плавное, динамичное вождение – электродвигатель обеспечивает максимальный крутящий момент с самого начала движения.

Недостатком такого решения является двойное преобразование энергии , генерируемой двигателем внутреннего сгорания: от механической к электрической в ​​генераторе и от электрической к механической в ​​электродвигателе, что связано с неизбежными дополнительными потерями.

Параллельный гибрид – как он работает?

Второй тип гибридного привода – это параллельный гибрид , также к нему применяется термин мягкий гибрид . В этом решении двигатель внутреннего сгорания механически соединен с колесами, и является основным источником привода, а электродвигатель, расположенный на валу, соединяющем двигатель внутреннего сгорания с трансмиссией, используется для его поддержки в ситуациях, требующих повышенного крутящего момента – во время резкого ускорения или движения в гору.

Такое решение позволяет намного улучшить динамику автомобиля с двигателем внутреннего сгорания небольшой мощности, а также обеспечить ему наиболее благоприятные условия работы и при этом значительно снизить расход топлива. Однако эта система не устраняет традиционные компоненты привода, такие как коробка передач. Мягкие гибридные автомобили не могут работать только на электромоторе.

Последовательно-параллельный гибрид – принцип действия

Третий тип – это последовательно-параллельный гибрид. Также его называют полным гибридом . Как следует из названия, он сочетает в себе черты предыдущих решений, а именно, двигатель внутреннего сгорания механически связан с колесами и может (но не обязательно) быть источником их привода. Также колеса приводятся в движение электродвигателем, который может питаться от генератора или аккумулятора, подключенного к двигателю внутреннего сгорания. Аккумулятор также используется для хранения энергии, получаемой во время торможения.

Такая концепция позволяет получить высокую эффективность системы при сохранении относительно простой конструкции, попутно характеризующейся высокой надежностью. Это решение было разработано компанией Toyota – первым гибридом такого рода стал Toyota Prius – и в настоящее время этот тип используется во всех гибридных моделях японского бренда. На сегодняшний день Toyota является крупнейшим производителем гибридных автомобилей в мире. Автомобили с последовательно-параллельной системой являются наиболее распространенным типом гибридов.

Устройство полной гибридной системы автомобиля.

Сердцем гибридной системы является специальная планетарная передача, которая соединяет двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель, соединенный с колесами. Эта трансмиссия суммирует крутящие моменты, создаваемые двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем, и делит частоту вращения вала двигателя внутреннего сгорания между колесами и генератором, таким образом, выступая в качестве бесступенчатой ​​трансмиссии с электронным управлением.

Задача электродвигателя – поддерживать двигатель внутреннего сгорания в самые тяжелые моменты – при запуске и ускорении. Полный гибридный привод позволяет ехать на самом электродвигателе, преодолевая короткие расстояния на городских скоростях без запуска бензинового двигателя и без расхода топлива. Благодаря эффективной системе рекуперации энергии от торможения нет необходимости заряжать гибриды от внешнего источника , поэтому каждый километр в электрическом режиме ничего не стоит, и к тому же значительно снижает средний расход топлива.

Преимущества использования гибридных автомобилей

Основным преимуществом гибридного автомобиля является экономия топлива без зарядки аккумулятора. Все, что вам нужно сделать, это заправиться. Как вы могли уже догадаться, чем больше мы тормозим, тем больше энергии генератор подает в аккумулятор. Вот почему гибриды – идеальные машины для города. Обычные автомобили в пробках потребляют во много раз больше топлива, чем при езде по маршруту с оптимальной скоростью, в то время как расход топлива в гибриде на перегруженных улицах может упасть примерно до 2 л/100 км.

