Устройство гибридного автомобиля

Прототип автомобиля с гибридным двигателем появился еще в конце 19 столетия. Сегодня он представляет собой транспортное средство, способное при небольшой скорости не использовать топливо, а осуществлять движение за счет электрической энергии.

Гибридный двигатель – это система, состоящая из электрического и топливного двигателей. При этом, в период работы каждый может быть задействован как по отдельности, так и оба в независимых циклах.

Устройство и принцип работы

Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении авто на небольшой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок. При движении машины по трассе – в работу включается двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В случае большой нагрузки, например, при резких подъемах в гору, в работу включаются оба двигателя.

Безусловно, к плюсам такого устройства можно отнести то, что при использовании электрического двигателя, значительно сокращается расход топлива, так как он работает от постоянно восполняемой энергии аккумулятора.

Возможность, хотя бы отчасти, снизить количество выбрасываемых вредных веществ в воздух – еще один плюс гибридной системы автомобиля.

Гибриды характеризуются малой мощностью, которую помогает компенсировать ДВС.

Двигатели в гибридах могут быть как бензиновые, так и дизельные. Более того, производители газобаллонного оборудования (ГБО) разработали системы способные работать на этих автомобилях.

Пример конструкции гибрида

Устройство гибрида включает в себя:

— Двигатель внутреннего сгорания. Его устройство и размеры сконструированы таким образом, что позволяет снизить вес, вредные выбросы и расход топлива.

— Электродвигатель разработан с учетом особенностей гибрида. Его сделали не только сгенерировано работающим с топливным блоком, но и уделили особое внимание показателям мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для подзарядки АКБ автомобиля. Может быть выполнен встроенным в силовую установку или размещаться отдельно от неё, в некоторых моделях используются сразу оба варианта.

— Трансмиссия. Работа трансмиссии гибрида фактически совпадает с ее устройством на обычных автомобилях. Но, в зависимости от вида гибридного двигателя, они могут отличаться. Коробки передач в них бывают, как гибридные с интегрированным электродвигателем, так и обычные механического и автоматического исполнения. Например, трансмиссия автомобиля Toyota устроена с разветвлением потоков мощности. Двигатель такого типа работает в режиме плавных нагрузок, что помогает значительно экономить расход топлива.

— Топливный бак. Необходим для питания топливом ДВС. Для наглядности того, что топливная система имеет ряд преимуществ, хотелось бы привести один факт в пользу этого: энергия, получаемая при сгорании 1 литра бензина сопоставима с энергией, вырабатываемой аккумулятором весом около 450 кг.

— Аккумулятор. Его главная функция – выработка достаточного уровня энергии для работы электродвигателя. В авто используется две батареи, высоковольтная и обычная на 12 (В) для питания бортовой сети. Изначально до запуска всех систем питание идет только от стандартного аккумулятора, так как для работы высоковольтной батареи и инвертора необходимо постоянное охлаждение.

-Инвертер преобразует постоянный ток высоковольтной батареи в переменный трехфазный для электродвигателя и наоборот. Также регулирует распределение энергии и управляет электродвигателем.

— Генератор. Его принцип работы такой же как у электродвигателя, но направлен на вырабатывание электрической энергии.

3 типа гибридных агрегатов

Как было уже отмечено ранее, гибридная система автомобиля представляет собой комбинирование моторов, своего рода, две разных скрещенных технологии. Технику гибридного привода характеризуют в двух направлениях – это двухтопливный или бивалентный и гибридный силовой агрегат.

Данное разделение на две комбинации силовых агрегатов определено для их классификации по разному принципу работы.

Устройство гибридного силового агрегата включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор. Таким образом, электродвигатель это и генератор энергии, и тяговый электродвигатель, и стартер для пуска ДВС.

Существует три типа гибридного силового агрегата. Главным критерием для классификации служит исполнение основной конструкции. Следовательно, выделяют: микрогибридный силовой агрегат, среднегибридный силовой агрегат и полногибридный силовой агрегат.

Микрогибридный силовой агрегат

Концептуальная особенность данного типа привода заключается в его электрической части, которая необходима только для выполнения функции «старт-стоп». При этом, часть выработанной кинетической энергии повторно используется как электроэнергия (процесс рекуперации).

Привод исключительно за счет работы электрической тяги не возможен. Рабочие характеристики 12-вольтного аккумулятора гибрида с наполнителем из стекловолокна приспособлены к частым пускам двигателя. Также для накопления энергии от рекуперации может использоваться накопитель в виде электрохимического конденсатора.

