10. Оптимальные области применения гибридных автомобилей различных типов

Из-за распространенности бензино-электрического гибридного привода его часто читают и единственно возможным. Все производимые ныне серийно гибридные автомобили используют силовые установки, состоящие из двигателя внутреннего сгорания, системы рекуперации энергии торможения, аккумулятора и электродвигателя. Энергия торможения в этом случае не рассеивается полностью в виде тепла, а частично превращается в электричество, которое запасается в аккумуляторе и приводит в действие электромотор. В результате удается сократить расход топлива, особенно в городском цикле с частыми торможениями. Однако хранить запасенную энергию можно и в другой форме - в виде энергии сжатого воздуха, в гидроаккумуляторе или с помощью маховика. Разработкой гибридных автомобилей с такими нетрадиционными системами хранения энергии весьма интенсивно разрабатывают как небольшие фирмы, так и крупные компании

Воздух Воздушные или пневматические гибриды обещают стать перспективной заменой малым и средним легковым электрическим гибридам. Разработкой двигателей на сжатом воздухе и машин на их основе занимаются по всему миру как исследовательские организации, так и инженерные фирмы, причем пока наиболее заметны разработки небольших компаний. Преимущество пневматических гибридов заключается в том, что они, в отличие от электрогибридов, не требуют установки вспомогательного двигателя. Вместо этого пневматические автомобили используют модифицированный вариант обычного четырехтактного мотора. Но если в стандартном бензиновом двигателе все четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск осуществляются в каждом из цилиндров, то в "воздушных" моторах такты распределяются между парой цилиндров. В одном из них - компрессионном - происходит впуск и сжатие воздуха, в во втором - главном - рабочий ход и выхлоп. Сжатый воздух поступает из компрессионного цилиндра в главный через перепускной канал и систему клапанов.В работе такого двигателя есть два интересных момента. Во-первых, рабочий ход может осуществляться как за счет расширения предварительно сжатого воздуха, так и за счет сгорания топлива, как в обычном двигателе внутреннего сгорания. Во-вторых, разделение тактов между парой цилиндров не приводит к удвоению их числа в двигателе, как можно было бы предположить. Дело в том, что в таком двигателе рабочий ход главного цилиндра происходит каждый оборот вала (также как в двухтактном моторе), а не через оборот, как в обычном четырехтактном двигателе. двигатель обеспечит прирост топливной экономичности в 15-30% по сравнению с обычными бензиновыми моторами, а кроме того за счет снижения пиковых температур удастся на 50-80% сократить выбросы оксидов азота. Важной чертой гибридных автомобилей является не просто использование "двойного" силового агрегата, а наличие средств рекуперации и сохранения энергии, чаще всего системы рекуперативного торможения. В электрических гибридах при торможении электродвигатель работает в режиме генератора, заряжая аккумулятор. В случае пневматических гибридов рекуперация кинетической энергии также возможна за счет использования двигателя в качестве воздушного компрессора.

Работает такой привод в четырех режимах. Во время торможения мотор работает в режиме компрессора, сжимая воздух и заправляя им резервуар. При полной остановке машины двигатель отключается, а пуск затем осуществляется на сжатом воздухе. После первоначального разгона двигатель переключается в режим со сжиганием топлива. Важным преимуществом такой схемы перед электрической авторы считают минимальную прибавку в массе автомобиля. Гибридный двигатель-компрессор по массе не отличается от стандартного мотора, а резервуар для воздуха весит не более 30 кг, тогда как аккумулятор и вспомогательный электромотор весят существенно больше.

