Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора

Что такое гибридный двигатель. Принцип работы энергоустановки

Гибрид — переводится на русский как скрещивание. Сочетание этих двух различных технологий благополучно выполняют основную задачу — движения автомобиля.

Функция гибридного двигателя состоит в том, что мотор внутреннего сгорания приводит в движение генератор, который отдаёт энергию на энергоустановку: аккумуляторная батарея-электродвигатель. А энергоустановка в свою очередь, через трансмиссию передает крутящий момент на колеса.

Таким образом достигается оптимальный режим движения и создаётся добавочное усилие. Кроме того сглаживются пиковые нагрузки и колебания, в следствии чего растёт производительность и КПД.

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.

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.

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.

Плюсы и минусы гибридного двигателя

Сегодня, когда цены на топливо бьют новые рекорды, автомобили с гибридным двигателем становятся все более популярными у населения. Несомненно, что главной причиной является низкий расход горючего. Особенно значительной экономии можно добиться в городских условиях с частыми остановками на светофорах и пробками. В таких автомобилях работает так называемая система «старт – стоп», которая отключает двигатель внутреннего сгорания при коротких остановках и включает его снова во время начала движения. Кроме того, работает система рекуперации энергии. Таким образом, при торможении энергия накапливается в аккумуляторах и впоследствии расходуется электромотором. Использование двух двигателей позволило значительно увеличить мощность автомобилей. Аналоги с традиционными моторами уступают гибридным автомобилям в динамике разгона, поэтому в настоящее время такие агрегаты стали устанавливать на спортивные автомобили и внедорожники. Еще одним немаловажным фактором в пользу гибрида является меньшая зависимость от заправок. Заезжать на них владельцу таких машин приходится гораздо реже, что в свою очередь экономит значительную часть свободного времени. Кроме того, минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу не могут не радовать экологов. А хозяина гибридного автомобиля, как правило, берет гордость за то, что он ездит на машине, в которой применены передовые технические разработки. Престиж сегодня для многих гораздо важнее практичности.

Однако есть в этой бочке меда и ложка дегтя. Самым существенным недостатком гибридных автомобилей является дороговизна. Уже при покупке машины владелец вынужден значительно переплачивать за машину с гибридной силовой установкой. Аналоги с традиционными моторами стоят существенно дешевле. Уже после покупки затраты также будут подстерегать автомобилиста на каждом шагу. Обслуживание этих машин, ввиду сложности конструкции, обходится существенно дороже. Особенно дороги аккумуляторы, от энергии которых работает электромотор. Они, к сожалению, не вечны и при интенсивной эксплуатации через несколько лет могут выйти из строя. Замена их новыми батареями очень дорогое удовольствие. Поэтому, несмотря на то что гибридный автомобиль потребляет мало топлива, назвать его экономичным и недорогим в эксплуатации нельзя. На сегодняшний момент покупка такой машины это скорее имиджевый ход, нежели забота о кошельке.

Эксплуатация гибридов: разрушаем мифы

• Гибридные авто являются новинкой, которая до конца не усовершенствована и имеет множество недоработок. Это миф, так как бренд Тойота занимается полномасштабным серийным производством гибридных моделей почти 20 лет.
• В гибридах разряжаются аккумуляторы, что приводит к проблемам. Это правда, но только частично. На начальных этапах развития технологии подобные случаи встречались, но сегодня высокоточная электроника не допускает глубокого разряда батареи.
• Гибридные авто чаще ломаются, их дорого и сложно ремонтировать. Это миф, так как гибридные автомобили не менее надежны в эксплуатации по сравнению с обычными дизельными и бензиновыми ДВС. Большинство СТО комплексно обслуживают гибриды наравне с обычными авто. Более того, КПП в гибридах исключает наличие фрикционов, что делает такую трансмиссию простой и надежной, чего не скажешь о различных типах АКПП. Что касается ДВС, мотор на гибридах чаще работает на низких оборотах, не выходит на пиковые нагрузки. Если также учесть цикл Аткинсона, тогда моторесурс двигателя на гибриде намного больше обычного мотора.
• ДВС гибрида имеет меньшую мощность, такие авто теряют в динамике сравнительно с аналогами. Да, мощность ДВС на гибридах меньше, но за счет добавления электромотора суммарная мощность установок значительно превосходит мощность обычных аналогов с одним бензиновым мотором.
• Расход гибридной машины на практике не сильно отличается от обычного авто. Частично это правда, так как показатель расхода гибридных автомобилей напрямую зависит от режимов езды. Для достижения максимальной экономичности необходимо изменить стиль вождения на медленный, спокойный и плавный, избегая разгонов, активного дросселирования и т.д. Другими словами, сильные нажатия на педаль газа будут давать команду системе управления к тому, что необходимо завести ДВС.