Микрогибрид от компании Mazda

Среднегибридный силовой агрегат

Электрический привод помогает работе двигателя внутреннего сгорания. При этом, движение гибрида лишь за счет электротяги не осуществляется. У данного типа гибридного мотора электрическая энергия регенерируется при торможении, а затем накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.

Устройство высоковольтной АКБ гибрида и всех его электрических частей отвечает необходимому уровню напряжения, что позволяет вырабатывать достаточно высокую мощность. В итоге, благодаря поддержке ДВС электродвигателем, его работа характеризуется максимальной эффективностью.

Полногибридный силовой агрегат

Работа двух моторов: электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, в данном типе комбинируется между собой. Полногибридный тип позволяет машине двигаться только за счет электрической тяги и достаточно большое расстояние. При определенных условиях силовой агрегат функционирует как среднегибридный.

В этих автомобилях устанавливаются достаточно мощный электродвигатель и высоковольтные АКБ большего объема, что и позволяет им выдавать такие характеристики. Основой подзарядки батареи выступает также процесс рекуперации энергии.

Функция «старт-стоп» реализована для двигателя внутреннего сгорания, который запускается только при необходимости. А разъединение ДВС с электродвигателем осуществляется за счет установленного сцепления между ними, поэтому они могут функционировать независимо друг от друга.

Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС

Автомобили-гибриды сконструированы по трем схемам взаимодействия двигателей. Рассмотрим каждую из них.

Последовательная схема взаимодействия

Данный принцип устройства представляет собой самый простой вариант автомобильного двигателя-гибрида. Его схема работы такая: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания идет к генератору. Затем генератор вырабатывает необходимое для работы электричество и передает его в аккумулятор. Дополнительно подзаряд аккумулятора осуществляется и путем процесса рекуперации кинетической энергии. В этой схеме движение автомобиля осуществляется лишь за счет электрической тяги.

Данная схема характеризуется последовательным преобразованием энергии, т.е. энергия, поступающая от сгораемого топлива в двигателе внутреннего сгорания, превращается в механическую, далее трансформируется в электрическую за счет генератора, и затем вновь преобразуется в механическую энергию.

Положительные стороны последовательной схемы:

1. Работа двигателя внутреннего сгорания осуществляется на неизменных оборотах.
2. Не возникает необходимости в двигателе с большой мощностью и потреблением топлива.
3. Коробка передач, как и сцепление здесь не нужны.
4. Электрическая энергия высоковольтной АКБ гибрида позволяет двигаться автомобилю с заглушенным ДВС.

Отрицательные стороны последовательной схемы:

1. На этапах преобразования энергии происходит ее потеря.
2. Габариты и стоимость АКБ достаточно высокие.

Самый яркий представитель гибридного автомобиля с последовательной схемой взаимодействия Chevrolet Volt

Если говорить о самом подходящем варианте движения автомобиля с последовательной схемой взаимодействия, то это городской трафик с частыми остановками, когда постоянно в работу включается система рекуперации энергии.

Параллельная схема взаимодействия

Такое название эта схема получила потому что, двигатели авто работают постоянно вместе. Принцип работы данного типа взаимодействия двух модулей происходит за счет электроники авто, электродвигателя и ДВС. Оба двигателя соединены с коробкой передач по средствам планетарной передачи.

Чисто на электрической энергии такие гибриды способны ехать не продолжительное время, при этом ДВС отключается от трансмиссии сцеплением.

Блок управления распределяет крутящий момент от обоих двигателей в зависимости от режима движения автомобиля. Двигателю внутреннего сгорания отведена более важная роль, а электродвигатель запускается при необходимости дополнительной тяги, например, когда авто резко ускоряется. При торможении или плавном движении электромотор работает как генератор электроэнергии.

Электромотор внедрен в коробку передач BMW 530E iPerformance

Существуют модификации с электродвигателем отдельно от ДВС, они представляют собой сложную систему, но в тоже время эффективную. Этот модуль состоит из двух электромоторов, тягового соединенного через планетарную передачу со вторым, который служит генератором и стартером.

В такой схеме ДВС не связан напрямую с колесами, что позволяет постоянно передавать часть момента генератору и подзаряжать батарею.

Силовая установка параллельного гибрида с независимыми электромоторами

Положительные стороны параллельной схемы:

Так как основная работа отведена ДВС, то не возникает необходимости в установке мощной высоковольтной батареи. Двигатель внутреннего сгорания напрямую связан с ведущими колесами, поэтому потери энергии значительно меньше.

Отрицательные стороны параллельной схемы:

Самый главный минус данной схемы – это больший расход топлива в сравнении с другими схемами взаимодействия двигателей. Получается, что сэкономить на городском трафике не получится, наиболее удачным вариантом будет движение по трассе.