Гидравлика Если для компактных и недорогих автомобилей весьма перспективной кажется пневмогибридная схема, то главной альтернативой электрическому приводу в тяжелых гибридах является гидравлика. Вместо электродвигателя-генератора или пневматического двигателя-компрессора в этом случае используется гидромотор-насос, обеспечивающий с одной стороны, рекуперацию энергии при торможении и привод ведущих колес – с другой. В процессе торможения гидравлическая жидкость перетекает из резервуара низкого давления в резервуар высокого давления или гидроаккумулятор. Запасенная таким образом энергия затем используется, например, когда автомобиль трогается или разгоняется.Работает в двух режимах: рекуперации энергии и ее использования. В процессе торможения сохраняет до 70% кинетической энергии машины в гидроаккумуляторе, где гидравлическая жидкость сжимает газообразный азот. Запасенную таким образом энергию можно затем использовать для облегчения трогания или разгона. В этом случае колеса приводятся в движение одновременно дизельным двигателем и гидромотором. Имеется также экономичный режим, в котором движение осуществляется только за счет гидромотора.примеры авто:Мусоровоз Peterbilt 320, Гибридный фургон UPS.В экспериментальном гидравлическом гибридном фургоне гидравлическая система Eaton полностью заменяет привычную трасмиссию. Дизельный двигатель приводит в действие насос, нагнетающий рабочую жидкость в гидроаккумулятор. Жидкость из гидроаккумулятора, в свою очередь, поступает в гидромотор, приводящий в действие задние колеса. Такая схема дает еще одно преимущество - при использовании дизельного двигателя он постоянно работает в оптимальном режиме вне зависимости от нагрузки. Дополнительная "подзарядка" гидроаккумулятора осуществляется за счет рекуперативного торможения. Благодаря запасенной энергии фургон может ездить и с выключенным дизелем, не выбрасывая вредных веществ в атмосферу

Маховики До сих пор широкое применение мощных маховиков для хранения энергии в автомобилях сдерживалось их большими габаритами и массой. Решить эту проблему может создание маховиков с очень высокой скоростью вращения (десятки тысяч оборотов в минуту). В этом случае массу и размеры маховика удается заметно уменьшить. Использование эффективных высокоскоростных маховиков в гибридных автомобилях считается весьма перспективным. При использовании маховика механическая энергия не требует преобразования в другие виды энергии, удается избежать связанных с такими преобразованиями потерь. С другой стороны, маховик достаточно быстро теряет энергию из-за того, что его вращению препятствует сила трения. Однако в благоприятном для гибридов режиме движения с частыми разгонами и остановками потери от трения не столь страшны

11.Появление и первоначальное развитие автомобилей с гибридным приводом

Главной причиной начала производства гибридных автомобилей стал спрос потребителей на подобные автотранспортные средства, вызванный высокими ценами на топливо и постоянным повышением требований к экологичности машин.

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche. Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в 1900 – 1901 годах.

В США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60‑е – 70-е годы.

В 1980 году компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

В Советском Союзе также велись работы по разработке гибридных автомобилей. Так, работы советского ученого Нурбея Гулиа привели к созданию прототипа гибридного автомобиля на базе автомобиля-грузовика УАЗ-450, где накопителем энергии являлся маховик, трансмиссией – особый вариатор. Это был один из первых «гибридов». В 1966 году удалось достичь экономии топлива до 50 %. В Курске в 1972-73 годах Н. В. Гулиа были проведены испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами. Кроме того были построены и испытаны гибридные силовые агрегаты для автобусов на основе гидропривода. В последних роль накопителя энергии играли баллоны со сжатым азотом и маслом. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов» эффективность их оказалась близкой друг к другу – расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопа – в несколько раз. Но данные технологии советская автомобильная промышленность не начала использовать.

Первым автопроизводителем легкового автомобиля с гибридным приводом стала японская корпорация Toyota – она начала это направление с 1997 года.

