ЧТО ТАКОЕ ГИБРИД?
В последнее время, отчасти с подачи небезызвестного Илона Маска, считается, что только электромобили заслуживают звания автомобилей будущего, самых продвинутых, самых экономичных, самых экологически чистых и т. д. Доля правды в этих утверждениях, конечно, есть, но, как всегда, есть и некоторый нюанс, а рассмотрим мы его несколько позже. Пока же перейдем к героям нашей статьи, в последнее время незаслуженно отодвинутым в сторону, — гибридным автомобилям.
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 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». Одним из вариантов решения этой проблемы являются гибридные силовые установки, которые используют сразу несколько двигателей различных типов в одной связке.
Кроме такой комбинации, есть, конечно, дизельные, водородные и полностью электрические силовые установки. Однако специалисты утверждают, что дизельные двигатели практически исчерпали возможности модернизации. Как ни парадоксально, водородные автомобильные двигатели в нашем списке наименее экономичны, неэкологичны и являются наиболее дорогими! На выхлопе у таких автомобилей действительно образуется чистая вода.
Проблема в другом — водород в чистом виде в природе не встречается, для его получения нужна электроэнергия, которая чаще всего получена в результате сжигания органического топлива. На экспериментальных водородных заправках в Калифорнии для выработки водорода сжигался тот же самый бензин. Только для того, чтобы водородный автомобиль проехал те же 100 км, бензина нужно сжечь гораздо больше, чем на той же дистанции его израсходует обычный автомобиль. Ну а для чистых электромобилей все упирается в легкие, дешевые и весьма емкие аккумуляторы — со способностью к быстрой зарядке и при этом достаточно экологически чистые как в производстве, так и, самое главное, в утилизации.
Слово «гибрид» происходит из латинского языка и означает нечто, имеющее смешанное происхождение или сочетающее разнородные элементы. Гибридный автомобиль — это автомобиль, использующий для привода ведущих колес более одного источника энергии. В настоящее время автопроизводители применяют совместное использование ДВС и электродвигателя, что позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, повышая топливную эффективность силовой установки.
Электродвигатель (или электродвигатели) питается энергией от высоковольтной аккумуляторной батареи (ВВБ). В качестве промежуточного накопителя, помимо аккумуляторных батарей (АКБ), также могут использоваться батареи конденсаторов и ионисторы (суперконденсаторы). В случае применения накопителя энергии значительной емкости гибридный автомобиль имеет возможность двигаться без включения двигателя внутреннего сгорания — в режиме электромобиля.
Давайте сравним автомобиль с обычным ДВС и электромобиль. Обыкновенный автомобиль способен проехать без дозаправки четыре-пять сотен километров и при этом отравить атмосферу некоторым объемом вредных веществ. Заправочных станций предостаточно в любом регионе, и пополнить запасы топлива можно за считанные минуты.
Электромобиль может проехать на одном заряде батарей в среднем порядка 100 … 200 км. Он экологически чист, бесшумен и практически безупречен до того момента, пока не наступает очередь подзарядки аккумуляторов. У существующих в наше время «электрических» машин этот процесс длится несколько часов. Возможен, конечно, и быстрый заряд, но, во-первых, он весьма энергоемок и, следовательно, требует мощной линии питания, а, во-вторых, быстрый заряд, как правило, не лучшим образом отражается на ресурсе аккумуляторной батареи.
Гибридные автомобили берут все лучшее от обоих двигателей: ДВС и электрического. Достоинство первого — в удобном энергоносителе, жидком топливе, а второго — в выдающихся моментных характеристиках. В отличие от ДВС, электромотор не нужно заводить и «раскручивать». Он может «ждать», не потребляя энергии на холостой ход. Но как только дали ток, сразу получили тягу на колесах, причем большую, нежели у ДВС на низких оборотах. И тяга электродвигателя линейно зависит от этих самых оборотов. Все видели, как на подъеме троллейбус легко обгоняет автобус, — именно благодаря характеристикам электродвигателя такое возможно. Поэтому электродвигатель эффективнее двигателя внутреннего сгорания в режиме частых стартов/стопов (т. е. при езде в городском цикле). ДВС, наоборот, более эффективен на постоянных, оптимальных для данного двигателя оборотах.
Первым засвидетельствованным гибридным автомобилем был Lohner-Porsche Mixte Hybrid. Детище фабрики Lohner-Werke и Фердинанда Порше впервые было показано на Парижской всемирной ярмарке в 1900 г. Поэтому можно со всей серьезностью утверждать, что идея гибрида не нова, ей уже более ста лет. Бензиново-электрический автомобиль Lohner-Porsche использовал ДВС в качестве генератора и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, питавшие электродвигатели, установленные непосредственно в ступицах колес автомобиля.
Прошло 60 лет, и еще один легковой автомобиль внес свой весомый вклад в будущее развитие гибридных автомобилей. Это был AMC Amitron. Он стал первым американским автомобилем, который начал использовать систему рекуперативного торможения, жизненно важную технологию в области гибридных транспортных средств, начиная от микрогибридов и заканчивая полноценными гибридными машинами.
