Что такое параллельный гибрид?
Схема гибридной силовой установки параллельного типа запатентована еще в 1905 г. немцем Генри Пипером. Электромотор в данном случае выполняет вспомогательную роль. И ДВС, и электродвигатель механически соединены с колесами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность их работы как по отдельности, так и совместно.
Тяговый электромотор является дополнительным, он помогает резко ускоряться и трогаться с места. Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах.
Момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор. Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему. Поэтому параллельные гибриды могут использовать меньшую аккумуляторную батарею по сравнению с последовательными гибридами. Поскольку ДВС непосредственно связан с колесами, то и потери мощности значительно меньше, чем в последовательном гибриде.
Паралельные гибриды Honda
Приверженцем такой схемы гибридов является компания Honda. Гибридная система этой компании получила название Integrated Motor Assist (интегрированный помощник двигателя). Она предусматривает прежде всего использование бензинового двигателя с увеличенным КПД. И лишь тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже, кроме того, возможно ее применение вместе с механической коробкой передач, что еще больше уменьшает стоимость.
Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность, и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов.
Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохраненная при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнет ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдет на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях, не считая потерь, конечно.
В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Как вариант, традиционный стартер и генератор могут быть полностью заменены на электродвигатель, который используется для запуска двигателя и его поддержки. Электромотор и батареи в данном случае также не предназначены для того, чтобы самостоятельно приводить автомобиль в движение.
Именно здесь и кроется суть параллельного гибрида — крутящий момент, используемый для движения, может быть поставлен тяговым электродвигателем параллельно, одновременно с обычным бензиновым, газовым, спиртовым либо дизельным двигателем.
Момент и продолжительность активации электромотора определяются в соответствии с условиями движения. Это, вкупе с рекуперацией, позволяет улучшить динамику и несколько повысить экономичность транспортного средства. Экономия топлива у умеренных гибридов составляет 15 … 20 %.
Integrated Motor Assist входит в состав силовой установки целого ряда автомобилей Honda: Honda J-VX, Honda Insight, Honda Dualnote, Honda Civic Hybrid, Honda Accord Hybrid, Honda CR-Z и Honda Fit/ Jazz Hybrid. Honda Insight стал первым серийным гибридным автомобилем, продаваемым в США.
Тесты показали, что, несмотря на использование упрощенной гибридной установки, новая модель Honda Insight 2008 г. расходует около 5,35 л топлива на 100 км, что не слишком уступает показателям более совершенного Toyota Prius 2009 модельного года. Обозреватели также отметили, что, несмотря на использование передовых гибридных технологий, у Insight, как и у Prius, уровень выбросов углекислого газа в атмосферу больше, чем у некоторых экономичных дизельных двигателей, и превышает 100 г/км.
Наиболее красивый параллельный гибрид — это, конечно, LaFerrari. Ferrari LaFerrari представляет собой один из самых амбициозных проектов итальянского автопроизводителя. Общая мощность силовой установки суперкара составляет 963 лошадиные силы, 800 из которых производит основной двигатель, а дополнительные 163 — электромотор.
Благодаря используемой в «Формуле-1» системе HY-KERS, которая была специально адаптирована для LaFerrari, между двумя двигателями автомобиля настроено идеальное взаимодействие. Эту систему разработали конструкторы «Формулы-1» из Gestione Sportiva: она на 40 % снижает выброс СО2 и повышает мощность V12 на 10 %. Возможность достижения высокого крутящего момента на низких оборотах электромотора позволила инженерам оптимизировать производительность ДВС.
Очевидно, что Ferrari стремится окружить машину аурой экологичности, но в центре внимания по-прежнему остается ДВС V12. «Гибрид — лучший способ повысить динамику, уменьшив выбросы, — объясняет исполнительный директор компании Амедео Фелиза. — Мы заинтересованы в уменьшении литража (турбонаддув) и отключении цилиндров тоже. Но это лучший способ сохранить архитектуру V12, от которой Ferrari не хочет отказываться. Однако уменьшение выбросов — не главная цель гибридного Ferrari. Цель — улучшить ощущения от ходовых качеств, динамики машины. Иначе мы рискуем утратить основную черту ее натуры». Поэтому в компании Ferrari отказались от подхода McLaren, чей P1 может проехать на электротяге 16 км. «Нам не нравится концепция электромобиля, ведь одна из главных черт Ferrari — звук мотора, — твердо говорит Фелиза. — Мы видим два источника энергии, используемых одновременно».
Микрогибриды
Также к параллельным гибридам можно отнести так называемые микрогибриды. Микрогибриды — это, по сути, любые автомобили, имеющие технологию стартстоп. В отличие от настоящих гибридов, эти машины при движении полагаются только на ископаемое топливо. Однако в рамках этого типа существуют три подтипа:
1) машины, оборудованные системой старт-стоп;
2) машины, оборудованные системой старт-стоп и рекуперативным торможением;
3) машины, оборудованные системой старт-стоп, рекуперативным торможением, продвинутым аккумулятором и стартер-генератором.
Наиболее известны микрогибридные системы Mazda i-Eloop (входит в набор систем Mazda 6), Ford Auto Start-Stop (устанавливается на Ford F-150 с 3,5-литровым EcoBoost V6) и Kia Idle Stop & Go. Стоит отметить, что так называемая система Kinetic Energy Recovery (или KERS), она же система рекуперации кинетической энергии, применяется в том числе и в болидах «Формулы-1».
Такая схема позволяет сократить расход топлива на 3 … 7 %, и, вероятнее всего, это решение очень скоро получит всеобщее распространение и станет обязательным атрибутом современного автомобиля, как, например, кондиционер или система впрыска топлива. Уже сейчас системы микрогибридов есть практически на всех моделях BMW и Mercedes, а также начинают появляться на бюджетных автомобилях.
Стоит отметить, что в системе i-Eloop, кроме аккумулятора, задействован еще компактный суперконденсатор, который многократно быстрее накапливает заряд, это позволяет сделать рекуперацию энергии более эффективной. Таким образом, удалось сократить расход топлива на 10 %.
Кроме рекуперативного торможения, есть и другие методы выработки электричества. Audi разработала прототип подвески eROT, которая получает электроэнергию от неровностей на дорогах. В Германии дорожное полотно позволяет восстанавливать в среднем 100 … 150 ватт.
В связке с электрической установкой с напряжением 48 вольт такой тип подвески позволит вырабатывать дополнительную энергию для работы двигателя. Созданная Audi подвеска использует специальный рычаг для абсорбирования движения колес по неровной поверхности. Рычаг направляет это движение в электромотор, который преобразует его в электричество. В компании заявляют, что во время испытаний на немецких дорогах система eROT позволила восстановить в среднем до 100 … 150 ватт энергии.
(Продолжение следует)
Статья была опубликована в июньском номере журнала "Наука и техника" за 2018 год