При создании гибридного коммерческого автомобиля конструкторам пришлось искать непростые решения, чтобы сохранить параметры обычного грузовика: мощность, скорость, приемистость, грузоподъемность и полезный объем. Их реализация стала возможна только в современных условиях высокотехнологичного производства с применением мощных бортовых компьютеров. Первый гибридный дизель-электрический легкий армейский грузовик выпустила корпорация GM в 2003 году. Годом позже в Европе появился гибридный Mercedes-Benz (Sprinter). В том же в 2004-м американские корпорации International Truck and Engine Corp. и Eaton Corp. выпустили совместно коммунальный грузовик с гибридным приводом. Первым японским коммерческим гибридом в середине 2005 года стал Isuzu Elf Diesel Hybrid Truck.

FedEx – первая транспортная компания, решившаяся на эксперимент по массовому внедрению гибридных двигателей. Для начала было закуплено 20 грузовиков с дизельно-электрическими двигателями, которые начали работать в нескольких городах на территории США. Эксперимент продлился до конца 2004 года и результаты эксперимента были оценены специалистами как удачные, и компания приняла решение в последующие 10 лет заменить в своем автопарке более 30 тысяч среднетоннажных грузовиков. Такие грузовики будут оборудованы новым гибридным дизельно-электрическим двигателем OptiFleet E700, разработанным компанией Eaton. Такой двигатель уменьшает расход топлива на 50% и снижает выбросы CO₂ в атмосферу на 75%. Правда, гибридные грузовики будут немного дороже обычных главным образом из-за стоимости аккумулятора.

12. СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ГИБРИДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Автомобиль с гибридным приводом – автомобиль, в котором для преодоления сопротивления движению используются приводы колес, работающие от источника энергии различного вида.

Центральным элементом ГСУ является комбинированная микропроцессорная система, обеспечивающая работу двигателя внутреннего сгорания на постоянном режиме минимального удельного расхода топлива при всех скоростных и нагрузочных режимах транспортного средства путем регулирования работы электроагрегатов и механических узлов силовой установки.

Современные ГСУ включают ДВС или двигатель – генераторные агрегаты и тяговые накопители энергии, которые совместно с комбинированными электромеханическими трансмиссиями строятся по принципу последовательной, параллельной или последовательно-параллельной схемы. Мировыми автомобилестроительными фирмами разработаны опытные образцы гибридных автомобилей всех структурных схем.

В случае последовательной схемы двигатель отдает энергию только генератору, который либо питает только тяговый электродвигатель, либо дополнительно заряжает накопитель энергии. В параллельной схеме ДВС через соответствующую механическую трансмиссию отдает энергию ведущим колесам автомобиля и через специальную систему отбора мощности может при избытке энергии через генератор питать накопитель энергии, а при дефиците энергии через эту же систему получать дополнительную энергию от накопителя через элементы электротрансмиссии.

Большинство современных тяговых двигателей переменного тока работают при напряжении в пределах 70-120 вольт, в результате компромисса между размерами мотора, эффективностью и электрической безопасностью. Основная часть современных электромобилей использует односкоростной привод за счет способности электрического тягового мотора развивать максимум крутящего момента при оборотах, равных нулю, или при очень маленькой скорости.

Ключевое место в современной системе управления электродвигателями занимает электроника, а все современные электродвигатели не имеют щеток. Большинство электромобилей сегодня используют электронное управление двигателями.

Электрические автомобили могут также экономить (регенерировать) энергию, «реверсируя» свои электродвигатели, чтобы запасти часть кинетической энергии, которая иначе будет потеряна (в действительности перейдет в тепло и будет рассеяна) во время торможения. Рекуперативная (регенеративная) тормозная система - при торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом электроэнергия поступает на вход аккумуляторной батареи. Особо эффективную работу система показала в городских условиях, при чередовании режимов стоп - старт. Заметим, что в традиционных тормозных системах энергия, полученная при замедлении, теряется полностью.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет воедино системы активной безопасности, такие как антиблокировочная система тормозов (ABS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (EPS).

VDIM не столь "навязчива", как обычные системы управления, но намного более эффективна. При помощи высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией VDIM контролирует и сопоставляет все параметры, одновременно управляя крутящим моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения.