Принцип работы гибридного двигателя на автомобиле. Тойота Приус Гибрид: в борьбе за экономичность и экологичность Простыми словами о сложном

Может ли пятиместная легковушка длиной 4,45 метра (это больше, чем у седана ВАЗ-2110), иметь расход бензина в городе (даже не дизтоплива) 2,82 литра на 100 километров без какого либо ущерба для динамических характеристик? Да, если это Toyota Prius II.

Прежде всего, нужно сделать поправку — упомянутый расход получен в испытании по японскому циклу 10-15, который по своему характеру — суть городской цикл движения — как известно, самый проблемный для машин в плане экономичности. Как говорится, внушает.

Мы уже рассказывали , что совсем недавно, выходя на рынок гибридных автомобилей, Ford решил купить соответствующую технологию у Toyota.

Понятно почему. Легковушка Toyota Prius первого поколения, выпускавшаяся с 1997 по 2003 годы, нашла немало покупателей по всему миру.

Новейший же Prius второго поколения, едва появившись, завоевал в США сразу четыре престижные награды, в том числе, стал лучшим автомобилем 2004 года в Северной Америке.

Потрясающие характеристики ему обеспечивает «гибридно-совместный привод» (Hybrid synergy drive) — система, которую вполне можно назвать гибридом в квадрате. Давайте разберёмся почему.

Toyota — не единственный производитель, серийно выпускающий гибридные автомобили (к примеру гибрид есть у Honda), а уж экспериментальные работы имеются почти у всех крупных автокомпаний.

Известны два основных типа гибридного привода — последовательный и параллельный.

В первом случае ДВС никак не соединён с колёсами — он работает на генератор, заряжающий аккумуляторы. Тяговые же электродвигатели в зависимости от режима движения получают ток либо от батарей, либо от генератора напрямую, плюс батареи, как добавка.

Во втором варианте ДВС соединён с колёсами через обычную коробку передач. И к колёсам же (неважно тем же самым или к другой оси) подсоединён электромотор, получающий питание от аккумуляторов.

Центральный дисплей наглядно показывает круговерть потоков мощности в разветвлённой системе привода Prius II (фото с сайта toyota.com).

И в том и другом случае тяговые электромоторы при торможении могут работать, как генераторы, обеспечивая возврат энергии, что и даёт выигрыш в экономичности.

Однако у Prius использована комбинация обоих типов. Вот и получается, что перед нами — гибрид гибрида. Как говорят японцы, в этом случае можно достичь очень высокой экономичности в сочетании с высокой же разгонной динамикой машины.

Прогуляемся же по основным узлам Hybrid synergy drive.

Во-первых, это ДВС. Рабочий объём 1,5 литра, 4 цилиндра, 4 клапана на цилиндр с регулируемыми фазами газораспределения, степень сжатия 13:1, мощность 76 лошадиных сил.

Мощность, заметим, не самая рекордная для такого объёма, да при такой степени сжатия.

Зато этот движок очень экономичен уже сам по себе (без учёта помощи электромотора).

Кроме того, он отвечает жесточайшим американским, ещё даже не введённым, нормам токсичности Super Ultra Low Emission Vehicle и Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicles, то есть «ультра супер низкий» уровень выхлопа и стандарт, так называемый, «частично нулевой».

Начинка гибридного авто от Toyota (иллюстрация с сайта toyota.co.jp).

Имеются и отдельный генератор, плюс батареи — никель-металлогидридные.

Из их характеристик обращает на себя внимание высокая выходная пиковая мощность в 28 лошадиных сил (специально приводим параметры электрики не в киловаттах, чтобы удобнее было сравнивать с ДВС).

Заметим, классические аккумуляторы на обычных авто при огромном пиковом токе изо всех сил «напрягаются», чтобы крутить стартёр мощностью в одну-две «лошадки».

Естественно, есть электронная система перераспределения нагрузки между всеми этими элементами во всех режимах движения.

Возможен круиз лишь на одном ДВС, одном электродвигателе или совместное их использование.

При этом даже в случае равномерного движения часть мощности ДВС идёт на генератор, в систему управления и далее на тяговый электромотор.

Казалось бы, это лишние потери на преобразовании, однако так инженеры добиваются оптимального режима работы ДВС (обороты/нагрузка), что сказывается на удельном расходе топлива.

Схема связей в «гибридно-гибридной» системе (иллюстрация с сайта toyota.co.jp).

А ещё: большой крутящий момент электромотора, который он готов выдать на любых оборотах — залог удобного и гибкого управления колоссальной тягой на ведущих колёсах.

Зарядка же аккумуляторных батарей идёт сразу с двух сторон — от ДВС и от колёс (при торможении).

Тут нужно упомянуть максимальное напряжение в этой «интеллектуальной» тяговой электросети — целых 500 Вольт.

Оно предполагает сравнительно низкие, для таких мощностей токи, а значит — более низкие потери на омический нагрев проводов по сравнению с ранее применявшимися системами (скажем, у первого Prius было «всего лишь» 274 Вольта).

Изюминка машины — делитель мощности. Это планетарная трансмиссия, центральное (солнечное) колесо которой соединено с генератором, планетарное (водило) — с ДВС, а самое внешнее кольцо — с электромотором и колёсами машины.

