История создания последовательной силовой установки
Нобели рано заинтересовались изобретением инженера Рудольфа Дизеля. Уже в 1898 г. Нобель приобрел чертежи дизеля мощностью в 20 л. с. Через несколько лет технических изысканий инженерам фирмы Нобеля удалось создать рабочий судовой дизель. Три таких двигателя были установлены в 1903 г. на нефтеналивную речную баржу «Вандал», построенную на Сормовском заводе и привезенную в Петербург, которая стала, таким образом, первым теплоходом в мире. На «Вандале» было установлено три дизеля, каждый мощностью в 120 л. с., которые приводили в движение винты при помощи электрической передачи, состоявшей из трех генераторов и электромоторов. В дальнейшем такая силовая установка, называемая дизель-электрической, получила определенное распространение на кораблях и судах во всем мире.
На суше подобную схему в период между мировыми войнами во многих странах пытались использовать на тяжелой специальной технике: танках, тягачах и т. п. Наиболее известны разработки германского конструктора Фердинанда Порше в годы Второй мировой войны: самоходная артиллерийская установка Sturmgeschütz mit 8,8 cm StuK 43 «Elefant», более известная как Ferdinand, сверхтяжелый танк Panzerkampfwagen Sd.Kfz 205 «Maus», и ряд разработок, не реализованных в металле. После Второй мировой войны повсеместно подобная схема использовалась на железнодорожном транспорте в тепловозах и, как и ранее, в силовых установках кораблей и судов.
Принцип действия и схема работы гибридной установки
Схема работы последовательного гибридного транспорта проста: ДВС проворачивает напрямую соединенный с ним генератор, вырабатываемый генератором электрический ток подается в электродвигатель, который, в свою очередь, приводит в движение колесо или колеса. Это избавляет от необходимости в коробке передач и сцеплении.
Свое название схема получила потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд последовательных преобразований: из механической энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания (ДВС), в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. При этом часть энергии неизбежно теряется.
Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД либо же его можно совсем отключить. При отключении ДВС электродвигатель и батарея должны быть в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения. Поэтому они, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а значит, они имеют и большую стоимость.
Преимущества и недостатки последовательных гибридов
Однако преимущество последовательных гибридных установок состоит в том, что дорогостоящая емкая аккумуляторная батарея не является их критически важным элементом — просто при ее отсутствии ДВС должен работать постоянно. Важной особенностью этой силовой установки является то, что сложения мощностей ДВС и электромоторов при вращении колес не происходит. Двигатель внутреннего сгорания никак не соединен с колесами такого автомобиля. Преимуществом такой схемы является возможность использования мотор-колес. Мотор-колесо представляет собой агрегат, объединяющий колесо и встроенные в него тяговый электродвигатель, силовую передачу и тормозную систему (таким образом, каждое мотор-колесо имеет индивидуальный привод).
Электродвигатель может функционировать в двух режимах — тяговом и генераторном. В тяговом режиме вращение передается с вала якоря электродвигателя, работающего в двигательном режиме, через редуктор к внутреннему зубчатому венцу ведущего колеса.
В генераторном режиме, используемом для электрического торможения, электродвигатель переходит в генераторный режим работы, а электроэнергия преобразуется в тепло на тормозном реостате (реостатное торможение) либо возвращается в электрическую сеть или применяется для зарядки аккумуляторов (рекуперативное торможение).
Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т. е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта.
По такому же принципу работают также большие карьерные самосвалы, в которых необходимо передать большой крутящий момент на колеса и для которых не требуются высокие скорости движения. Например, на карьерных самосвалах БелАЗ мощный дизель-генератор питает электромоторы, интегрированные непосредственно в колеса. Такая схема позволяет передать на колеса мощное тяговое усилие, критически важное для таких машин, и при этом полностью избавиться от механической трансмиссии: карданных валов, коробок передач, дифференциалов, раздаточных коробок и т. д., которые для требуемой мощности имели бы просто колоссальную массу.
Недостатком, препятствующим широкому распространению автомобилей — последовательных гибридов, являются относительно большие габариты, масса и стоимость электрических трансмиссий (особенно если используются электрические машины постоянного тока). Однако с развитием электротехнической промышленности и массовым распространением разных видов электрического привода для последовательных гибридов открываются новые возможности.
Применение на спорткарах
В мире легковых автомобилей последовательная схема гибридной силовой установки в основном применяется для спорткаров. Так, например, концепт-кар Alessandro Volta был разработан в 2004 г. компанией ItalDesign-Giugiaro S.p.A совместно с Toyota Motor Corporation. В качестве агрегатной базы концептуального спорткара был выбран внедорожник Lexus RX400, точнее, его гибридная модификация 400h. В Alessandro Volta применена среднемоторная компоновка, причем 3,3-литровый V6 мощностью 408 л. с. лишен механической связи с колесами. Привод осуществляют два электромотора, в переднем и заднем мостах. Электроэнергию вырабатывает сблокированный с ДВС генератор. Однако, к сожалению, далее концепт-кар развития не получил.
