6.3.1 Автомобили с комбинированной (гибридной) энергетической установкой
В качестве основного источника энергии в автомобилях с комбини-рованной (гибридной) установкой используют ДВС, а в качестве пикового ее источника − тяговую электрохимическую батарею (ТЭБ) или накопитель (батарея электрических конденсаторов, сверхкомпактный маховик и т. п.).
Последовательная схема. В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электро-двигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называ-ют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электри-ческую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволяет стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.
Параллельная схема. Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Подобная конструкция достаточно проста, но имеет такие недостатки как обратимая машина гибридной силовой установ-ки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.
Последовательно-параллельная схема объединяет в себе две предыдущие. В зависимости от условий движения, используют тягу электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом, достигается максимальная эффективность силовой установки (рис.6.3).
Гибридные силовые установки имеют ряд недостатков: усложненная конструкция требует специального оборудования для их обслуживания и ремонта; необходима подготовка специалистов не только для обслуживания таких двигателей, но и для оказания помощи при аварии такого автомобиля.
Возможности гибридных двигателей демонстрирует концепт-кар Porsche 918, построенный на базе гоночного RS Spyder, представленный на Женевском автомобильном салоне в 2010 году. На него компания Porsche получила более тысячи предварительных заявок от будущих покупателей.
Рис.6.3. Последовательно-параллельная схема электрической
И топливной составляющих автомобиля
Гибрид разгоняется от 0 до 100 км/ч за 2,8 с и развивает максимальную скорость 325 км/ч, потребляя 3 л топлива на 100 км. Корпус автомобиля из углепластика. Базовая цена в €768000 делает гибрид самым дорогим Porsche за всю историю. В режиме Full EV гибрид работает в режиме электромобиля, заряжаемый от сети (plug-in). Даже на электротяге Porsche стартует мгновенно, но шума от него при этом не больше, чем от крадущегося «Приуса». В режиме E-power, одном из пяти оставшихся режимов работы гибридной трансмиссии, автомобиль по сути остается электрическим, но держит наготове и ДВС. В режиме Sport Hybrid 918-й ДВС - главный тяговый фактор (рис.6.4).
Российский гибридомобиль. Холдинг «Яровит» совместно с Группой «ОНЭКСИМ» создает компанию по разработке и выпуску легковых гибридомобилей - финансирование проекта в обмен на 51% акций обеспечит компания М.Прохорова. Вес 4-х местного гибридомобиля - 700 кг, средний расход топлива не более 3,5 л/100 км. В основе машины пространственная алюминиевая рама массой всего 110 кг, навесные элементы кузова планируют сделать базальтоволоконными. Длина гибридомобиля - 3,8 метра. Силовая установка будет выполнена по «последовательной» схеме, в которой двигатель внутреннего сгорания лишь приводит генератор и не связан с ведущими колесами. Пока Яровит экспериментирует с зарубежным 48-сильным бензиновым двигателем объемом 600 куб.см., но рассматриваются также проекты российского роторно-поршневого мотора или малогабаритной газо-вой турбины.Вместо тяжелых аккумуляторных батарей - более легкий, ком-пактный быстро заряжаемый блок суперконденсаторов: он быстро заряжается, при этом запас «конденсаторного» хода - не меньше пяти километров. Тягу обеспечивают два электромотора суммарной мощностью 50 кВт и массой 17 кг каждый, смонтированные непосредственно у ведущих колес.
Рис.6.4. Porsche 918 (модель 2014 года) обещает стать одним из самых совершенных гибридов: 1 - Porshe doppelt kupplungsbetriebe - Семискоростная коробка передач с двумя сцеплениями; 2 - задний электродвигатель - мотор мощностью 95 кВт ПЗО л.с., сопряженеый с бензиновым двигателем V-8. По мере необходимости он подает крутящий момент на задние колеса. Когда подключается передний электромотор, 918-й превращается в полноприводную машину. Кроме того, оба эти двигателя участвуют в рекуперативном торможении, подзаряжая аккумулятор; 3,7 - силовая электроника для ля плавного и предсказуемого управления мощностью силовой установки на скоростях свыше 230 км/ч компьютер отсоединяет оба электродвигателя от трансмиссии, чтобы они не пострадали от завышенных оборотов. Дальше бензиновый 8-цилиндровый мотор работает уже в одиночку, разгоняя 918-й до максимальной скорости 325 км/ч. 4. двигатель V-8 - расположенный максимально близко к центру машины мотор объемом 4,6 л выдает 580 л.с. на 8500 об/мин, что превосходит показатели силовой установки гоночной машины R5 Spyder LMP2, которая послужила прототипом для этой модели; 5 - литий-ионная батарея - аккумуляторная батарея на 6,8 кВт*ч с жидкостным охлаждением. Она содержит 312 ячеек, которые могут подзаряжаться как за счет рекуперативного торможения, так и от электрической розетки. При собственной массе машины 1700 кг вес батареи - около 300. Аппарат ускоренной зарядки доводит батарею до полной готовности за 2 часа; 6 - передний тяговый электромотор - при необходимости выдает на передние колеса мощность до 85 кВт (115 л.с). На скоростях от 0 до 230 км/ч мотор работает в паре с собственным редуктором. Этот режим предельно тихий и экологичный, запас хода при движении в стиле E-power составляет всего 25 км.
Планируемый запас хода на одной заправке - 400 км: это примерно 14 л бензина при среднем расходе не более 3,5 л/100 км. Планируется использование не обычного жидкого топлива, а природного газа метана, причем не сжатого, как на нынешних автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, а сжиженного, что влечет за собой необходимость применения криобака.
Идеологическая особенность проекта - ограничение скорости на уровне 120 км/ч, поскольку городскому жителю быстрее разгоняться нет надобности. Разработчики проектируют «модульную транспортную платформу городского автомобиля» и делать на основе разработанного шасси компактный кроссовер и развозной грузовичок. Причем за счет модульной архитектуры гибридомобили будут отличаться простотой сборки, которую могли бы вести не только специализированные заводы, но и сами дилеры. Планируемая розничная цена 300-450 тыс. руб.
Основные достоинства и недостатки двигателей внутреннего сгорания на водороде. Серьезным преимуществом ДВС на водороде является и возможность использования в качестве топлива не только водорода, но и традиционных видов топлива. Правда за это приходится расплачиваться необходимостью иметь два топливных бака. Однако внедрять такую технологию в «массы» будет проще.
Нерешенным является и вопрос о баках для водорода. Инженеры изобрели несколько способов хранения водорода − металлгидридные аккумуляторы, баки для хранения водорода под высоким давлением или в сжиженном виде. У каждого из способов есть преимущества и недостатки, однако технологии не стоят на месте, и рано или поздно приемлемый вариант будет разработан.
Какой из двух вариантов, водородные топливные элементы или двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде или водородно-бензиновой смеси, окажется экономически и технически наиболее перспективным пока не ясно: исследования в данной области продолжаются.