Последовательно-параллельная схема взаимодействия

Уже само название этой схемы указывает на то, что данный тип – это вариант совмещения двух ранее рассмотренных схем: последовательной и параллельной. Движение автомобиля на низкой скорости и его старт с места осуществляется только за счет силы электрической части. ДВС поддерживает работу генератора авто, как при последовательной схеме взаимодействия. Передача крутящего момента от ДВС на колеса происходит при движении на большой скорости.

При высоких нагрузках, требующих повышенной мощности, генератор автомобиля может не выдать нужное количество энергии, и в таком случае электродвигатель питается дополнительно от аккумулятора, как при параллельной схеме взаимодействия.

В данной схеме предусмотрен дополнительный генератор, он подзаряжает АКБ. Электродвигатель необходим только для привода ведущих колес и для обеспечения рекуперативного торможения.

Часть крутящего момента, переходящая от двигателя внутреннего сгорания, уходит на ведущие колеса, а некоторая его часть – для работы генератора, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает АКБ.

За направление крутящего момента на колеса, генератор или электродвигатель и его соотношении отвечает планетарный механизм – распределитель мощности. Регулировкой подачи мощности из генератора и батареи занимается электронный блок управления автомобиля.

Также эта технология применяется и на гибридных полноприводных авто. На передней оси установлен ДВС с электродвигателем по параллельной схеме, а на задней только электродвигатель имеющий связь с ДВС по последовательной схеме.

Полноприводный гибрид от компании Mitsubishi

Положительные стороны последовательно-параллельной схемы:

Не сложно догадаться, что неоспоримым плюсом данной схемы гибрида является его большая экономичность топлива в сочетании с хорошими мощностными характеристиками. Ценители природы оценят ее экологичность.

Отрицательные стороны последовательно-параллельной схемы:

Среди отрицательного – это более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами, и как следствие, большая цена. Поскольку необходим дополнительный генератор, емкая АКБ и сложная электронная схема управления.

Заключение

Мы рассмотрели все типы гибридов и схемы их взаимодействия, но в целом существует множество видов, которые сложно отнести к одной из них, поскольку с течением времени технологии все больше смешиваются и дорабатываются.

На одних используют гидромуфты с редуктором вместо планетарной передачи, на других экспериментируют с задним расположением ДВС или вообще разносят по двум осям ДВС и электродвигатель. Конструкторы не останавливаются на достигнутом и все больше развивают это направление.

Анализ конструктивных схем гибридных автомобилей

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 18.02.2020 2020-02-18

Статья просмотрена: 87 раз

Библиографическое описание:

Анализ конструктивных схем гибридных автомобилей / Н. А. Кузьмин, И. В. Перепеченов, А. А. Беломытцев [и др.]. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 7 (297). — С. 24-29. — URL: https://moluch.ru/archive/297/67297/ (дата обращения: 24.03.2021).

Статья раскрывает сущность гибридных автомобилей, принцип их работы, преимущества и недостатки, проводится сравнительный анализ с другими транспортными средствами, работа которых осуществляется другим источником энергии.

Ключевые слова: гибридный автомобиль.

Прорыв в области гибридных автомобилей произошел в 1898 году немецким конструктором Фердинандом Порше. Именно в этом году у Порше появляется грандиозная идея, связанная с созданием автомобиля, который будет передвигаться от электропривода. Перед ним стояла непростая задача — сконструировать такой автомобиль на электрической тяге, который бы быстро передвигался и при этом хорошо продавался. Опытный образец получился удачным, и получил название в честь конструктора — Lohner-Porsche (рис.1) [1]. Автомобиль был компактным и довольно быстрым, развивая при этом скорость до 40 км/ч, для конца 19 века это был неплохой результат, учитывая то, что 1895 году Эмилем Левассору на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания был поставлен рекорд в развитии скорости до 30км/ч [2].

Рис. 1. Первый электромобиль Lohner-Porsche

Развитие не остановилось на первом автомобиле, созданном Порше, огромный толчок был совершен в США американским ученым Виктором Воуковым. Данный толчок был связан с созданием гибридного транспортного средства. Он переоборудовал автомобиль Buick Skylark (рис. 2), установив на него электрический двигатель мощностью 20 кВт и роторный двигатель RX-2 Mazda [3].

Рис. 2. Первый гибридный автомобиль Buick Skylark

Гибридным автомобилем считается автомобиль, в котором для привода ведущих колес используется более одного источника энергии, в частности ими являются: электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания.