В 2017 г. новая китайская автомобилестроительная компания Techrules, специализирующаяся на разработке инновационных энергетических технологий, дебютировала на Женевском автосалоне с электрическим гиперкаром Nio EP9, оснащенным четырьмя мотор-колесами общей мощностью 1044 л. с. и крутящим моментом 8 640 Н∙м. Компания представила запатентованную технологию последовательной гибридной трансмиссии, основанную на системе турбинной зарядки электрических транспортных средств (TREV).
Для ее создания разработчики использовали опыт работы авиационных и электромобильных технологий. «Турбоэлектрическая» новинка была представлена в двух версиях: трековой AT96 (Aviation Turbine) и дорожной GT96 (Gas Turbine). Прототипы разгоняются до 100 км/ч менее чем за 2,5 с, максимальная скорость ограничена на отметке 350 км/ч, имеют невообразимый запас хода в 2 000 км и мизерный заявленный расход топлива 0,18 л на 100 км. В электрическом гиперкаре применили систему на основе микротурбогенератора, вырабатывающего электричество для подзарядки тяговых аккумуляторов емкостью 20 кВт∙ч. Батареи питают шесть электродвигателей, вес каждого составляет 13 килограммов. По одному агрегату разместили в передних колесах и еще по два — в задних.
Для газотурбинного двигателя имеется 80-литровый топливный бак, в котором могут быть авиационный керосин, дизельное топливо, бензин. Можно поставить и баллоны под природный или синтетический газ. Всасываемый микротурбиной воздух сжимается и попадает в теплообменник, где нагревается выхлопными газами, а затем поступает в камеру сгорания. Энергия от горения топливно-воздушной смеси через турбину передается на генератор, который смонтирован с турбиной на одном валу, вращающемся со скоростью 96 000 об/мин.
Шесть из вырабатываемых 36 кВт используются для питания вспомогательного оборудования, например инверторов. Остальные 30 кВт генератор отправляет литиево-марганцевой батарее с рабочим напряжением 760 В. Аккумулятор полностью заряжается за 40 минут, крутящий момент между двигателями распределяет четырехступенчатая система векторизации тяги. Вся система TREV смонтирована на заднем подрамнике. Ее вес без батарейного блока с жидкостным охлаждением и электромоторов не превышает 100 кг. На чистой электротяге гибриды Techrules способны пробежать 150 км (отсюда и низкий средний расход). Зарядить аккумулятор можно будет, когда и где угодно, хоть в пути, хоть без присмотра ночью.
TechRules собирается «через пару лет» построить гиперкар с микротурбиной, который выпустят ограниченным тиражом. В дальнейшем китайцы намерены разработать «более массовый городской автомобиль». Материнская компания TXR-S, у которой есть и другие дочерние фирмы, проблем с финансированием явно не испытывает и ведет исследования в самых разных областях, вплоть до аэрокосмических технологий.
Стоит отметить, что китайская компания не является пионером в этой области. Например, Jaguar показывала концепт-кар C-X75 с аналогичной системой привода еще в 2010 г. Он набирал «сотню» за три секунды, а разгон до 300 км/ч занимал 15,5 секунды. Британцы планировали выпустить 250 серийных машин с упрощенными силовыми установками и минимальными ценниками от $1,15 млн, однако впоследствии проект был закрыт.
И еще один пример. Британская компания Arash Cars собирается выпустить в свет 2080-сильный суперкар AF10 Hybrid. AF10 Hybrid оснастят 6,2-литровым компрессорным мотором V8 концерна General Motors, развивающим 900 лошадиных сил и 1 200 Н∙м крутящего момента. В состав силовой установки также войдут четыре 295-сильных электрических двигателя и комплект литий-ионных аккумуляторов. Суммарная отдача агрегатов составит 2 080 лошадиных сил и 2 280 Н∙м крутящего момента. Каждый электромотор будет работать в паре с отдельной двухдиапазонной трансмиссией. ДВС сможет сочетаться с шестиступенчатой механической или с секвентальной коробкой передач с подрулевыми лепестками.
Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов для широкого использования был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников упомянем прежде всего Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 километров (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой чисто электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.
Кроме этого, французская компания EP Tender разработала двухколесный прицеп с портативным двигателем внутреннего сгорания для зарядки электромобиля во время движения. Такой прицеп превращает в последовательный гибрид любой электрокар. ДВС-генератор, работающий на бензине, можно программировать благодаря мобильному приложению. Электроника отслеживает уровень заряда батареи и самостоятельно включает портативный генератор в случае необходимости. Как заявляют разработчики, мобильное зарядное устройство на прицепе позволит избежать длительных остановок для перезарядки аккумулятора.
(Продолжение следует)
Статья была опубликована в журнале "Наука и техника"