Эта система плавно перераспределяет потоки мощности между узлами в самых различных направлениях.

В частности, возможен старт машины на одном электродвигателе с последующим запуском ДВС в движении.

Результат работы такой сложной системы говорит сам за себя.

Последовательный и параллельный гибридные приводы (иллюстрации с сайта toyota.co.jp).

Общий КПД Prius II (так сказать, рассчитанный по полному пути энергии от бака до колёс) — 37%, против 16% у бензинового аналога (при работе в «японском» стандартном городском цикле).

Трудно найти ещё один бензиновый автомобиль, который обладает такой экономичностью при таких размерах, да ещё с запасом пиковой мощности в 104 лошадиные силы (ДВС плюс батареи).

Подержанный Toyota Prius можно рассматривать с двух сторон. С одной стороны – это символ экологии, который превратился в экономичный бесхарактерный автомобиль для поездок из пункта А в пункт Б. С другой – интересный и довольно оригинальный способ сократить расходы на топливо.

Но что в действительности необходимо подавляющему большинству людей? Чтобы автомобиль был надежным, сравнительно быстрым, удобным, безопасным и потреблял минимум топлива. Всем этим требованиям и соответствует Тойота Приус третьего поколения.

Производитель утверждает, что Prius способен обойтись 4 литрами бензина на 100 км. В действительности же, двигаясь так, чтобы не раздражать окружающих, понадобится около 6 литров. Если избегать поездок по шоссе, то в городе средний расход составит около 5 литров. За городом, где гибридный привод уже бесполезен, а двигателю приходится толкать автомобиль с тяжелыми аккумуляторами, затраты окажутся на уровне 7-8 литров.

Практичность – еще одна сильная сторона Toyota Prius. Внутри довольно много места. Но с комфортом дела обстоят немного хуже. Кресла плохо удерживают тело от перемещений, а подушки сидений короткие. Кроме того, невозможно правильно установить руль. Приходится либо сидеть с полностью вытянутыми руками, либо с согнутыми ногами.

Придется привыкать и к крайне медленному прогреву салона в зимний период. В этом виноват, в первую очередь, двигатель с высокой тепловой эффективностью. Выделяемой им тепловой энергии просто не хватает для таких излишеств, как комфорт экипажа. Для спасения белых медведей приходится чем-то жертвовать.

Даже эргономика не является образцовой. Проекционный Head-Up дисплей не так утомляет глаза, как перегруженный мелкими значками цифровой приборный щиток над центральной панелью. Чтобы к нему привыкнуть, необходимо время.

Шумоизоляция и подвеска не плохи в городе и на низких скоростях, но при более высоком темпе движения начинают выть шины, и дает о себе знать ходовая. Задний мост с упругой балкой, дерзко реагирует на трещины в асфальте и волнистые поверхности.

Тойота Приус не требует каких-либо специальных навыков в управлении. Но если вы хотите использовать максимальный потенциал гибридной установки, то следует приловчиться ездить немного по-другому. Например, использовать инерцию для накопления электрической энергии (рекуперация). Таким образом, можно экономить топливо. Приноровившись угадывать, как далеко способен докатиться гибрид без газа, замедляясь по инерции, тормозами можно будет пользоваться лишь в исключительных случаях. Это особый вид развлечения, не менее увлекательный, чем езда боком.

В то время как более ранние поколения Prius не могли полностью положиться на электромотор, третье поколение модели вполне может обойтись без помощи двигателя внутреннего сгорания. Запаса электроэнергии хватает на 2-3 км хода, но на скорости выше 50 км/ч, как правило, включается комбинированный режим гибридной установки.

Электродвигатель работает в основном в качестве ассистента, помогая сравнительно тяжелому автомобилю с достоинством стартовать с места. На перекрестках мало желающих останавливаться за гибридом. Но каково же удивление окружающих, когда Приус бодро стартует на зеленый сигнал светофора. В отличие от некоторых автоматов, которым после отпускания педали тормоза требуется целая вечность, прежде чем автомобиль стронется с места, японский гибрид начинает движение мгновенно. Конечно, это не самый экономичный способ езды, но при необходимости вы всегда можете ускориться. Тойота охотно разгоняется где-то до 150 км/ч, но после 130 км/ч ускорение уже мало впечатляет. На ровной дороге можно достичь максимальной скорости 180 км/ч.

Гибридная силовая установка имеет три режима работы. В первом, Eco – ответ на педаль газа довольно вялый. А в режиме Power реакции слишком резкие и похожи на работу выключателем ON/OFF. Для обычных поездок лучше подходит «стандартный режим». Power, возможно, пригодится для обгонов.

На рулевое управление режимы движения никакого влияния не оказывают. Реакции немного расплывчатые, как будто сигналы передаются по проводам. Обратной связи на руле просто нет. Toyota Prius имеет характер, отличный от того, что присущ классическим автомобилям. Водитель никогда не сможет стать единым целым с японским гибридом.

На скоростях до 80 км/ч после снятия ноги с педали газа, двигатель отключается и начинается процесс рекуперации энергии. Торможение происходит за счет электродвигателя, что позволяет экономить тормоза. Предусмотрен также режим торможения коробкой передач, который необходим при движении по крутому спуску на загруженном автомобиле.

