Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора

Что такое гибридные автомобили?

Гибридный автомобиль – это машина, которая использует не только обычный двигатель внутреннего сгорания, функционирующий на бензине либо дизеле, но и альтернативный источник  в виде электродвигателя.

Второй мотор начинает работать при небольших оборотах, что позволяет значительно сэкономить топливо, к примеру, при загруженном трафике на дороге. Также гибридные авто более экологически чистые, что делает их более популярными.

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.

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.

Преимущества и недостатки гибридов

Hybrid-pro-et-contra
Преимущества гибридных машин:

  • Заметное уменьшение расхода горючего. Показатель затрат топлива у гибридных представителей до 30 % ниже по сравнению с обычными автомобилями. Сжигание меньшего количества горючего одновременно позволило снизить уровень токсичности гибридов. Получается, гибридные автомобили являются более экономными и экологически чистыми по сравнению с аналогами, которые оборудуются только ДВС;
  • Снижение шума в процессе работы;
  • Долгая служба деталей тормозной системы;
  • Гибридные авто по сравнению с электромобилями имеют большой запас хода и являются универсальными при ежедневной эксплуатации. Гибрид не нужно обязательно заряжать от электросети, его можно заправлять бензином. После сгорания топлива часть энергии собирается в аккумуляторе, благодаря которому начинает работать электродвигатель. Дополнительным источником питания для заряда аккумулятора есть преобразование кинетической энергии движущейся машины в электричество;
  • Также гибриды имеют ряд конструктивных решений и вспомогательных систем для большой экономии и уменьшения уровня вредных выбросов: система старт-стоп и т.д.

К недостаткам гибридных автомобилей можно отнести большую начальную стоимость, а также некоторые сложности при ремонте и обслуживании данных моделей. Еще одним недостатком можно назвать возможный критический разряд аккумулятора и его быстрый вывод из строя при больших перепадах температуры.

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).

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

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
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.

Классификация по степени электрификации

Разбираясь в особенностях гибридных двигателей, поговорим и о различном применении электромоторов. Степень электрификации машины указывает на возможности электрической установки. В одном случае, она идёт как приложение, в другом — позволяет полноценно передвигаться на электротяге. Чтобы понять насколько прогресс ушёл вперёд, рассмотрим этапы электрификации последовательно.

Микрогибрид

Двигатель-микрогибрид представляет собой простейшую форму гибридизации. Автомобиль оснащается системой «Старт-Стоп», в которой электрическая установка используется, как стартер и генератор, но не передаёт энергию колёсам. Во время работы машины на холостом ходу блок управления глушит бензиновый двигатель, позволяя сэкономить топливо. В среднем расход в городе снижается на 10%.

Работа системы Старт-стоп

Энергия, сохранённая от рекуперативного торможения, питает систему «Старт-Стоп» и бортовые устройства.

В силовую установку микрогибрида устанавливают штатную коробку передач с импульсным масляным насосом. В режиме «Старт-Стоп», пока двигатель не работает, необходимо сохранить элементы переключения включенными. Насос поддерживает давление масла в каналах КПП, чтобы после запуска двигателя, автомобиль был готов ехать спустя 0,3 с.

Мягкий гибрид

Термин «мягкий» или «умеренный» гибрид означает, что электромотор используется в автомобилях как лёгкая «поддержка» ДВС. Основную работу в режиме ускорения и штатного движения выполняет бензиновый двигатель. Суть использования электрической установки — помощь при трогании и ускорении автомобиля, а также для подзарядки батареи во время торможения. Мощность электродвигателя не превышает 50 кВт.

К гибридам подобного действия относятся: BMW 7 ActiveHybrid, Honda Civic Hybrid, Suzuki Smart Hybrid, Mercedes S 400 Hybrid.

Обычные гибриды, они же «полные» или Full Hybrid Electric Vehicle

Этот тип автомобилей способен ездить при полном отсутствии помощи ДВС, при этом удается вписаться в ограничение «95 г СО2 на километр» с запасом. Пополняется заряд как за счет рекуперации энергии торможения, так и непосредственно от ДВС. Конструкция — гораздо более сложная, дорогая и к тому же высоковольтная, что влечет за собой определенные сложности при ремонте (связанные с необходимой квалификацией работников). И на этапе разработки тут приходится учитывать особые требования к компоновке. «Полные» гибриды используют в своей конструкции интегрированный в коробку передач мотор-генератор, преобразователь постоянного тока, специальный инвертор EPIC, управляющий охлаждением высоковольтных компонентов при помощи отдельного электронасоса (батарея имеет напряжение около 260 В и водяное охлаждение), блок управления зарядным устройством батареи BECM, а также электрический компрессор кондиционера и высоковольтные провода в оранжевой обмотке (международное требование безопасности).

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора

Такой гибрид способен обеспечить бóльшую экономию топлива (до 20%) и дополнительную мощность и момент. Первым массовым гибридом стала Toyota Prius, увидевшая свет в 1997 году. Впоследствии эту конструкцию взяли на вооружение многие марки, хотя сейчас большинство отдает предпочтение подключаемым гибридам (о них ниже).

