Гибридный автомобиль

‎   Гибридный автомобиль — автомобиль, использующий для привода ведущих колес разнородную энергию.
   Современными автопроизводителями используется схема, позволяющая совмещать тягу ДВС и электродвигателя. Это позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, что повышает топливную эффективность силовой установки.
   Нередко силовые установки с электромеханической трансмиссией (например, тепловоз, некоторые трактора и танки) называют гибридными, что в сущности ошибочно.

Общий принцип

   Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические провода, была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах. Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства. Это обусловлено тем, что ДВС обладает определённой нагрузочной характеристикой (зависимостью отдаваемой мощности от частоты вращения вала), которая имеет оптимальные показатели только в узком интервале, как правило смещённом в сторону высоких оборотов. Частичная компенсация этого недостатка происходит за счёт применения коробки передач, однако, она ещё более ухудшает общий КПД за счёт собственных потерь. Также, ДВС не может изменить направление вращения, чтобы обеспечить задний ход. Электродвигатель свободен от этих недостатков, плюс обеспечивает мгновенный запуск и остановку, и не имеет нужды в холостом ходе, что даёт ещё одно важное преимущество — отсутствие механизма сцепления. Поэтому электродвигатель не требует никакой трансмиссии, и в теории, может быть размещён непосредственно в колесе.
   Суть нового принципа заключается в том, что двигатель, работающий на обычном топливе, приводит в движение электрогенератор, и через систему управления нужное количество электроэнергии передаётся на электродвигатели, приводя в движение транспортное средство. Это похоже на электростанцию на электромобиле, вырабатывающую энергию для собственного движения. Суть схемы работы гибридного автомобиля аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь добавлением аккумуляторной батареи, только в отличие от электромобиля менее ёмкой, а следовательно, более лёгкой.

Типовые схемы
   По методу подключения двигателя и накопителя к приводу:
   Параллельная. Двигатель и накопитель соединены дифференциалом, который соединен с приводом колес. Используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с МКПП) и низкой стоимостью.
    Последовательная. Двигатель соединен только с накопителем, который в свою очередь соединён с приводом колес. В легковых автомобилях пока что не используется из-за низкого КПД. Близкий принцип используется в электрической трансмиссии, которая применяется в случаях, когда необходимо передать большой момент с ДВС на колеса, например, в железнодорожном транспорте или карьерных самосвалах.
   Последовательно-параллельная. Система может работать как последовательно, так и параллельно, в зависимости от режима работы. Реализовано в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius.
   По типам накопителей:
   Электрические:
На основе электрохимических аккумуляторов
На основе инерционных накопителей
   Механические:
На основе пневматических аккумуляторов, гидроаккумуляторов с пневматическим накопителем.
На основе инерционных накопителей.
   Наиболее используемая схема «двигатель внутреннего сгорания — электрический аккумулятор — электродвигатель». В последнем случае питается как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество гибридного автомобиля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

Причины начала разработок
   Главной причиной начала производства легковых гибридов был рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным повышением требований к экологичности автомобилей. При этом совершенствование технологий и налоговые льготы производителям гибридов делает эти автомобили в некоторых случаях даже дешевле обычных. В некоторых странах владельцы гибридов освобождаются от уплаты дорожного налога и не платят за муниципальные парковки. Применение электромобилей, несмотря на многие преимущества, и даже налаженный их выпуск, имеет ряд недостатков:
необходимость длительной зарядки аккумуляторов;
большая масса аккумуляторов;
недостаточная дальность пробега;
недоступность заправочных станций;
   Нужно было искать компромиссы и устранять недостатки. И таким компромиссом стала разработка гибридомобиля.

История разработок
   Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche.[1] 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 СССР
   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 %[2].
   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[3]. Но данные технологии советская автомобильная промышленность не начала использовать[3].

Преимущества
   Экономная эксплуатация
   Главным преимуществом является экономная эксплуатация. Чтобы достичь её, необходимо было искать баланс, то есть уравновесить все технические показатели машины, но при этом сохранить все полезные параметры обычного автомобиля: его мощность, скорость, способность к быстрому разгону, и множество других, весьма важных характеристик, заложенных в современных автомобилях. Мало того, способность накапливать энергию, в том числе и не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения, а заряжать аккумуляторные батареи, помимо основных явных преимуществ, привнесло автолюбителям некоторые побочные «мелкие радости», например, меньший износ тормозных колодок.
   Как была достигнута экономия:
снижением объёма и мощности двигателя;
работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо меньшей зависимости от условий езды;
полная остановка работы двигателя, когда это необходимо;
возможность движения только на электродвигателях;
рекуперативное торможение с зарядкой аккумулятора.
   Вся эта система до такой степени сложна, что стала возможна в полной мере только в современных условиях, с применением достаточно непростых алгоритмов работы бортового компьютера. Даже правильное и эффективное (с точки зрения безопасности) торможение управляется бортовым компьютером.
 