Типичные проблемы и неисправности

Тойота Приус не имеет фатальных дефектов. А силовой привод очень надежен. Двигатель внутреннего сгорания объемом 1,8 литра работает по модифицированному циклу Аткинсона (впускной клапан остается открытым на некоторое время, даже когда поршень начинает возвращаться, тем самым фактически имитируя ход поршня переменной длины).

Вместо, зачастую проблематичного, вариатора с ограниченным сроком службы здесь установлена практически вечная планетарная передача. Она работает с электродвигателем, который тоже не имеет характерных заболеваний. Но это не означает, что Тойота Приус не требует обслуживания. Бензиновый мотор, как и любой другой двигатель, регулярно нуждается в обновлении масла и фильтров. А после 300-400 тыс. км может прогореть прокладка под головкой блока, либо потечь насос системы охлаждения. Вскоре подвести может клапан системы EGR. Он легко доступен сверху и нередко оживает после очистки.

Если и возникают какие-то мелкие механические неисправности, то, как правило, из-за пренебрежения регулярным обслуживанием. Проблемы появляются и после длительных стоянок, в процессе которых полностью разряжается аккумулятор. Этот автомобиль не должен «простаивать».

Toyota Prius прошел через пару больших отзывов. Один касался автомобилей, произведенных до января 2010 года – встречались проблемы с ABS на разбитых дорогах. В феврале 2014 года был объявлен второй. На этот раз ремонта требовала гибридная установка. Существовала опасность перегрева транзисторов инвертора, в результате автомобиль переходил в безопасный режим или полностью обесточивался. Дефект затронул все экземпляры Приуса и вполне возможно, что Ваш автомобиль данная проблема еще ждет впереди. Стоимость нового инвертора от 320 000 рублей, б/у – от 20 000 рублей.

В зимнее время порой начинают капризничать центральный дисплей, не охотно реагируя на прикосновения. Не слишком качественный интерьер временами скрипит, а пластик легко царапается.

Тем не менее, надежность автомобиля оценивается, как выше среднего. Тойота Приус регулярно занимает первые места в рейтингах удовлетворенности и надежности.

Определенные опасения у многих вызывает срок службы аккумуляторов. Это правда, что зимой их емкость, и, прежде всего, готовность сдвинуть автомобиль с места на чистой электротяге снижается. Но в умеренном климате даже после 100 000 км или 5 лет эксплуатации (срок гарантии), значительного уменьшения мощности батареи не ощущается. Владельцы даже после 300 000 км не жалуются на падение емкости аккумуляторов.

Необходимость замены никель-металлогидридной батареи (Ni-MH) может возникнуть только после механических повреждений, например, в результате аварии. Стоимость новой высоковольтной батареи – от 280 000 рублей, б/у – от 45 000 рублей.

Техническое обслуживание

Масло в коробке передач и дифференциале рассчитано на весь срок службы и требует лишь контроля уровня и состояния каждые 60 000 км. И все же при эксплуатации в сложных условиях Тойота рекомендует сократить интервал контроля до 45 000 км, а полную замену рабочих жидкостей провести не позднее 90 000 км. К сложным условиям следует отнести и частые поездки по шоссе со скоростью около 130 км/ч.

Еще нужно менять охлаждающую жидкость. Первый раз после 150 000 км, а далее через каждые 90 000 км. Требует обновления и охлаждающая жидкость инвертора: сначала через 240 000 км, а затем через каждые 90 000 км.

Заключение

Тойота Приус третьего поколения – чрезвычайно надежный автомобиль, который при соблюдении условий эксплуатации и регламента технического обслуживания окажется не только экономичным, но и долговечным.

Технические характеристики Toyota Prius III (XW30 / 2009-2016)

Тип двигателя – бензиновый;

Рабочий объем – 1798 см3;

Тип системы ГРМ – DOHC;

Количество цилиндров / клапанов на цилиндр - 4/4;

Диаметр / ход поршня - 80,5 мм / 88,3 мм;

Степень сжатия - 13: 1;

Максимальная мощность - 100 кВт (136 л.с.);

Наибольший крутящий момент - 207 Нм;

Ускорение от 0 до 100 км / ч - 10,4 сек;

Максимальная скорость - 180 км/ч;

Коробка передач: вид – бесступенчатая;

Емкость топливного бака - 45 л;

Масса: снаряженная / полная - 1495 кг / 1805 кг;

Расход топлива:

Средний/шоссе/город - 3,9 / 3,7 / 3,9 л / 100 км;

Колесная база - 2700 мм;

Колея: передняя / задняя - 1 525 / 1 520 мм;

Размер шин - 195/55 R15;

длина × ширина × высота - 4460 × 1745 × 1500 мм.

Точь-в-точь как у прежней машины. Выходит, гибрид четвертого поколения - результат глубокого рестайлинга?

Не тут-то было! Четвертый Prius абсолютно новый. В его основе - модульная архитектура TNGA (Toyota New Global Architecture), на которой в обозримом будущем станет базироваться большинство моделей компании. Доля высокопрочных сталей в конструкции кузова увеличилась с 3 до 19%, жесткость кузова на кручение выросла на 60% - это при уменьшившейся на 50 кг снаряженной массе. Вместо задней балки гибрид получил независимую подвеску, а тяговая батарея переехала из багажника под сиденье. По сути, прежний в новом Приусе лишь ДВС, да и тот был заметно доработан. Японцам удалось снизить потери на трение и повысить стойкость к детонации. Термодинамический КПД этого двигателя составляет 40% - рекордный показатель во всей индустрии.