Идея экономии горючего в гибридных авто состоит в том, чтобы при заряженном аккумуляторе как можно дольше двигаться только на электротяге на скоростях до 60 км/ч., чего зачастую хватает в плотном городском потоке. Также необходимо добавить, что система учитывает большое количество факторов: наружную температуру, степень прогрева ДВС и ОЖ, заряд батареи, движение под уклон или на горку и т.д. В разных условиях гибрид может задействовать ДВС, а может передвигаться только на электрической энергии.

• Аккумулятор для гибрида трудно найти в свободной продаже, а также батарея занимает много места в багажнике автомобиля. Это миф, так как аккумуляторы для гибридов всегда доступны к заказу в авто магазинах, а также представлен широкий выбор на различных Интернет-ресурсах. Что касается свободного места, батарея практически не занимает полезное пространство в багажном отсеке.
• На гибридную машину нельзя поставить газ. Это миф, так как мировые производители ГБО производят оборудование, совместимое с электронным блоком управления гибридным авто.

Отключение цилиндров

В двигателях с большим количеством цилиндров возможно отключение нескольких из них для работы на малой мощности. Это обычно используется на больших и мощных двигателях, чтобы обеспечить хоть какой-то более-менее приемлемый расход топлива. Речь тут идет даже не об усилиях по поиску компромисса между большим и умеренным расходом топлива, а о попытках найти его между большим расходом и ужасным. Prius, имея маленький 4-цилиндровый двигатель, не использует способ отключения нескольких цилиндров. Можно сказать, что он отключает разом все четыре цилиндра, когда движется с помощью мотора, работающего на электрической энергии.

Чтобы подытожить разговор о двигателях, работающих в цикле Аткинсона, следует сообщить следующее. Почему такие моторы нашли столь мизерное применение в автомобилестроении? Отвечаем: они имеют существенный недостаток, который удалось преодолеть только в гибридных схемах. Двигатели Аткинсона не способны работать на малых оборотах. Понять причины такой особенности мотора читателю, знакомому с общим устройством ДВС, весьма несложно. Если кто-то из них об этом не знал – после короткого анализа предоставленной журналом информации сам сможет ответить на эту загадку. Дадим читателю поразмышлять. Мы же сообщим, что с этой существенной конструктивной проб­лемой ДВС, работающего в цикле Аткинсона, в гибридном автомобиле «борется» электродвигатель. Таким образом, такое ТС впитало в своем конструктиве все достоинства каждого компонента силового агрегата, минимизировав влияние их недостатков.

Инвертор Prius К30

На этом разговор о ДВС гибрида не заканчивается. Мы еще не раз будем обращаться к силовому агрегату автомобиля Prius, когда этого потребует тема занятия. Теперь обратимся к устройству гибридных автомобилей и повнимательнее рассмотрим компоненты, из которых они состоят. Обратимся к схеме, которую читатель видел в первой статье. Но тогда она была дана для предварительного знакомства в ряду с другими гибридными решениями. Теперь мы начнем рассматривать каждый компонент в отдельности. Покажем их назначение и способ реализации в конструкции.

На рисунке схематично показан привод Prius. Термин «схематично» здесь означает, что показаны основные компоненты без серьезной детализации. С ними автор картинки обошелся достаточно вольно. В частности, чрезвычайно упрощена часть агрегата, в которой двигатель внутреннего сгорания приводит во вращение планетарный механизм в устройстве распределения мощности (PSD). Весьма условно показано, как коронная шестерня связана с бесшумной цепной передачей и мотором/генератором MG2. А вот как вал ДВС (синий цвет) проходит сквозь вал MG1 и солнечную шестерню (желтый цвет), чтобы соединиться с водилом сателлитов с другой стороны PSD – показано замечательно. В дальнейшем своей текстовой информацией мы постараемся облегчить читателю понимание режимов работы этой трансмиссии.

Терминология и режимы работы гибридных авто

Гибридные автомобили – тип транспортных средств, которые приводятся в движение посредством силового комплекса гибридного типа. Это значит, что данная установка использует 2 или больше источников энергии. Соответственно, необходимо аналогичное число моторов, способных трансформировать энергию в механическую, а применяемое обозначение «гибридный двигатель» терминологически неверно, так как не отражает сути.

