Обозрение. Все типы гибридов: Скрестив бензин с электричеством

К сожалению, отменить светофоры, пробки и нерегулируемые перекрестки вряд ли возможно. Значит, автомобили и впредь будут разгоняться и тормозить. А потому идея запасти кинетическую энергию, бесполезно переводимую в нагрев и износ тормозов, чрезвычайно популярна.

Строго говоря, БМВ-118d не настоящий гибрид, хотя и способен запасать энергию в аккумуляторе при выбеге.

ULTRA LIGHTS

«Ультралегкие» гибриды – это изобретение автора. Строго говоря, автомобиль, не использующий электродвигатель для перемещения, гибридом называться не должен. Но все же я буду настаивать на том, чтобы их так называли. Хотя бы потому, что эти машины способны запасать кинетическую энергию, пусть и для других целей. Такие системы применяют в современных БМВ и «Ауди».

Умный генератор вырабатывает ток при торможении и освобождает мотор от лишней нагрузки в ходе разгона. При равномерном движении действует по обстоятельствам, в зависимости от числа потребителей и степени зарядки батареи.

Принцип достаточно прост: поскольку генератор отбирает мощность мотора, можно оптимизировать его работу, сняв с двигателя лишнюю нагрузку во время разгона и добавив – при торможении. Во время относительно равномерного движения все зависит от текущего баланса потребителей: если их немного, то вполне хватает возможностей батареи. Как только уровень заряда упадет ниже определенного значения, генератор включится снова. Для этого понадобится продвинутое управление процессом зарядки (необходимо учитывать гораздо больше факторов, чем по силам банальному реле-регулятору, который служит автомобильному делу более полусотни лет) и вдобавок иные характеристики аккумуляторной батареи. Результат действия системы, впервые показанной БМВ как часть концепции эффективной динамики, – снижение расхода топлива на 0,2–0,3 л/100 км и незначительное улучшение разгона.

Ныне подобные устройства нашли применение на БМВ 1-й и 3-й серий, а также на экологичных дизельных «Ауди» с индексом «е». Впрочем, это только начало. Ведь интеллектуальное управление зарядом батареи необходимо и для систем «старт-стоп». Это уже реализовано на 4-цилиндровых БМВ с механическими коробками передач.

«Лексус-LS 600h» – один из наиболее технически сложных гибридов. Он оснащен 8-цилиндровым бензиновым двигателем с непосредственным впрыском топлива, привод полный. К 290 кВт и 520 Н·м бензинового мотора добавляются 165 кВт и 300 Н·м электрического.

LIGHTS

«Легкие» гибриды – попытка превратить обычный автомобиль в гибрид с наименьшими затратами. Как любой компромисс, он не лишен недостатков и выделяется в первую очередь неспособностью перемещаться исключительно на электротяге. Тем не менее положительных сторон больше, чем отрицательных: заметное уменьшение расхода топлива в городе и улучшение динамики разгона (имеется в виду прежде всего так называемый rolling start и эластичность). Реальный выигрыш может превышать 20%.

Основные элементы гибридного авто «Мерседес-Бенц S400 BlueHYBRID».

Узнать легкий гибрид можно по незначительной – обычно не более 20 кВт – мощности электродвигателя. Самым коммерчески успешным примером стала, конечно, «Хонда-Сивик Гибрид», с виду почти не отличающаяся от обычного «Сивика». Первое поколение этих машин появилось в 2003 году. Под их капотом 1,8-литровый бензиновый мотор уступил место 1,3-литровому с 15-киловаттным электрическим помощником. Расположенный между мотором и коробкой передач электродвигатель помогал при разгоне и работал в качестве генератора, заряжая никель-металлгидридную батарею напряжением 156 В. Второе поколение машин, выпускаемое с 2006 года, оснастили вариатором и новой системой регулирования фаз газораспределения i-VTEC, которая полностью закрывает клапаны неработающего мотора, уменьшая насосные потери и торможение двигателем. Таким образом, гибридный «Сивик» научился ездить на чистой электротяге, став единственным пока легким гибридом, умеющим это делать.