Заявленный расход в районе 3 литров на 100 км - правда? И почему паспортные значения городского и загородного циклов практически не отличаются?

Три литра на сотню, конечно, лукавство. По крайней мере, . Лучшим результатом остались 3,9 л/100 км во время перегона из Москвы в Дмитров со средней скоростью 55 км/ч. Самыми «устрашающими» значениями на экране трип-компьютера остались 5,5 л/100 км - впрочем, для достижения подобного результата на Приусе надо безжалостно «дубасить». В нормальных условиях расход в городском и загородном циклах действительно практически идентичен и составляет около 4,3–4,5 литра на сотню. Спасибо системе рекуперативного торможения, которая в городе работает на удивление эффективно.

Можно ли окупить «гибридность» Приуса за счет низкого расхода топлива?

Давайте прикинем вместе. В качестве точки отсчета возьмем со 122-сильным 1,6-литровым мотором в максимальной комплектации Prestige. Такой автомобиль стоит 1 329 000 рублей и с точки зрения потребительских качеств максимально близок к Приусу (та же колесная база и простор на заднем сиденье, та же мощность, схожий уровень отделки и оснащения). Заявленный городской расход 1,6-литровой Короллы в городе - 8,2 л/100 км. На трассе - 5,3 л/100 км. Конечно же, на деле и эти значения будут выше заявленных. Так что за средний расход примем 9 л/100 км, допуская, что наш гипотетический владелец эксплуатирует автомобиль преимущественно в городе (напомню, расход Приуса не слишком зависит от цикла и в среднем составляет 4,5 л/100 км). Таким образом, при годовом пробеге в 25 000 км экономия составит 1125 литров, или 45 000 рублей (один литр АИ-95 приравняем к 40 рублям). Чтобы компенсировать разницу в цене между Короллой (1 329 000 рублей) и Приусом (2 112 000 рублей), потребуется больше 17 лет. Поэтому покупать гибрид с целью экономии утопично.

Тогда какой в нем смысл? Какие качества можно без тени сомнений записать в актив Приусу?

Сочетание управляемости и плавности хода заслуживает похвалы. Prius прекрасно отрабатывает даже самые жесткие дорожные дефекты и остается абсолютно живым, интересным в управлении автомобилем. Небольшие крены, насыщенная обратная связь на руле. А еще Prius по-настоящему тихий: двигателя не слышно вовсе (разве что вы захотите выкрутить его в отсечку), да и шум от дороги проникает в салон только при езде по абразивному асфальту. Добавьте приятный, качественно отделанный интерьер. Плюс некоторые наверняка запишут в актив «японцу» кричащую эпатажную внешность.

Хорошо. А как насчет явных минусов?

И сюда многие также запишут внешность. После цены в два с лишним миллиона рублей это, пожалуй, следующий сдерживающий фактор. Кроме того, у Приуса маленький багажник (всего 276 литров по результатам наших замеров). А если говорить о ездовых свойствах, расстраивают тормоза. В процесс торможения в любой момент может бесцеремонно вмешаться электромотор, так что усилие на педали «гуляет». Совсем недавно мне довелось испытать , который лишен такой особенности. Так что, отцу всех гибридов есть к чему стремиться. Гибридность как таковая - не оправдание.

Какие перспективы ждут Prius четвертого поколения в России?

Буду предельно осторожен в прогнозах, но в том, что четвертый Prius станет популярнее предшественника, не сомневаюсь ни на минуту. Дело в том, что за весь 2016 год в России официальными дилерами было продано лишь 16 гибридов третьего поколения. Это абсолютное дно, пробить которое новинке никак не по силам. Хотите - верьте, хотите - нет, но мне уже даже посчастливилось увидеть на дороге Prius четвертого поколения. Судя по номерным рамкам, он принадлежал частному лицу, а не российскому представительству Тойоты.

Гибрид модели Toyota Prius за три ее поколения успели настолько усовершенствовать, что сегодня этот силовой агрегат можно встретить и в ряде более популярных массовых моделях Toyota. Так в чем же конструктивные ноу-хау тойотовского гибрида?

Конструкция

Гибридная силовая установка Toyota Prius представляет собой последовательно-параллельную конструкцию (комбинированная), в которой крутящий момент на колеса может передаваться от двигателя внутреннего сгорания напрямую и от тягового электромотора в любых пропорциях. Для реализации работы по такой схеме в конструкцию силовой установки был внедрен, так называемый, делитель мощности. Это планетарный механизм с четырьмя шестернями-сателлитами. К наружной шестерне этого механизма подключен тяговый электродвигатель. Так же она непосредственно связана с главной передачей, которая передает крутящий момент к межколесному дифференциалу и далее на колеса. Четыре сателлита в этой конструкции подключены к двигателю внутреннего сгорания, т.е. их оси вращаются вокруг оси центральной солнечной шестерни. Последняя, в свою очередь, связана с управляющим мотор-генератором. Чтобы понять, как эта конструкция работает, следует по отдельности рассмотреть режимы ее работы.