Современная история гибридных автомобилей начинается в 1990-х гг. Первые модели гибридных автомобилей выпустил концерн Toyota Motor в 1997 г. Через два года автоконцерн Honda вывел на рынок инновационную модель Insight. Спустя некоторое время продолжили добрую традицию японских производителей автогиганты Европы и Америки, а именно Ford, Audi, Volvo и BMW. К концу 2014 г. общая численность автопарка произведенных и проданных гибридов составила более 7 миллионов машин. За 2015 г. эта цифра выросла еще более чем на 540 тысяч (с учетом подключаемых гибридов).
А к 2023 г., по прогнозам авторитетных экспертов, доля гибридных автотранспортных средств на мировом рынке достигнет порядка 25 %. С каждым годом крупные мировые производители совершенствуют выпускаемые гибридные автомобили, оснащая их системами рециркуляции отработанного газа, изменения фазы газораспределения и стоп-старта. Идет речь про установку термоэлектрических генераторов для преобразования тепла работающего ДВС в электричество.
Многие инновационные разработки положительно себя зарекомендовали в процессе эксплуатации транспортных средств. С их помощью удается сэкономить дорогостоящее топливо и уменьшить вред состоянию окружающей среды. Благодаря усовершенствованной аэродинамике и шинам с пониженным уровнем сопротивления качению удается обеспечить комфорт во время поездки, хотя в той же степени это относится и к автомобилям с традиционной силовой установкой. Наибольший эффект от эксплуатации гибридных автомобилей достигается при движении по городским улицам со свойственными такой езде частыми остановками и работой в режиме холостого хода.
По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих двигательной установки электрические гибриды бывают последовательные (Extended Range Electric Vehicle), умеренные, или параллельные (Mild Hybrid), и полные, или последовательно-параллельные (Full Hybrid). В том случае, если зарядка накопителя может производиться не только от основного двигателя, но и от электрической сети, говорят о «подключаемом гибриде» (plug-in hybrid electric vehicle, или PHEV). Для такого автомобиля превалирующим может стать использование розетки, а не подзарядка от бензинового или дизельного мотора.
Автомобили PHEV достаточно разнообразны, начиная от Toyota Prius Prime до Ford Fusion Energy и заканчивая минивэном Chrysler Pacifica Plug-In Hybrid. Этот вид «гибридизации» автомобиля подразумевает наличие батарей емкости большей, чем в обычных гибридах. Наглядный пример: в гибридный Hyundai Ioniq устанавливаются литий-ионные полимерные аккумуляторы на 1,56 кВт∙ч. Плагин-гибридный вариант Hyundai Ioniq при этом поставляется с пакетом литий-ионных полимерных батарей на 8,9 кВт∙ч. Главным недостатком вариации PHEV по сравнению с гибридами других систем является дополнительный вес большой батареи. Тем не менее автомобили PHEV позволяют ездить в электрическом режиме на короткие расстояния а в некоторых случаях вообще исключить заправку топливом.
Кроме аккумуляторной батареи, ранее для накопления энергии использовались также инерционные накопители (маховики) и пневматические аккумуляторы в паре с двигателями на сжатом воздухе. Однако широкого распространения такие варианты не получили из-за сложности эксплуатации и невысокого КПД.
Тем не менее именно двигатель на сжатом воздухе и ДВС пытаются заставить работать вместе французские инженеры. Интересную цель поставили перед собой французские производители PSA Peugeot Citroen — ими была инициирована программа по снижению расхода топлива. Эта группа автопроизводителей ведет разработки гибридной силовой установки, которая смогла бы тратить всего два литра топлива на сто километров пути. Инженерам компании уже есть что показать — сегодняшние наработки позволяют экономить до 45 % топлива в сравнении с обыкновенным ДВС. Пусть даже с такими показателями в два литра на сотню пока что не уложиться, но к 2020 г. обещают покорить и этот рубеж.
Двигательная установка, разработанная ими, называется Hybrid Air и, как становится понятным из ее названия, помимо традиционного топлива, использует энергию сжатого воздуха. Ранее с подобными системами экспериментировали некоторые компании и институты в США, Корее, ряде других стран, но ни одна разработка так и не стала массовой.
Концепция Hybrid Air не столь сложна и представляет собой гибрид трехцилиндрового ДВС и гидравлического двигателя — насоса. В качестве баков для альтернативного топлива в центральной части авто и под пространством багажника установлены два баллона: который побольше — для низкого давления; а тот, что поменьше, соответственно для высокого. Разгон автомобиля выполняется на ДВС, после набора скорости в 70 км/ч в работу включается двигатель на сжатом воздухе. Посредством этого двигателя и планетарной трансмиссии энергия сжатого воздуха превращается во вращательное движение колес. Кроме того, на таком автомобиле предусмотрена и система рекуперации энергии — во время торможения мотор выступает в роли помпы и закачивает воздух в баллон низкого давления, т. е. столь желанная энергия не пропадет даром.
Несмотря на появление ряда концепт-каров, силовая установка Hybrid Air все же, как и другие аналогичные ей, к настоящему времени не добилась коммерческого успеха. Тем не менее сама попытка решить столь сложную техническую задачу заслуживает как минимум уважения.
Продолжение следует.
Статья была опубликована в майском номере журнала "Наука и техника" за 2018 год