Доказано, что автомобиль можно оснастить двигателями, ориентированными на разные типы энергии. Тем не менее, серийный выпуск гибридных авто ориентируется на комплектование моделей комбинацией из стандартного ДВС и мотора, работающего на электротяге. Обязательным условием автомобиля данного типа является высочайшее качество исполнения элементов.

Видео: Гибридные автомобили

Кроме того, выпуск гибридных машин подразумевает также внедрение в его конструкцию новейших разработок, нацеленных на снижение расхода и уменьшение объемов выбросов. Обычно такие инновации представлены системой Start-Stop, изменяемыми фазами газораспределения, подогревом тосола за счет отработавших газов, рекуперативным комплексом, покрышками, характеризующимися сниженным сопротивлением качению, электрическим приводом для опций (усилителя рулевого управления, помпы, кондиционера и т. д.). Кроме того, у гибридов оптимизированы показатели аэродинамического сопротивления.

Режимы работы зависят от параметров движения машины.

Старт и малая скорость

В этих условиях функционирует исключительно электромотор – энергия из батареи идет на блок питания, который и перенаправляет ее на электромоторы, а они приводят в движение колеса.

Передвижение

Во время спокойной езды энергия поступает от бензинового мотора и электрического двигателя. Она делится непосредственно между приводами и генератором, активирующим электромоторы. Если имеется избыток энергии, он уходит на зарядку батареи. При этом разгон осуществляется, главным образом, за счет ДВС, а энергия от электромоторов только оптимизирует процесс.

Во время торможения вырабатывается энергия кинетического типа, которая автоматически трансформируется в электричество, а затем, минуя БУЭ, направляется в аккумуляторы.

Принцип работы

Существует три варианта гибридного двигателя:

• Последовательный;
• Параллельный;
• Последовательно-параллельный или смешанный.

Принцип работы первого варианта состоит в том, что бензиновый или дизельный двигатель соединен с электрогенератором. Этот генератор подает энергию электромоторам, которые приводят в движение ведущие колеса. Таким образом, при этом варианте бензиновый двигатель выступает всего лишь своеобразным помощником электрических моторов. Данная схема имеет массу недостатков и очень слабо распространена на современных автомобилях.

Параллельный вариант гибридного мотора работает по другому принципу. В этом случае энергия на колеса подается через специальный дифференциал. Она может идти как от двигателя внутреннего сгорания, так и от электромотора в зависимости от ситуации. Когда это требуется, энергия поступает сразу из двух этих источников. Особенностью данного варианта является еще и то, что он подразумевает использование механической коробки передач либо бесступенчатого вариатора. Наиболее распространен второй случай.

При смешанном варианте работы гибридного привода бензиновый или дизельный двигатель связан с электрическим мотором и электрогенератором так называемым планетарным редуктором. Эта схема работы очень сложна в изготовлении и обслуживании, а автомобили с такой схемой стоят намного дороже более простых аналогов. Наибольшее распространение этот вариант получил на автомобилях марки Лексус.

Гибридный двигатель

Как взаимодействует ДВС с электромотором

Каждая автокомпания имеет свое видение в вопросе гибридного автомобилестроения. Поэтому на данный момент существует три типа схем взаимодействия двигателя внутреннего сгорания с электромотором.

1. Последовательная схема

Представляет самый простой вариант, который основан на следующем принципе: ДВС передает крутящий момент только генератору. Последний вырабатывает электричество, а также заряжает аккумуляторы. Движение осуществляется лишь на электрической тяге. К тому же здесь действует система рекуперации кинетической энергии, что обеспечивает дополнительный заряд батареи.

Преимущества подобной схемы:

1. ДВС постоянно функционирует на одинаковых оборотах, обеспечивая максимальный КПД;
2. отсутствует необходимость оснащения машины мощным и затратным двигателем;
3. нет нужды в коробке передач и сцеплении;
4. движение машины может осуществляться и без ДВС, используется энергия, накопленная в батарее.

Недостатки:

1. потери энергии при преобразовании;
2. высокая цена, вес и большие размеры батарей.