Общий принцип работы

Начальный разгон машине обеспечивает тяговый электромотор-генератор MG2. Он вращает внешнюю шестерню планетарной передачи, через которую момент передается на колеса. Когда мощности тягового электромотора становится недостаточно, в работу вступает бензиновый двигатель. При этом он работает в самом экономичном режиме. Вращая шестерни сателлиты, приводятся в действие как наружная шестерня, так и внутренняя, солнечная, которой управляет мотор-генератор MG1. И именно от поведения MG1 зависит на сколько усилие ДВС передастся на колеса, иными словами это называется «формирование передаточного числа трансмиссии».

Так же MG1 отвечает за подзарядку батареи в любом режиме (даже стоя на месте) и за запуск двигателя, что делает систему очень гибкой, вне зависимости от режима эксплуатации. Благодаря этому инженерам Toyota удалось получить универсальную систему распределения крутящего момента, которая максимально оптимально распределяет энергию, полученную при сгорании топлива в ДВС. Эта система так же обладает уникальной механической надежностью, поскольку управление крутящим моментом происходит по проводам, минуя традиционное множество сложнейших механических и гидравлических узлов.

Делая эко-мобиль с очень умной силовой установкой инженеры Toyota серьезно подошли и к выбору двигателя внутреннего сгорания. Он, как и в целом автомобиль, разработан для максимальной экономии топлива. А так как эта характеристика напрямую зависит от коэффициента полезного действия мотора, т.е. от эффективности использования теплоты сгораемого топлива, было принято решение создавать ДВС, работающие по циклу Аткинсона. В данном моторе, в отличии от двигателей, работающих по циклу Отто, сжатие начинается не в начале хода поршня вверх, а чуть позже, поэтому часть топливо-воздушной смеси выталкивается обратно во впускной коллектор. Благодаря этому удается увеличить рабочий ход, чем увеличивают время использования энергии давления расширяющихся газов, т.е. повышают КПД мотора с соответствующим снижением расхода топлива. Цикл Аткинсона в гибридах более актуален по причине работы ДВС в данной конструкции в более узком диапазоне оборотов.

В последнем 4-м поколении Toyota Prius используется 1,8-литровый бензиновый двигатель, мощностью 98 л.с.. В Toyota Yaris Hybrid применен 1,5-литровый двигатель, мощностью 75 л.с., в модели Auris – 1,8-литровый 99-сильный ДВС, и в последней новинке Toyota RAV4 Hybrid использован 2,5-литровый ДВС мощностью 155 л.с. Суммарная мощность силовых установок этих гибридов составляет, соответственно, 122 л.с., 100 л.с., 136 л.с., 197 л.с.

Стоит отметить, что инженеры Toyota продолжают совершенствовать конструкцию ДВС, работающего по циклу Аткинсона. На данный момент уже выпускаются моторы с тепловым КПД (коэффициент полезного действия), который достигает 40%. Ранее этот показатель для данных моторов составлял 38 %, а для ДВС, работающих по циклу Отто – еще меньше. Более высокий коэффициент полезного действия означает более эффективное использование тепла, выделяемого при сгорании топлива. Соответственно, удельная мощность и экономичность новых гибридных агрегатов Toyota стали еще выше.

Кстати, понятие «холостого хода двигателя» у гибридов Тойота отсутствует. Если блок управления запустил мотор, это означает что: либо заряжается батарея, либо прогревается ДВС, либо обогревается салон, либо автомобиль движется.

Электромоторы

В конструкции гибридной силовой установки Toyota используется два электромотора – управляющий мотор-генератор (MG1) и тяговый мотор-генератор (MG2). Мощность тягового электромотора:

Yaris Hybrid – 45 кВт, 169 Нм;

Auris Hybrid – 60 кВт, 207 Нм;

Prius – 56 кВт, 163 Нм;

RAV4 Hybrid – 105 кВт, 270 Нм; задний электромотор – 50 кВт, 139 Нм;

Кстати, управляющий мотор-генератор в данной конструкции выполняет и функцию стартера. Это позволило исключить из конструкции ДВС классический стартер, которые в случае с ДВС, работающими по циклу Аткинсона не могут запускаться на низких оборотах (у обычных ДВС Отто – 250 об/мин). Данный агрегат для запуска нужно «раскрутить» до оборотов не менее 1000, что и делает управляющий мотор-генератор.

/

Электроника

За обеспечение работы гибридной силовой установки Toyota отвечают еще ряд систем. Это преобразователь напряжения (инвертор), 520В / 600В / 650В. В него входит бустер, инвертор преобразователь постоянного тока в постоянный ток 14 вольт (для питания бортовой сети, DC/DC) и жидкостная система охлаждения. Последняя нужна для создания наиболее благоприятных условий работы электроники. Она работает с наибольшей производительностью и наименьшими потерями при комнатной температуре (порядка 20 градусов Цельсия). Поскольку инвертор оборудован мощными каскадами транзисторов – они требуют быстрого отвода тепла. Этого же требуют и электромоторы в трансмиссии. Для этого к инвертору и трансмиссии подведена жидкостная система охлаждения, температурный диапазон которой гораздо ниже, чем нормальный температурный диапазон двигателя внутреннего сгорания.