   Экологическая чистота
   Снижение расхода углеводородного топлива немедленно сказалось на экологической чистоте.    Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте и для грузовых автомобилей ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.

Хорошие ходовые характеристики
   Теперь нет необходимости устанавливать двигатель из расчёта пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу включаются одновременно как электро-, так и обычный двигатель (а в некоторых моделях и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить за счет установки менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее экономном и благоприятном для себя режиме. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, с последующим быстрым использованием, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного класса и внедорожниках. Несмотря на то, что электродвигатели обладают достаточно большим крутящим моментом в пересчёте на массу и габариты двигателя, по сравнению с другими двигателями, разработчики всё же в ряде моделей устанавливают не слишком мощные электродвигатели, уменьшая их габариты. При этом, в целях суммирования мощностей, применяются комбинированные схемы передачи крутящего момента, с прямой передачей механического крутящего момента, непосредственно от двигателя. Такая схема называется «гибридно-совместный привод».

Увеличение дальности пробега
   Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени.

Сохранение и повторное использование энергии
   Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе — невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую и гидравлическую энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево. В качестве накопителя применяются аккумуляторы, гидроаккумуляторы и специальные конденсаторы.

Обычная заправка топливом
   У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80 % ёмкости за 5-15 минут.
   У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.
   В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80 % времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.

Недостатки
   Высокая сложность
   Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте.    Опыт США говорит, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.
Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня (2008) серийная разработка — Hybrid Synergy Drive (произносится [ха́йбрид си́неджи драйв]) компании Toyota.
   Отсутствие трансмиссий
   Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений (более 20).
   Утилизация аккумуляторов
   Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. В некоторых гибридных автомобилях аккумуляторы не предусмотрены (например, в ё-мобиле).
   Подогрев салона
   Высокий КПД определяет малую побочную генерацию бросового тепла. В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива. В американских моделях Тойота Приус также используются электрические ТЭНы, которые питаются от высоковольтной батареи. Они не только обеспечивают тепло без излишней работы ДВС, но и позволяют нагревать салон сразу после холодного старта автомобиля.
   Опасность для пешеходов
   Американский институт по оценке ущерба на дорогах (англ. Highway Loss Data Institute) опубликовал исследование, согласно которому гибриды опаснее для пешеходов, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Причиной повышенной опасности гибридов для пешеходов является их бесшумность в режиме работы от электродвигателя. Согласно опубликованной статистике аварийности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше[4]. Для решения этой проблемы предлагается оснащать гибридные автомобили генератором звукового сигнала, который на небольших скоростях (до 30 км/ч) будет имитировать звук работающего двигателя внутреннего сгорания. Подобный генератор ставится с 2010 года на Toyota Prius. Сейчас требования к наличию звукового генератора у гибридных и электрических машин узаконены только в Японии. В конце 2011 года президент США Барак Обама дал указание Национальной администрации безопасности дорожного движения решить эту проблему в США в течение ближайших трёх лет[4].

Стоимость автомобиля, внешний вид и обустройство салона
   Гибридный автомобиль ничем внешне не отличается от своих «бензиновых» собратьев.    Выпускаются различные виды, начиная от обычных городских автомобилей и заканчивая джипами-внедорожниками и спортивными моделями. А своеобразная начинка только добавляет особую гордость владельцу. При этом цена остаётся практически на том же уровне. Дисплей, отображающий работу системы и направление потоков энергии, некоторые владельцы уже окрестили термином «тамагочи для больших мальчиков». Но всё же производители не рекомендуют джипы-внедорожники использовать в сложных геоклиматических условиях.

Гибриды с возможностью подключения к электросети
   Такой автомобиль, так же называемый англ. plug-in hybrid electric vehicle или PHEV, включать в розетку не обязательно — но у владельца есть и такая возможность. В результате водитель получает все преимущества электромобиля без самого большого его недостатка — ограничения по пробегу за один заряд. Машину можно использовать как электромобиль большую часть пути, а как только заряд заканчивается, то включается небольшой бензиновый или дизельный двигатель и ваша машина едет дальше как обычный гибрид. Зарядка будет происходить в основном ночью, в часы, когда электроэнергия стоит дешевле.
   Несмотря на то, что лидирующие компании заявили о своем намерении освоить эту область (несколько концепт-образцов представлены на автошоу), гибриды с подключением к электросети пока практически недоступны в розничной продаже. Однако, несколько компаний предлагают комплект усовершенствований для переделки машин в такие гибриды.