Последовательная схема весьма эффективна в случае частых остановок, когда включается в работу KERS

Именно поэтому она используется в качестве городского транспорта, в том числе в самосвалах на карьерах, где не нужна большая скорость и имеет важность наличие высокого крутящего момента

Особенности гибридного двигателя

Главная особенность такого агрегата в том, что в нем сочетаются два привода:

1. ДВС;
2. электродвигатель.
3. Они могут работать попеременно или одновременно. Такое сочетание выгоднее варианта, когда работает лишь электрическая тяга, ведь на данный момент у электромобиля есть ряд недостатков:
4. отсутствие развитой сети электрических заправок;
5. малый заряд, который хватает на небольшой участок пути (порядка 90-150 км);
6. длительность зарядки батареи (минимум пара часов).

И хотя мобильность электромобиля ограничена, у него высокий КПД, большой крутящий момент и нет вредных выбросов. К тому же ему не нужна нефть.

Именно в гибриде удалось совместить достоинства двух двигателей, обеспечив экологичность, экономичность, а также хорошие динамические качества.

Типовые схемы гибридных автомобилей

Гибрид гибриду рознь. На данный момент существует три основные типовые схемы гибридных автомобилей, каждая из которых характеризует определенный принцип совместной работы ДВС и электромотора:

• Параллельная работа моторов . Судя по названию, несложно догадаться что это схема подразумевает совместную работу двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. В таких автомобилях основную энергию для движения авто обеспечивает ДВС. И ДВС, и электродвигатель соединены с колесами. Электромотор включается лишь в определенных ситуациях – например, когда ДВС нужно и поддержка во время обгона, при разгоне. Это позволяет не только увеличить ресурс двигателя внутреннего сгорания, но и обеспечивает максимальную экономию топлива. Кроме того, авто такого типа характеризуются невысокой стоимостью.
• Последовательная работа моторов . В автомобилях, поддерживающих данную схему, один из моторов выполняет роль основного. В подавляющем большинстве случаев это электромотор. Двигатель внутреннего сгорания, в свою очередь, принимает на себя второстепенную функцию – отвечает за работу генератора, обеспечивающего электромотор энергией. Электродвигатель соединен с колесами, а двигатель внутреннего сгорания – с генератором. В этом случае ДВС работает в регулярном режиме – без больших перепадов оборотов.

При последовательной работе моторов, в гибриде используются аккумуляторы большой емкости, которой хватает на преодоление значительных расстояний без подзарядки.

Говоря более простым и понятным языком, схема последовательной работы моторов напоминают принцип работы небольшой электростанции, которая работает от двигателя внутреннего сгорания и обеспечивает электроэнергией электрический мотор.

Последовательно-параллельная схема работы моторов . При таком размещении двигатель внутреннего сгорания и электродвигателя работают совместно. ДВС, электромотор и электрогенератор связаны друг с другом и с колесами. В гибридах этого типа ДВС не только запускает работу генератора, но и передаёт крутящий момент на колёса. Полные гибриды (а именно так называют автомобили с последовательным и параллельным подключением моторов) обеспечивает значительную экономию топлива, благодаря включению электромотора в нужных ситуациях. Электродвигатель и ДВС могут работать вместе, тем самым обеспечивая форсированный режим работы авто. Ну и, конечно же, ДВС запускает генератор для подзарядки аккумуляторов.

На сегодняшний день самая распространенная схема гибридных авто – параллельная. Вторая по популярности – параллельно-последовательная схема. Последовательная схема применяется в спецтехнике (самосвалы, тяжеловесные грузовики).

Замедление и движение под уклон

Когда вы мягко замедляетесь или двигаетесь под уклон, необходимость в прежней величине энергии уменьшается. Для этого вы снижаете давление на педаль акселератора. ДВС замедляет обороты, но это трудно заметить. Для более существенного замедления или на более крутом спуске, в зависимости от скорости ТС, ДВС может вообще прекратить поставку энергии, если MG2 обеспечивает автомобиль достаточной энергией вращения.

Я уже описывал, как при медленном движении автомобиля мотор MG2 может поставлять всю необходимую энергию при остановленном ДВС. Ускоряясь, а затем двигаясь с постоянной скоростью по горизонтальной дороге, эксплуатация ТС в режиме «электромобиля» невозможна на скоростях выше 64 км/ч. Это связано с тем, что потребности в мощности для преодоления аэродинамического сопротивления кузову двигающегося автомобиля вынуждают ДВС включиться.

Однако может так случиться, что автомобиль, двигающийся в режиме EV на более высоких (чем 64 км/ч) скоростях, попадает в условия, когда нужно замедлить движение, или спуститься под гору, или поехать со скоростью 67 км/ч и выше. Тогда устройство должно защитить MG1 от очень высоких оборотов так же, как при движении накатом. Единственное различие состоит в том, что тогда коронная шестерня получает вращение не от движения автомобиля, а от мотора MG2. Генератор же MG1 все еще производит энергию для сопротивления чрезмерному вращению.