2-Mode Hybrid – вариант, предполагающий использование двух электромоторов по 22 кВт и планетарного делителя. Главные объекты – полноразмерные вседорожники и пикапы «Дженерал моторс».

Гибридизация от Continental позволяет полностью вписаться в моторный отсек. Литий-ионная батарея превосходно располагается на месте обычного свинцово-кислотного аккумулятора.

Похожую схему избрал «Мерседес-Бенц», который собирается в нынешнем году предложить гибридный автомобиль на базе S-класса. На «Мерседес-Бенце S 400 BlueHYBRID» электромотор мощностью всего 20 кВт расположен между бензиновым двигателем и 7-ступенчатым гидромеханическим автоматом. Ездить на электротяге «Мерседес» не умеет, зато оснащен электрическим компрессором кондиционера – значит, не потребуется жертвовать комфортом в пробке или на светофоре, когда бензиновый мотор выключен.

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 невелик лишь на первый взгляд. Несмотря на то что электродвигатель развивает всего 20 кВт, его крутящий момент достигает 160 Н.м. Это больше половины того, что дает бензиновый мотор. Соответственно заметен и его вклад в динамике, а не в максималке. Наибольший выигрыш достигается в разгоне с малых скоростей или при обгоне в диапазоне 60–120 км/ч. А вот старт с места практически не меняется – с гидромеханической трансмиссией крутящий момент бензинового двигателя множит гидротрансформатор.

MEDIUM

Полноценные, или, как их еще называют, «тяжелые», гибриды умеют ездить, используя и бензиновый, и электрический двигатели, а также сочетание их мощи в любой пропорции. Эти машины сегодня наилучшим образом представлены марками «Тойота» и «Лексус». Стараниями крупнейшего производителя автомобилей и японской корпорации «Айсин» (агрегаты трансмиссии) была разработана одна из наиболее удачных схем. Двигатель автомобиля приводит генератор, занявший в трансмиссионном агрегате место традиционной коробки передач. Но соединены они не жестко, а через планетарный делитель, который, в свою очередь, дает выбор мотору – вращать колеса или генератор. Он же отвечает за пуск двигателя на ходу, ненадолго замыкая трансмиссию.

Модуль гибридной трансмиссии фирмы Aisin для полноприводного автомобиля: 1– генератор; 2 – планетарный делител; 3 – электродвигатель; 4 – двухступенчатый планетарный редуктор; 5 – межосевой дифференциал повышенного трения Torsen.

Далее располагается электродвигатель и еще один планетарный редуктор, который работает в режиме двухступенчатой коробки передач, изменяя передаточное число между электродвигателем и трансмиссией. Оказывается, двух передач (1,9:1 и 3,9:1) достаточно для эффективной работы привода во всех диапазонах скоростей. Привычной коробки у автомобиля нет – суммарный крутящий момент бензинового мотора и электродвигателя позволяет обходиться всего двумя ступенями.

Гибридный «Шевроле-Тахо» может перемещаться на электротяге. Справа под капотом инвертор, преобразующий ток для управления тяговыми электромоторами. Под задним сиденьем – никель-металлгидридная батарея.

В режиме Hybrid выбор – в пользу наиболее экономичного перемещения. Power предполагает максимальное использование электродвигателя как «бустера», улучшающего динамику автомобиля. Зимний режим Snow вводит ограничение по крутящему и тормозному моментам для максимально эффективного 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 трогается только за счет электродвигателя, а бензиновый мотор подключается по мере надобности.

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 безопасный стальной корпус. Это необходимость, потому что при высокой концентрации энергии в небольшом объеме короткое замыкание вызовет настоящий взрыв.

Современный гибрид немыслим без эффективных аккумуляторов. Литий-ионные – лучшее на сегодняшний день решение. Хотя технологиями компактных пластинчатых элементов пока владеют немногие. Этот изготовлен работниками опытного производства «Ниссан».