Современное применение
  Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.
   По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).
   Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов.
   В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году.
   В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM).
   Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Гибридные автобусы
   Автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками разрабатывают и производят:
New Flyer Industries — Канада. Выпускает гибридные автобусы с 1997 года.
DaimlerChrysler — автобус Orion VII. Гибридная схема разработана совместно с компанией BAE Systems;
General Motors — Гибридная схема GM/Allison разработана совместно с DaimlerChrysler и BMW;
Optima Bus Corporation (США) — Гибридная схема разработана совместно ISE-Siemens;
Enova (США);
First Automotive Works (FAW) (Китай) — Гибридная схема Enova;
Solaris Bus & Coach (Польша) — Гибридная схема GM/Allison;
APTS (Нидерланды) — Гибридная схема GM/Allison (Phileas);
Optare Group (Великобритания) — Гибридная схема GM/Allison;
Nova Bus (Канада) — Гибридная схема GM/Allison;
DesignLine International Holdings (Новая Зеландия). На автобусах установлены микротурбины компании Capstone MicroTurbine и аккумуляторы;
Beiqi Foton Bus (Китай) — Гибридная схема Eaton Corporation.
ЛИАЗ (Россия) — автобус ЛиАЗ-5292.
Тролза (Россия) — экобус ТролЗа-5250 с микротурбиной (топливо — природный газ, пропан, бутан) на базе троллейбуса Тролза-5265
Dongfeng Motor Company (Китай) — автобус Dongfeng EQ6110.
Volvo — Volvo 7700 Hybrid.
Hyundai Motor Company — автобус Blue-City.
   Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке. General    Motors с 2004 года к июню 2008 года поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 года First Automotive Works начала производство гибридных автобусов осенью 2005 года.
   Разрабатывают гибридную схему для автобусов, состоящую из водородных топливных элементов и аккумуляторов:
Японские компании Toyota и Hino;
Бельгийская компания Van Hool совместно с компаниями ISE Corp (США) и UTC Power (США)

Гибридные грузовики
   Гибридные схемы для грузовиков разрабатывают и производят компании:
Azure Dynamics (США)
Nissan совместно с ZF Friedrichshafen AG (Германия)
Alcoa совместно с Altair Nanotechnologies (США) разрабатывают аккумуляторы для гибридных грузовиков
Odyne Corporation (США)
Peterbilt 386 hybrid (США) совместно с Eaton
Oshkosh Truck Corp
Volvo Cars и MAC
Hino Motors (Япония)
Caterpillar Inc. (США)
Гибриды в спорте
   Все более стесненные технические регламенты гонок вынуждают конструкторов гоночных машин обращать внимание на нетрадиционные методы увеличения их эффективности. Гибридная силовая установка — один из таких методов. Впервые об их применении стали широко говорить в конце 90-х гг. когда три команды «Формулы-1» вели разработки такой системы, позволявшей заряжать аккумуляторы при торможении, чтобы затем выдать энергию в виде дополнительного разгонного импульса. Тогда ФИА запретила работу над этими системами из опасения неконтролируемого роста расходов. Однако реалии современного мира заставили вновь обратить внимание на эти системы. С 2009 г. разрешено использование таких систем в гонках Ф1. Их применение сулит много преимуществ — лучшие характеристики торможения, возможность кратковременного увеличения мощности, что может быть использовано для обгона соперников, кроме того двигатель работает в более выгодных режимах.
   Кроме того, гибридный автомобиль Тойота Супра HV-R уже выиграл 24 часовую гонку в Токайчи, а в 2008 г. в гонке 24 часа Нюрбургринга участвовал гибридный Гумперт Аполло, который, правда, до финиша не добрался, два года спустя гибридный Порше с механической системой рекуперации, сошёл, лидируя, за 2 часа до финиша, из-за поломки основного мотора. В гонках на выносливость гибридный привод сулит также дополнительное преимущество в виде большой экономичности, что позволяет реже проводить дозаправки и таким образом экономить время. С 2011 г. регламент LMP1 будет допускать применение гибридных приводов, но направленных исключительно на экономию топлива, а не улучшение скоростных показателей.
   Существует студенческий класс спортивных гибридных автомобилей, когда учащиеся сами создают в рамках регламента уникальные конструкции. Соревнования проходят на трассе NASCAR New Hampshire Motor Speedway в США и Формула — 1 Silverstone. Есть участники данного направления и в России — команда Формула Гибрид МАДИ(ГТУ), впервые принявшие участие в 2009 году.

Перспективы
   Toyota объявляла о намерении к 2007 году увеличить объём выпуска гибридных автомобилей до 900 тысяч в год, а к 2012 году вообще перейти исключительно на выпуск гибридов
   Лондон после 2012 года будет закупать только гибридные автобусы.Будет вводиться в эксплуатацию по 5000 гибридных автобусов ежегодно.
   Фирма Walmart уже сейчас закупила несколько тысяч гибридных «петербилтов»