Если вдуматься, система, состоящая из трех двигателей, может показаться сложной, но на самом деле это решение является очень простым. Бензиновый двигатель , работающий в экономичном цикле Аткинсона, никогда не перегружен и работает в оптимальном диапазоне оборотов . Гибридный автомобиль не нуждается в стартере, генераторе или сцеплении. Автоматическую планетарную коробку передач построить гораздо проще, чем популярные автоматические коробки передач с двойным сцеплением. Дополнительная мощность электродвигателей также означает, что вы можете отказаться от турбины, которая усложняет конструкцию обычных двигателей . Не требуется также сажевый фильтр или двухмассовый маховик. Система рекуперации энергии при торможении делает долговечнее традиционные тормоза, которые в гибридах используются намного реже. Все эти факторы приводят к большей долговечности гибридных автомобилей.

Система планетарной передачи и два электродвигателя-генератора представляют собой бесступенчатую трансмиссию с электронным управлением, которая называется e-CVT (электрическая бесступенчатая трансмиссия), и гибридный автомобиль приводится в движение так же, как и обычная машина.

Наличие тягового аккумулятора обычно вызывает сомнения в его долговечности и высокой стоимости возможной замены. На практике же, срок службы гибридной батареи рассчитан на весь период использования автомобиля. Это возможно благодаря точному контролю компьютера над зарядкой и разрядкой батареи – аккумулятор гибрида никогда не разряжается полностью и не перезаряжается выше нормы.

Процесс зарядки подключаемой гибридной машины

Все три типа гибридного привода не требуют зарядки аккумулятора от внешней сети. Но все же, каждый из них может быть выпущен в виде плагин-гибрида , оснащенного тяговым аккумулятором гораздо большей емкости. Это обеспечивает большую дальность поездки в электрическом режиме, обычно она составляет порядка 20-50 километров.

Toyota Prius Plug-in Hybrid – первый в своем роде автомобиль в линейке Toyota, под капотом которого скрывается последовательно-параллельный привод, который благодаря увеличенной батарее может проехать до 50 км на самом электродвигателе, а после этого работает, как и любой другой гибрид. Примером последовательного гибридного привода является Chevrolet Volt (Opel Ampera).

Зарядка плагин-гибрида является простой операцией – вам нужен источник питания – вилка или зарядное устройство и соответствующий кабель, наконечник которого подключается к порту в автомобиле. Гибридный автомобиль заряжается от сети переменного тока – будь то дома от обычной розетки или от так называемого зарядного устройства. Зарядка гибридного модуля постоянного тока с помощью быстрого зарядного устройства невозможна, поскольку в основном, в этих автомобилях установлены слишком маленькие аккумуляторы – мощностью около 10 кВт/ч. Для их зарядки обычно достаточно самого простого однофазного кабеля.

Где зарядить плагин-гибрид?

Самый простой способ в вашем собственном гараже – можно просто из розетки, хотя небольшая домашняя зарядка будет более удобной. Если вы хотите подзарядить автомобиль в течение дня, существует растущая сеть общественных зарядных устройств, некоторые из которых даже бесплатные, а за некоторые придется заплатить.

Субсидии для покупки гибридных автомобилей

Субсидии на гибридные автомобили являются одним из нескольких способов продвижения экологически чистых автомобилей, используемых в мире. К сожалению, такая поддержка доступна не во всех странах. Несмотря на это, гибридные автомобили все чаще предлагаются большинством производителей, а их продажи неуклонно растут. Наибольшую долю в этой части рынка занимает Toyota, и именно автомобили этой марки возглавляют рейтинги продаж гибридов.

Гибридные автомобили в настоящее время представлены практически во всех сегментах и типах кузовов – от городского Ярис до внедорожников и роскошных спортивных автомобилей, таких как Lexus LC или Porsche Panamera.

ВАС МОЖЕТ ЗАИНТЕРЕСОВАТЬ:

Не забывайте поставить оценку публикации. Ваше мнение всегда важно для автора. Понравилась статья — подписывайтесь на канал, делитесь с своими друзьями в соцсетях. Приятного просмотра.

Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/proautowebsite/raznovidnosti-gibridnyh-avtomobilei-kak-oni-rabotaiut-i-chem-otlichaiutsia-drug-ot-druga-5ea4a8b83ecb7b1ea6ea68b1