Система, применяемая компанией «Дженерал моторс» на гибридном вседорожнике «Шевроле-Тахо», несколько иная: в ней отсутствует вторая планетарная передача, но вместо одного электромотора – два, по 22 кВт. Этого достаточно, чтобы бензиновый двигатель обходился без традиционной коробки передач, а автомобиль в целом мог перемещаться исключительно на электротяге. Название 2-Mode Hybrid Transmission означает два режима работы. В первом, при минимальных скоростях и нагрузках, в зависимости от состояния аккумуляторов можно двигаться как за счет одних электродвигателей, так и с помощью бензинового 5,3-литрового мотора. Второй режим работы, напротив, предназначен для движения с высокой скоростью 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 пройти 22 мили на галлоне бензина, что соответствует примерно 10,7 л/100 км. Неплохой результат для автомобиля такого размера!

FULL FLAVOUR

Их называют range extender (в буквальном переводе – удлинитель). Впрочем, речь идет пока об опытных образцах, которые не подтверждают заявленных характеристик. Гибриды такого класса – это, по существу, электромобили, оснащенные вспомогательным бензиновым или дизельным двигателем.

Шасси раннего прототипа «Шевроле-Вольт» объединяет бензиновый двигатель (предположительно «Опель-ЭКОТЕК» 1,4 л с турбонаддувом), литий-ионную батарею (расположена в трансмиссионном тоннеле) и электродвигатель переменного тока с инверторной системой управления.

Прототип силового агрегата для «легкого» гибрида «Дженерал моторс» отличается от обычного двигателя только мощным стартер-генератором с жидкостным охлаждением. Более того, он может оказывать помощь мотору при трогании и ускорении.

Основное отличие в эксплуатации – крайне желательна ежедневная подзарядка от сети. Основной режим для «бензоудлинителя» – городской. При запасе хода 100 км и более в ежедневных поездках по городу вообще нет необходимости использовать двигатель внутреннего сгорания. Ну а если электричество «кончится», то бензиновый мотор теоретически в состоянии обеспечить беспроблемное путешествие до ближайшей розетки. Его задача не заряжать аккумуляторы, а лишь поддерживать примерно 30-процентный уровень заряда. КПД невысок, но подразумевается, что «бензиновый» пробег для машины скорее исключение, чем правило. Механической связи с колесами мотор такого гибрида не имеет вовсе, то есть лишается одного из важнейших преимуществ гибридной трансмиссии – улучшения динамики за счет совместной работы электродвигателя и ДВС.

Первым серийным автомобилем этого класса должен стать «Шевроле-Вольт», производство которого обещают начать в 2010 году.

Примерно таким будет серийный «Шевроле-Вольт» – первый гибрид класса range extender. Если производство начнется по плану, то в 2010 году.

О ВРЕДЕ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ

Какая из концепций гибридного привода победит? Однозначного ответа нет. Вполне вероятно, что «бензоудлинители» окажутся востребованными в Северной Америке при доступных ценах на электроэнергию и высоких – на бензин. Гибриды аналогичного типа планирует выпускать и «Мерседес-Бенц». Компоновка его компактных моделей еще много лет назад была сделана с этим прицелом.

«Тойота» устами президента компании Кацуаки Ватанабе подтвердила запуск в серию подзаряжаемого (Plug-in) гибрида с литий-ионными батареями в 2010 году. А пока технологию отрабатывают на «Тойоте-Приус» второго поколения.

Впрочем, еще вероятнее, что дуэт «Тойоты» и «Айсина» окажется более удачливым и им удастся постепенно увеличивать электрическую составляющую гибридных трансмиссий. Прототип «Тойоты-Приус» с возможностью подзарядки уже способен преодолеть на электротяге 10 км в городском цикле. Для полной зарядки батарей от сети 220 В требуется менее двух часов. Автомобиль третьего поколения с литий-ионными аккумуляторами будет способен на заметно лучшие результаты. Подзарядка аккумуляторов от внешнего источника позволяет превратить их из сомнительного накопителя кинетической энергии в реальный «топливный бак» (пусть даже на порядок уступающий бензиновому).

Единственный вопрос, который остается, – цена на бензин. Настоящий кризис оказался экономическим, а не топливным. А когда топливо дешевеет, дорогостоящие программы развития гибридных трансмиссий и силовых установок могут серьезно повредить финансовому здоровью автомобильных производителей.