Почему мы коснулись этого вопроса на нашем портале? И почему мы хотим просветить Вас в вопросах работы гибридных двигателей? Всё предельно просто и понятно. Дело в том, что многие сферы нашей жизнедеятельности буквально пронизаны взаимодействием всевозможных технологий, которые в своём симбиозе порождают гораздо более эффективные методы, гаджеты и механизмы. И конечно же не посмели отставить в сторону и двигатели для наших четырёхколёсных любимцев. И вот именно о таких агрегатах, их положительных и отрицательных сторонах, о том как они работают мы и поговорим в данной теме. А пока совершим небольшой экскурс в историю. Поехали!

Немного истории

Автомобили с гибридными «сердцами» – изобретение далеко не новое, как может показаться на первый взгляд. Первооткрывателем и воплотителем идеи гибридного двигателя стал иезуитский священнослужитель по имени Фердинанд Вербист. В 1665 году он начал работать над планами создания простых четырёхколёсных повозок, работающих на паровой и конной тяге. Но а первые серийные модели с гибридными двигателями увидели свет уже на рубеже 19-го и 20-го веков. На протяжении десяти лет, начиная с 1887 года французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила серию и автомобилей с гибридными моторами. А в 1900 году компания General Electric создала гибридное авто с четырёхцилиндровым бензиновым двигателем. Компания Walker Vehicle Company of Chicago до 1940 года выпускала гибридные грузовые автомобили.

Конечно, на то время производство подобных автомобилей ограничивалось небольшими партиями и созданием разного рода прототипов. Однако в наше время острая нехватка нефтяных ресурсов и постоянно прогрессирующий экономический кризис побудили автомобильных конструкторов и разработчиков вернуться к истокам и возобновить выпуск автомобилей с гибридными двигателями.

Как работает гибридный двигатель – простыми словами о новых технологиях

Ну а теперь самое время разобраться с тем, что за агрегат гибридный двигатель и почему так рьяно стали производит автомобили с такими сердцами? Гибридный двигатель представляет собой систему двух связанных между собой двигателей: бензинового и электрического. Два двигателя могут работать как в связке, так и по отдельности, всё зависит от того, какой режим работы использован в данный момент. Процессом перераспределения «полномочий» управляет мощный компьютер, который в тот или иной момент решает какой из двигателей должен сейчас работать. Для передвижения в загородном режиме всю работу берёт на себя топливный двигатель, ибо аккумулятора на трассе хватает ненадолго. Для передвижения по городу включается электродвигатель.

Если же автомобиль подвергается большим нагрузкам или ему приходится часто и довольно интенсивно разгоняться, то оба двигателя работают уже вместе. Интересен тот факт, что пока автомобиль движется на топливном моторе, электрический в это время заряжается. Автомобиль с гибридным двигателем выбрасывает в атмосферу на 90% меньше веществ, чем привычные нам топливные моторы , и это несмотря на то, что в его состав входит и бензиновый агрегат тоже. Так же потребление бензина в городе можно свести к нулю, что, конечно же, не сказать о загородных поездках.

Давайте рассмотрим как автомобиль с гибридным двигателем трогается с места. В самом начале движения и на малых скоростях работают лишь аккумулятор и электрический двигатель. Энергия, что запасена в батарее питает энергетический центр, который далее распределяет её по электромоторам, которые уже и стартуют автомобиль с места бесшумно и очень плавно. После того, как набрана максимальная для электродвигателя скорость, подключается и бензиновый агрегат. Крутящий момент на ведущие колёса уже поступает от двух двигателей в одночасье. В процессе такой работы двигатель внутреннего сгорания отдаёт часть выработанной энергии на генератор, который далее и питает электродвигатели, разгружая АКБ, излишки же энергии передаются на аккумулятор, восполняя его, утраченный на начало движения, запас.

Если автомобиль движется в нормальном режиме, то автоматом используется ведущим лишь передний привод, в остальных же случаях распределение крутящего момента подаётся уже на две оси. В режиме ускорения крутящий момент на колёса поступает в основном от двигателя внутреннего сгорания, а если необходимо нарастить динамику, то в ход идут уже и электромоторы, дополняющие ДВС. Но вот более интересным моментом всё же является торможение. Электронный «мозг» автомобиля держит под контролем включение и выключение Когда стоит подключить гидравлику, а когда и рекуперативное торможение, но предпочтение всё же отдаётся второму. То есть, когда водитель гибридного автомобиля нажимает на педаль тормоза, электродвигатели переходят генераторный рабочий режим, создавая тем самым тормозной момент на колёсах, при котором также вырабатывается электроэнергия, которая и подпитывает аккумулятор через распределительный энергоцентр. В этом то и утаилась вся суть «изюминки» гибридного двигателя.

В привычной же нам классике энергия, выделяемая при торможении расходуется в пустую, просто теряясь в пространстве как тепло от тормозных дисков и других деталей. Использование тормозной энергии очень эффективно в условиях города, когда частое торможение на светофорах – обычное дело. Система VDIM, которая является управляющей автомобильной динамикой, управляет работой всех автомобильных систем активной безопасности, объединяя их в единый «организм».

