Электродвигатели гибридных автомобилей

«Электродвигатели гибридных автомобилей»

 

Выполнил:

Студент гр. С3а ГОУ  ВПО НГПУ

Гусев А.В.

Общие сведения

 

• Механизм работы гибридной установки прост. Под капотом машины установлены два двигателя: один – обычный бензиновый, а другой – электрический. Во время передвижения с небольшой нагрузкой и скоростью либо в городской пробке в работу вступает электрический двигатель, который получает энергию от батареи. Бензиновый двигатель тоже при этом работает, но он топлива совсем не потребляет. Отключится он и когда машина будет двигаться накатом либо длительно тормозить, как при затяжном спуске. При большой загрузки или на трассе работать будет только бензиновый мотор, а с ним связанный генератор в это время будет подпитывать тяговую батарейку, а сам электрический мотор будет отдыхать.
• В случае критического маневра, например, при экстренном обгоне либо рывке под горочку, запустятся сразу два мотора. Но львиную часть времени у гибрида «трудится» электродвигатель, что позволит сэкономить до 25% топлива.
• От того, какую роль будет играть электромотор в силовой установке, гибриды бывают умеренные и полные. У умеренных электромотор является помощником двигателя внутреннего сгорания, а полные гибриды могут ехать какое-то расстояние на одной электротяге.

Гибриды вчера

 

• В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойным смесеобразованием.  
  Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают на чрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то время как у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин, степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах 16-17. 
•  
  Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такие двигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин (Италия, государства Южной Америки).  
  Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижения расхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках.  
  Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один - гибридный, представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее известная поговорка "все новое - это хорошо забытое старое" и в этот раз сработала на 100%.  
  Как оказалось, "первые ласточки" появились на рубеже XIX-XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago "гибридные" грузовики сходили до 1940 года. 
•  
  Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?  
  На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида "в массы" тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей). 

Гибриды сегодня

 

• Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой - экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение - геологи, все настойчивее напоминающие об истощении запасов "черного золота". 
•  
  Сегодня смело можно сказать: эпоха ДВС как основного источника энергии на автомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.  
  Спустя ровно 110 лет (в 1997 году) после появления первого гибридного автомобиля компания Toyotaпредставила массовую модель Prius. Изюминка Prius - электромотор, батарею которого не надо заряжать от внешней сети. Энергия для заряда аккумулятора вырабатывается прямо на борту автомобиля. Мощность 1,5-литрового бензинового двигателя этой модели - 53 кВт (57 кВт - Prius 2-го поколения), тягового электромотора - 33 кВт (50 кВт - Prius 2-го поколения). Максимальная скорость составляет 160 км/ч, а расход топлива 4,6 л (4 л - Prius 2-го поколения) на 100 км. В 2004 году на Международном конкурсе в Германии силовой агрегат ToyotaPrius занял первые места сразу в четырех (!) номинациях, в том числе и в самой престижной - "Лучший двигатель 2004 года".  
  Toyota Motor Corp приступила к продаже первого седана с гибридным электро-бензиновым двигателем маркиLexus в Японии. В апреле японский автопроизводитель начнет продавать автомобиль Lexus GS450h на зарубежных рынках. 
•  
  Второй по величине в мире автопроизводитель заявил, что стремится вдвое сократить расходы на производство гибридных двигателей и цену на них. Сейчас цены на GS450h начинаются с 6,8 миллиона иен (57950 долларов), тогда как на версии с бензиновым двигателем объемом 3,5 литра они составляют 5,2 миллиона иен (44310 долларов), а на версии с двигателем 4,3 литра - 6,3 миллиона иен (53690 долларов), сообщает Reuters.  
  В 2005 корпорация Toyota Motor разработала гибридный двигатель третьего поколения, совмещающий в себе бензин и электроэнергию. Этот двигатель меньшего размера, который позволит сократить затраты как на топливо, так и на производство, будет применяться на практике в 2008 году.  
  Volvo Group в марте 2006 года объявила о создание гибридного двигателя для тяжёлых машин, таких, как тягачи полуприцепов и автобусы. Компания заявляет, что их разработка позволяет получить 35% экономию топлива в условиях города с интенсивным движением. Важная часть новой гибридной технологии, получившая название I-SAM. 

Из чего состоит  гибридный автомобиль

 

• Любое транспортное средство, которое имеет два или более источников энергии, достаточной для движения можно назвать гибридным.  
  - Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - Гибридная машина имеет привычный бензиновый двигатель. Хотя современные высокие технологии позволяют делать его меньшим по габаритам, более экологичным и экономичным.  
  - Топливный бак - Здесь хранится топливо для двигателя. Бензин обладает большим энергетическим запасом, нежели электрические батареи. Для примера, батареи весом 450 кг отдадут столько же энергии, сколько и 3,5 кг бензина.  
  - Электромотор - Очень "продвинутый" элемент. Современная электроника делает его и мотором и генератором одновременно. Например, когда это необходимо, энергия берется из электрических батарей и ускоряет автомобиль. Но тормозя машину, двигатель переходит в режим генератора и восстанавливает энергию.  
  - Генератор - Схож с электромотором, но работает только в режиме запасания энергии (используется, главным образом, в серийных гибридных автомобилях).  
  - Батареи - Источник энергии для электромотора, в отличии бензинового ДВС, электромотор может не только "брать" энергию, но и запасать её в батареях.  
  - Трансмиссия - Функции те же, что и у трансмиссии на традиционных автомобилях с ДВС. Некоторые гибридные машины (Honda, например) имеют стандартную трансмиссию, другие же ( Toyota Prius) оснащаются радикально новой. 