В итоге: ДВС вынужденно проворачивается вхолостую без топлива и без искры зажигания. Конечно, поступая так, MG1 снимает энергию, которая иначе разгоняла бы автомобиль. Некоторая потеря энергии идет на вращение ДВС, но оновная часть обнаруживается как электроэнергия, произведенная MG1. Она просто возвращается в высоковольтный источник (ВВБ) для частичного пополнения энергии, расходуемой MG2.

Активация и деактивация режима «2WD Inspection Mode»

Примечание: необходимо помнить, что при использовании режима «2WD Inspection Mode» в память блока управления могут быть записаны коды неисправностей. После выключения этого режима на комбинации приборов может загореться общий индикатор неисправности. В этом случае необходимо стереть коды неисправности.

Как это сделать.

Активация сервисного режима сканером

1. При помощи диагностического сканера.

Пользуясь инструкцией к сканеру, выберите режим «2WD Inspection Mode».

Выбор сервисного режима на сканере

Как мы видим на фото, можно сразу выбрать режим для проверки отработавших газов или отключения системы TRC.

Другой сканер

На другом сканере это будет выглядеть несколько иначе:

2. Без диагностического сканера.

Этим способом пользуются в основном сами автовладельцы, которые не имеют сканера или находятся в дорожных условиях (об этом чуть позже). Порядок действий следующий.

• Поверните ключ зажигания в положение «ON». Селектор должен находиться в положении «P».

Примечание: дальнейшие действия необходимо выполнить в течение 60 с.

• Два раза полностью выжмите педаль акселератора. После этого нажмите педаль тормоза.

• Удерживая педаль тормоза в нажатом состоянии, переведите селектор в положение «N» и два раза полностью выжмите педаль акселератора.

Примечание: все манипуляции проводятся одной ногой, т. е. при нажатии педали акселератора педаль тормоза отпускается.

• Нажимая педаль тормоза, переведите селектор в положение «P» и два раза полностью выжмите педаль акселератора.

• Удерживая педаль тормоза, запустите двигатель, переведя ключ зажигания в положение «START».

3. Переход в режим «2WD Inspection Mode» отображается на многофункциональном дисплее комбинации приборов и загорается индикатор «READY ON». Бензиновый двигатель начинает работать постоянно.

Монитор Prius 10 в сервисном режиме

А вот как этот режим отображается на мониторе в Prius К10.

При этом значок машинки с восклицательным знаком не просто горит, а мигает!

Панель приборов Prius в сервисном режиме

Как видите, это очень похоже на какую-то «ошибку», но пугаться не стоит. Все эти «ошибки» пропадут при деактивации сервисного режима, т. е. при выключении зажигания. На спидометре при этом треугольник с восклицательным знаком не загорается.

Монитор Prius 11 в сервисном режиме

На Prius К11 сервисный режим активируется и деактивируется аналогично К10. На мониторе будет следующая картинка.

Монитор Prius 20 в сервисном режиме

На Prius 20 мы увидим несколько другую картинку при активации сервисного режима.

Монитор Prius 30 в сервисном режиме

Вот что мы видим при активации сервисного режима на Prius 30.

То есть ко всему увиденному на предыдущих моделях Prius добавляется еще и значок отключенной системы VSC и TRC.

4. Для выхода из режима «2WD Inspection Mode» выключите зажигание.

Монитор Lexus-400Н в сервисном режиме

Но гибриды у нас существуют не только переднеприводные, но и полноприводные.

Обслуживание полноприводных гибридных автомобилей Lexus RX400H / Toyota Harrier, Estima, Alphard и других подобных им требует грамотных знаний о специализированном режиме проверок. Иначе при некоторых ситуациях возможны серьезные поломки, например системы полного привода.

Особенностью данных автомобилей является то, что они оснащены системой полного привода (режим 4WD), подключение которого осуществляется посредством электронного управления. Поскольку в режиме 4WD при выполнении проверок на беговых барабанах (на тормозном стенде) могут возникнуть условия для срабатывания систем VSC и TRC, то необходимо отключить режим 4WD. Однако на автомобилях нет выключателя или рычага, позволяющего сделать это. Поэтому для проведения данных проверок необходимо использовать специальный сервисный режим «Inspection Mode (2WD)». В этом режиме будут отключены системы VSC и TRC и система контроля полного привода (отключен задний электродвигатель).