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Toyota Prius (слева) продолжает удерживать титул самого массового гибрида в мире. В России Prius плоховато продается через дилеров (всего 59 штук за прошлый год), но подержанные экземпляры из-за рубежа востребованы. Относительно большое распространение получили у нас различные гибридные модели Lexus — LS, RX, CT…  Компания JLR использовала технологию HEV в 2013-2016 годах на своих моделях Range Rover и Range Rover Sport

Подключаемые гибриды, или PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

Это еще более сложная и тяжелая схема: в среднем плюс 300 кг к массе автомобиля. Она позволяет совершать короткие поездки (до нескольких десятков километров) без участия ДВС. А главное отличие от обычных гибридов — наличие разъема для зарядки от сети. Тут аккумулятор уже не зарядишь за счет одной лишь рекуперации или от ДВС (точнее, зарядишь, но это невыгодно и долго). В конструкции присутствуют дополнительные компоненты (нагреватель охлаждающей жидкости, зарядный блок BCCM, отдельный стартер без генератора, электрический усилитель тормозов), а также более мощная и высоковольтная батарея. Также автомобиль получает дополнительный 12-вольтовый аккумулятор (или даже два) для электроусилителя тормозов и для стартера.

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Вся высоковольтная проводка в любой точке автомобиля выделяется оранжевым цветом. Прикасаться к таким проводам ни в коем случае нельзя даже на автомобиле с неработающим двигателем. Доступ к электрическим компонентам возможен только после полного обесточивания и размыкания контакторов высоковольтной аккумуляторной батареи, которая имеет отдельный контур водяного охлаждения (рабочая температура всегда должна поддерживаться на уровне 22-25°С), изображенный на рисунке справа. Внутрь высоковольтных компонентов не допускаются даже механики JLR, все они меняются только в сборе

К примеру: мотор-генератор, установленный в корпусе коробки передач Range Rover PHEV, способен дополнительно выдать 116 л.с. и целых 275 Нм крутящего момента, что, несомненно, является очень солидной прибавкой для установленной под капотом 2,0-литровой «турбочетверки» (300 л.с.). При этом суммарная отдача составляет 404 л.с. и 640 Нм, он разгоняется до «сотни» за 6,8 секунды, расход топлива составляет ничтожные 2,8 л в смешанном цикле «по паспорту», а количество выбросов СО2 — всего 64 г/км. Но в то же время на одной только электротяге такой Range Rover способен проехать всего 51 км, а на полную зарядку от домашней сети уходит около семи часов (2 часа 45 мин — от суперчарджера).

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора
Подзаряжаемые гибриды — редкость в России. В прежние годы у нас продавался Mitsubishi Outlander PHEV. Также одно время к нам поставляли аналогичные BMW X5 и 7-серии. А вот подзаряжаемая модификация Toyota Prius в России не продается. В JLR технологию PHEV применяют на внедорожниках Range Rover P400e и Range Rover Sport P400e. На фото справа видно, как плотно упакован багажник версии P400е: основной аккумулятор, два 12-вольтовых, блоки предохранителей, куча проводки и трубки охлаждения. Под днищем компоновка еще более «хитрая»

Как работает гибридный мотор на примере Тойота Приус

Этот автомобиль выпускается уже в третьем поколении и достиг определённой степени совершенства, хотя конкурирующие гибриды продолжают наращивать сложность и эффективность конструкций.

Гибридный автомобиль: принцип работы, что значит, схема мотора

Основой привода здесь является принцип синергии, по которому в создании крутящего момента на колёсах могут в любом сочетании участвовать ДВС и электромотор. Параллельность их работы обеспечивает сложный механизм планетарного типа, где потоки мощности смешиваются и через дифференциал передаются на ведущие колёса.

Трогание с места и стартовое ускорение выполняет электромотор. Если электроника определяет, что его возможностей недостаточно, подключается экономичный бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона.

В обычных автомобилях с моторами Отто такой термический цикл применять нельзя из-за переходных режимов. Но тут их обеспечивает электродвигатель.

Исключён режим холостого хода, если у Toyota Prius автоматически запускается ДВС, то для него сразу же находится работа, помогать в разгоне, заряжать батарею или обеспечивать климатическую установку.

Постоянно имея нагрузку и работая на оптимальных оборотах он минимизирует расход бензина, находясь в самой выгодной точке своей внешней скоростной характеристики.

Традиционный стартер отсутствует, поскольку такой мотор можно запустить только раскрутив его до значительных оборотов, что и делает реверсируемый генератор.

Аккумуляторы имеют разную ёмкость и напряжение, в наиболее сложной подзаряжаемой версии PHV это уже вполне обычные для электромобилей 350 вольт при 25 А*ч.