Пожалуй, первым удачным экземпляром, оснащённым гибридным двигателем, выпущенным в массы стал известный уже ныне «Prius» от компании Toyota. Этот чудо автомобиль расходует всего чуть более трёх литров бензина на каждые сто километров в городском режиме. Также японская компания пошла далее, выпустив свой люксовый гибридный кроссовер Lexus RX400h. Но и стоимость данного авто в среднем в пределах 70 000 у.е. Заметим, что первое поколение Toyota Prius уступало автомобилям того же класса с двигателями внутреннего сгорания по скоростным и мощностным характеристикам, в отличие от Lexus RX400h, который изначально составлял хорошую конкуренцию в своём классе.

После Toyota лидирующие мировые автомобильные концерны тоже не оставили без внимания использование гибридных двигателей, так как в этом было увидено решение глобальной проблемы загрязнения природной среды и топливной экономии. И так последовало объявление о создании гибридной грузовой и транспортной техники от компании Volvo Group. По их расчётам выпуск данной продукции со временем сократит потребление топлива на целых 35%.

Но при всём величайшем желании и расчётах автомобильных концернов, автомобили с гибридными двигателями пока что не раскупают по всему миру как горячие пирожки. Популярность гибридных автомобилей набирает обороты лишь в Канаде и Штатах. Спрос на гибриды среди американского населения вырос из-за резкого подорожания топлива, которое нещадно палили раньше. Ведь американский автопром всегда славился своими «мускул-карами» с невероятно мощными моторами и огромным потреблением горючей жидкости. Европейские автолюбители к автомобилям с гибридными двигателями отнеслись в целом нейтрально. Там заправляет достаточно экологичный и более экономичный, заслуживший доверие ветеран, - дизель.

Большая часть автомобилей Европы заправляются дизелем, что нельзя сказать о США. Более того автомобили с дизельными двигателями гораздо дешевле гибридных, к тому же проще и надёжнее в своей конструкции. Ведь всем известен такой постулат: «чем сложнее сконструирована система, тем менее её надёжность». Именно этот фактор и определяет количество гибридных автомобилей на территории нашей страны. Официально такие автомобили к нам не поставляют, а проблема СТО просто неминуема в случае поломки. Профильных СТО по ремонту гибридных двигателей попросту нет в нашей стране. А самостоятельно такой аппарат, думаем, вряд ли кто-то возьмётся чинить.

Устройство гибридного двигателя – описание схемы

Итак, мы с Вами вкратце рассмотрели, что такое гибридный двигатель и почему его применение не настолько распространено в мире, как того бы хотелось. Теперь хотелось бы «копнуть» поглубже и рассмотреть схему его строения. А ведь их существует три. Предлагаем начать с простейшей схемы, которая вызывает у нас наименьший интерес – это последовательный гибридный двигатель.

Последовательная схема гибридного двигателя

В данной схеме запуск автомобиля происходит от электрического мотора. Двигатель внутреннего сгорания находится в связке с генератором, питающим батарею аккумулятора. Гибридные автомобили с последовательной схемой силового агрегата (Plug-inHybrid), зачастую, выпускаются с возможностью подключения к электрической сети по окончанию поездки. Наличие данной функции подразумевает использование аккумуляторных батарей с большой энергоёмкостью, что существенно сокращает затраты топлива на использование двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь сокращает количество вредных выбросов в атмосферу. К таким автомобилям можно отнести Chevrolet Volt и Opel Ampera. Их так же называют электромобили с широким радиусом действия. Эти автомобили могут ехать лишь питаясь от аккумуляторной батареи со скоростью 60 км/ч и используя энергию генератора, приводящего в действие бензиновый двигатель целых 500 километров.

Параллельная схема гибридного автомобиля

При данной схеме параллельно подключенные двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель устанавливаются таким образом, что могут работать как отдельно друг от друга, так и вместе. Такой эффект достигается благодаря конструкции агрегата, в которой бензиновый двигатель, электромотор и трансмиссия соединены автоматически управляемыми муфтами. Автомобиль с такой схемой гибридного двигателя использует электромотор небольшой мощности, примерно в 20 кВт. Его основной задачей является добавление мощности ДВС во время ускорения автомобиля.

В большей части подобных конструкций электромотор устанавливается между двигателем внутреннего сгорания и Он так же выполняет функции генератора и стартера. Известнейшими представителями среди автомобилей с последовательной схемой гибридного двигателя являются BMW Active Hybrid 7, Honda Insight, Volkswagen Touareg Hybrid, Honda Civic Hybrid. Данная схема появилась благодаря проявлению инициативы компании Honda с её системой Integrated Motor Assist - IMA. Работу данной системы можно подразделить на несколько характерных режимов:

- работа от электродвигателя;

Совместная работа электромотора и ДВС;

Работа от ДВС с параллельной зарядкой аккумуляторной батареи при помощи электромотора, который выполняет функцию генератора;

Подпитка аккумулятора в период рекуперативного торможения.

Последовательно-параллельная схема гибрида

В данной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания связываются при помощи планетарного редуктора. Это позволяет одновременно передавать мощность от каждого из моторов на ведущие колёса в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. Последовательно-параллельная схема отличается от предыдущей тем, что на первой установлен генератор, который создаёт энергию для работы электромотора.