Схема работы гибридного двигателя

 

• Последовательная схема. В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.  
  Параллельная схема. Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса.  
  Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. 
  Последовательно - параллельная схема. Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальная эффективность силовой установки. 

Начало движения

 

• Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.  
  Движение в нормальном режиме  
  В этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов; энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.  
  В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.  
  Стоит упомянуть, что при движении в нормальном режиме система автоматически переходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняется полный.  
  Разгон  
  Бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, при необходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромоторов.  
  Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересно сравнить эту систему с турбированным двигателем. В то время как работа последнего может сопровождаться "турбозадержками", гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительной энергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента

Плюсы и минусы гибрида

 

• К достоинствам гибридного автомобиля можно отнести то, что ДВС гораздо меньше, по сравнению с обычным автомобилем, и при этом более эффективен. Но как же может такой "малыш" уживаться на дороге со своими более мощными собратьями?  
  Давайте сравним Chevrolet Camaro с его огромной V-образной "восьмеркой" с нашей гибридной машиной, с её маленьким ДВС и электромотором. Мощности движка Camaro вполне достаточно (и даже более чем достаточно!), для того, чтобы справиться с любой дорожной ситуацией. Мотора же нашего гибрида достаточно для движения по ровной дороге, но как только нужно въехать на склон или просто проехаться "с ветерком" ему требуется помощь. "Руку помощи" он получает от электромотора с его батареями. Эта система и предоставляет необходимую добавку энергии.  
  Недостатки. Чтобы машина стала привлекательной для человека, она должна удовлетворять определенным минимальным требованиям. Автомобиль должен:  
  - Ехать по крайней мере 400 км. без дозаправки.  
  - Заправка не должна быть сложной и долгой.  
  - Подходить для езды при плотном дорожном движении. 

Гибриды завтра

 

• Итак, следующий этап развития двигателей - силовая установка, работающая на самом перспективном энергоносителе - водороде. Он является самым безвредным для окружающей среды, так как в результате химической реакции в качестве "побочного продукта" образуется простая вода. Происходят такие реакции в топливных камерах - керамических ячейках. Каждая ячейка перегорожена на 2 секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую подается водород. Мембрана обладает уникальным свойством: пропускает протоны, но задерживает нейтроны. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно, благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту электроэнергию (вполне возможно с некоторыми преобразованиями) можно использовать для питания электродвигателя. 

Итак

 

• Audi еще в прошлом году представила прототип A2 на водородном топливе. A2-H2 разгоняется "до сотни" менее чем за 10 секунд и развивает скорость 175 км/ч. Без дополнительной заправки автомобиль может преодолеть 220 км. Максимальная мощность гибридного двигателя составляет 136 л.с. Модель работает по технологии fuel-cell - за счет преобразования водорода в электричество вследствие химической реакции с кислородом. При небыстрой езде А2 работает на обычном двигателе, а для быстрого разгона задействуется аккумулятор, который постоянно подзаряжается за счет рекуперативного (регенеративного) торможения. Но на данный момент у немецкой компании нет намерения запускать автомобиль в серийное производство - A2-H2 был сделан исключительно в исследовательских целях.  
  BMW обещает представить первый серийный гибрид уже через три года. По словам баварцев, это будет машина седьмой серии с двигателем, работающим на бензине и водороде. Первые образцы "водородных семерок" уже совершили пробный пробег по нескольким странам Европы, чем вызвали неподдельный интерес со стороны прессы.  
  BMW планирует использовать водород в двигателях внутреннего сгорания, а не в топливных камерах, как предлагают делать другие производители. Прототип BMW H2R, оснащенный именно таким двигателем (созданном на базе стандартного 12-цилиндрового агрегата от модели 760i), поставил сразу 9 мировых рекордов скорости. Разогнавшись до 302,4 км/ч, он стал самым быстрым среди бензиново-водородных гибридов.  
  Volkswagen пока делает ставку на экономичные дизельные моторы.  
  Например, экспериментальный Golf с дизелем и вспомогательным электромотором по параметрам расхода топлива и динамике разгона сравним с Prius. Но под капотами "народных автомобилей" гибриды найдут место еще не скоро, слишком дорого это обойдется концерну.  
  Ну а пока немцы "исследуют", японцы - производят.  
  Ford, Nissan, Porsche - рассчитывают получить технологии гибридных установок у Toyota. GM, Honda и корейские автопроизводители разрабатывают собственные "теории гибрида".