Проверка и обслуживание гибридных автомобилей

Батареи, как правило, требуют замены через 15-20 лет, для электродвигателя не исключено наличие пожизненной гарантии. Обслуживание гибридных автомобилей рекомендуется проводить только в официальных сервисных центрах, которые оснащены специальным оборудованием и где работают специалисты, обученные принципам сервиса автомобилей этого вида. Проверка гибридного авто включает в себя:

  • диагностические коды ошибок;
  • гибридная батарея;
  • изоляция батареи;
  • работоспособность системы;
  • система охлаждения. 

Эксплуатация гибридов: разрушаем мифы

Батарея в гибридном авто

  • 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.

Лучшие гибридные автомобили

А теперь перейдем к описанию самых востребованных и популярных моделей гибридных авто.

Toyota Prius

Самый первый серийный гибрид. Кроме того, именно этот автомобиль считается самым «эффективным» – он оснащен двигателем, КПД которого достигает 40% (цифра, пока недостижимая для других производителей). Плавный ход, достигаемый благодаря независимой подвеске, не оставит равнодушным даже самых искушенных автолюбителей.

Тойота Приус – крайне экономичный гибрид (расход топлива – от 2,45 л на 100 км). При этом автомобиль может развивать скорость на трассе до 180 км/ч.

Конструкция авто четко продумана – батареи перенесены из багажного отсека под пассажирские задние сиденья для максимального расширения полезного пространства багажника.

Как вы могли заметить, преимуществ у этой машины масса: от привлекательного внешнего вида до высокого уровня безопасности. Минус только один – высокая стоимость авто в базовой комплектации (ну а если рассматривать варианты более расширенной оснастки, то цена даже на вторичном стартует от 15000 долларов и выше).

Chevrolet Volt Hybrid

Chevrolet Volt Hybrid 2018
Chevrolet Volt Hybrid. Данный автомобиль представляет собой переднеприводный четырехместный хэтчбек. Главным достоинством этой модели является то, что электромоторов, мощностью 149 л.с. хватает на 60 км при езде по городу, без расхода топлива и с сохранением характеристик. Однако большим недостатком Chevrolet Volt является большая стоимость.

Если вы интересуетесь будущим этого и других автомобилей этой марки, рекомендуем ознакомиться с последними новостями Chevrolet.

Chevrolet Malibu Hybrid

Chevrolet Malibu Hybrid 2019

Chevrolet Malibu Hybrid. Это большой комфортный и вместительный седан, который имеет выразительный дизайн и качественно проработанный салон с современной техникой и богатым оснащением. По мнению экспертов, авто хорошо подойдет тем клиентам, которым нравится свободное пространство. В состав гибридной установки входит двигатель объемом 1.8 л и пара электромоторов. Средний расход топлива данной модели составляет 5.2 л на 100 км. Для авто предусмотрены десять подушек безопасности и камера заднего вида, что делает его более безопасным.

Lexus RX 450h

Смелый дизайн, современное оснащение, самые передовые технологии – все это соединяет в себе ультрасовременный автомобиль-гибрид от компании Lexus. Это машина класса «Люкс». Разработчики позаботились не только о стильном дизайне – авто полностью укомплектовано элементами обеспечения безопасности пассажиров и водителя. Кроме того, не забыли конструкторы и о весьма приятных «мелочах», которые никак не влияют на ходовую часть, зато делают путешествия более приятными и комфортными – акустическая система, шумоизоляция, бортовой компьютер с дисплеем на панели.

Конечно, такой автомобиль по карману далеко не всем – цены стартуют от 70000 долларов. При этом заправлять этот агрегат можно только 95 бензином. Естественно, запчасти и ремонт Лексуса также обойдется владельцу в весьма круглую сумму.

Вывод

Приобретая автомобиль-гибрид, многие автолюбители сомневаются – стоит ли переплачивать 30% стоимость просто за наличие еще одного двигателя (электрического). Наш ответ однозначен – конечно же, стоит! Деньги, потраченные на покупку, вернутся вам уже через 2-3 года – вы будете заметно экономить на заправке, что, несомненно, положительно скажется на вашем бюджете. Кроме того, все гибриды – современные машины, оснащенные самими новыми разработками лучших конструкторов. Соответственно, вместе с автомобилем вы покупаете ежедневный комфорт и безопасность для вас и вашей семьи!

Источники

  • https://automonth.ru/rejting-gibridnyh-avtomobilej/
  • https://nahybride.ru/baza-znanij/kak-rabotaet-gibridnyj-dvigatel-avtomobilya
  • https://jplife.ru/stati/luchshie-gibridnye-avtomobili/
  • https://dvsoff.ru/tip/gibridnyj-dvigatel
  • https://www.drom.ru/info/misc/67656.html
  • https://AutoVogdenie.ru/kak-rabotaet-gibridnyj-dvigatel.html
  • https://zen.yandex.com/media/avtotachki/gibridnyi-avtomobil-chto-nujno-znat-5ec2990dd5408876452306cb
  • http://KrutiMotor.ru/avto-s-gibridnym-dvigatelem/

Оцените статью