Известными представителями автомобилей с такой схемой гибридного двигателя являются Toyota Prius, Ford Escape Hybrid , Lexus RX 450h. В данном сегменте «гибридного» рынка лидирует компания Toyota со своей системой Hybrid Synergy Drive - HSD. Силовой агрегат системы Hybrid Synergy Drive представлен следующим образом:

- ДВС связывается с планетарным редуктором;

Электродвигатель, который присоединён к коронной шестерне планетарного редуктора;

Солнечная шестерня планетарного редуктора соединенная с генератором.

Двигатель внутреннего сгорания работает в цикле Аткинсона, а значит на низких оборотах он вырабатывает малую мощь, результатом чего является лучшая топливная экономичность и меньшее количество выхлопных газов.

Авто с гибридным двигателем – плюсы и минусы

Положительные стороны гибридных двигателей

1. Самым важным плюсом автомобилей с гибридными двигателями является их экономичность. Топливный расход у таких автомобилей на 25% меньше чем у классических машин с двигателем внутреннего сгорания. А в условиях нашей ситуации с постоянно повышающимися цена на бензин это очень важный фактор.

2. Следующий не менее важный пункт Следующий по важности пункт среди положительных сторон гибридных двигателей – это экологичность. Гибридные автомобили наносят гораздо меньше урона нашей экологии чем классические. Это достигается благодаря более рациональному топливному расходу. А при полной остановке автомобиля, ДВС прекращает работать, передавая бразды правления электрическому мотору. Следовательно во время остановок гибридного автомобиля атмосфера не загрязняется выбросами СО2.

3. Батареи гибридных двигателей подзаряжаются от бензинового двигателя, чего нельзя сказать об электромобилях, что делает запас хода топливного двигателя гораздо большим. И ещё он может дольше обходиться без дозаправки.

4. Современные гибридные автомобили ничуть не уступают аналогичному классу традиционных по всем основным характеристикам. Так что развеем этот миф, которому многие, скорее всего верят.

5. В городских условиях с частыми остановками гибридные автомобили работают как электромобили.

6. Стоя на месте автомобиль с гибридным двигателем полностью бесшумен, так как он работает только на электродвигателе.

7. Заправка гибрида осуществляется бензином и таким же образом, как и традиционного автомобиля.

Минусы гибридных автомобилей

В мире нет ничего идеального, а значит и гибридные двигатели тоже имеют свои минусы.

1. И основным минусом является дорогой ремонт. Так как конструкция таких двигателей очень сложна, то и найти специалиста, который займётся устранением проблем, очень сложно. Этим и объясняется большая стоимость обслуживания гибридов.

2. Аккумуляторы, установленные на гибриды подвержены саморазрядке. Также они не переносят резких перепадов температур. А срок службы их сильно ограничен. Но до сих пор пока не выяснили то, какое влияние на окружающую среду оказывают аккумуляторы из-за чего утилизировать их является проблемной задачей.

Очевидно, конечно, что гибридные двигатели имеют больше плюсов чем минусов, но в нашей стране они не прижились пока что. Первая причина для этого – цена. Стоимость в Украине популярной Toyota Prius составляет от 850 000 гривен. А ведь он не только самый-самый в своей популярности, но и самый дешёвый. Также в России планировалось наладить выпуск гибрида под названием «Ё-мобиль», но проект был свёрнут. На сегодня самым мощным автомобилем с гибридным двигателем является BMW ActiveHybrid X6.

Борьба за экологию в наше время идёт полным ходом и очень рьяно, в связи с чем автолюбителей стимулируют к приобретению автомобилей с гибридными двигателями. Так в Америке владельцам таких автомобилей предоставляются определённые льготы и бесплатные места на парковках. В нашей стране также планируются вводиться похожие законы, в частности будут уменьшены пошлины на импорт автомобилей с гибридными двигателями. Бензиновые двигатели уже понемногу отходят на задний план, утрачивая свои позиции. И гибридные двигатели – один из основных шагов, которые предпринимаются для этого. Но пока ценовая категория этих автомобилей остаётся на том же уровне, спрос на них будет малый.

О ценах на авто с гибридными двигателями

Как и всё новое, необычное и интересное, автомобили с гибридными двигателями отличаются от своих классических собратьев большей стоимостью. Сегодня гибридные автомобили гораздо превышают в стоимости автомобили с аналогичными характеристиками, но с бензиновыми двигателями. Например, гибридная Toyota Camry превосходит по стоимости своего бензинового собрата почти на 7 000 долларов. Стоимость гибридной Honda Civic возросла на 4 000 долларов по сравнению со своей традиционной моделью. Lexus GS 450h – это прекрасный динамичный (от 0 до 100 всего за 5,9 секунд) автомобиль, который ещё и гораздо экономичнее аналогичных по мощности седанов с восьмицилиндровыми двигателями. Топливный расход этого автомобиля приблизительно 8 литров на 100 километров в смешанном цикле. Средняя розничная цена на этот автомобиль в Украине в среднем будет составлять около 80 000 долларов.

На тему внедрения гибридных автомобилей, конечно, можно рассуждать долго и занимать определённые позиции и отстаивать свои точки зрения, но ясно одно – будущее не за горами и скоро этот скачок будет совершён. Перемены в автомобилестроении грядут грандиозные! И надеемся это будет то, что нужно всем нам.