Электродвигатель берет энергию от специальных батареях, которые восстанавливают энергию от работы двигателя внутреннего сгорания, а также использует энергию для торможения в момент наката(торможение мотором). Отличие любого гибридного автомобиля от электромобилей, то, что он не нуждается в подзарядке от электросети. Примером электродвигателя является силовая установка IMA, где вместо маховика размещен компактный электромотор-генератор (рис.3).

Рис. 3. Гибридная силовая установка IMA

Двигатель внутреннего сгорания способен выдавать значительную величину крутящего момента, однако, при езде по автомобильным дорогам большое ускорение не нужно, т. к. требуется поддерживать постоянную скорость. В связи с этим главный крутящий момент создается электромотором, а главную мощь берет на себя бензиновый мотор. Примером является гибридная силовая установка седана BMW ActiveHubrid 7, где в качестве основного источника будет являться бензиновый двигатель, а второстепенным звеном является электромотор (рис.4).

Рис. 4. Гибридная силовая установка седана BMW ActiveHubrid 7

Автомобили, которые оснащены гибридной силовой установкой (рис. 5) существенно экономят бензин. Сегодня большая часть современных легковых автомобилей оборудованы передовой системой отключения двигателя, в момент нахождения в автомобильной пробке, на светофоре или в момент торможения. Данная система весьма полезна агрегатам с большими объемами [4].

Рис. 5. Автомобиль, оснащенный гибридной силовой установкой

В настоящее гибридные приводы принято разделять на три вида: последовательный, параллельный и последовательно — параллельный.

Последовательная схема — это наиболее простая гибридная конфигурация. Двигатель внутреннего сгорания используется исключительно для привода генератора, а вырабатываемая энергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель. Положительным моментом отмечается то, что в трансмисиии будет отсутствовать коробка передач и сцепление. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем коэффициент полезного действия его находится в максимальных диапазонах. При отключении двигателя внутреннего сгорания, электродвигатель и батарея в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения, именно поэтому электродвигатель, в отличие от двигателя внутреннего сгорания должен быть более мощным. Последовательная схема будет являться наиболее эффективной при движении в режимах частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т. е. в городе. Примером использования последовательной схемы является автомобиль Chevrolet Volt (рис.6).

Рис. 6. Последовательная схема автомобиля Chevrolet Volt

В параллельной схеме ведущие колеса приводятся в движение и двигателем внутреннего сгорания, и электродвигателем (который должен быть обратимым, т. е. может работать в качестве генератора). Согласованная работа осуществляется компьютерным управлением. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах. Момент, который поступает от двух источников, которая будет распределяться 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. Именно поэтому в гибридных автомобилях с параллельной схемой могут использоваться аккумуляторные батареи меньшей емкостью. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Примером использования параллельной схемы является автомобиль Integrated Motor Assist (Honda) (рис.7).

Рис. 7. Параллельная схема автомобиля Integrated Motor Assist (Honda)

Разработанная японскими инженерами система Hybrid Synergy Drive (HSD) включает в себя два предыдущих типа. Схема параллельного гибрида оснащена отдельным генератором и делителем мощности. Следовательно, гибрид приобретает черты последовательного гибрида, а именно автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге. На высоких скоростях и при движении. Тогда, когда автомобиль принимает на себя высокие нагрузки (ускорение, движение в гору и т. п.) электродвигатель начинает подпитываться от аккумулятора, т. е. гибрид работает как параллельный. Компьютерная система постоянно регулирует подачу мощности от обоих источников энергии для оптимальной эксплуатации при любых условиях движения. Примером использования последовательно — параллельной схемы является автомобиль Toyota Prius (рис. 8) [5].

Рис. 8. Последовательно-параллельная схема автомобиля Toyota Prius

Сравнивая гибридный автомобиль с другими транспортными средствами, источником энергии которых в основном является двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель, можно выделить положительные стороны: экономия дорогостоящего топлива, исходя из статистики, гибридный автомобиль использует на 30 % меньше бензина; в значительной мере уменьшилось токсичность выхлопов; автомобиль стал бесшумным, в частности на холостых оборотах.

В отрицательную сторону отмечается: высокая сложность гибридного автомобиля; цена на данный автомобиль значительно превышает автомобиль имеющий двигатель внутреннего сгорания; аккумуляторные батареи подвержены саморазряду; ремонт гибрида значительно превышает автомобиль оснащенным двигателем внутреннего сгорания [6].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что автомобиль, который оснащен гибридной силовой установкой не решает все проблемы, однако гибридный автомобиль является ключевым звеном, который устраняет проблему, связанную с выбросом вредных веществ в атмосфере, помимо этого гибридные технологии дадут возможность проработать ключевые технические компоненты, как компактность аккумуляторов, технологию быстрой зарядки от внешних источников,, облегченность кузовов.