РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
«ГИБРИДНЫЕ ДВИГАТЕЛИВ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ»
Введение
Главнаязадача гибридного автомобиля – снижение расхода топлива, а также снижениевредных выбросов в атмосферу. 78% выбросов углекислого газа за полный жизненный цикл обычногоавтомобиля приходятся на его эксплуатацию и лишь 22% – на все остальное.Поэтому 4% «добавки» на производство и переработку батареи, электромотора игенератора гибрида с лихвой компенсируются снижением выбросов на 30% во времяезды. В последнее время, в связи с высокими ценами на нефть и постояннымповышением экологических требований, рыночный спрос на подобные автомобиливозрос многократно. При этом, совершенствование технологий и налоговые льготыпроизводителям гибридов снижают стоимость их производства, сравнимую в нашевремя со стоимостью производства обычного автомобиля. Владельцы такихтранспортных средств во многих странах уже несколько лет имеют льготы приуплате дорожного налога и освобождены от платы на муниципальных парковках.
Первыеразработки появились на рубеже 19 – 20 в.в. Первым автомобилем с гибридным приводом считаетсяLohner-Porsche. Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в1900–1901 годах. Начинаяс 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустилапартию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году GeneralElectric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновыммотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовикисходили до 1940 года. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы вте времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогдапомешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности инепомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).
Гибридныйавтомобиль – это автомобиль, приводимый в движение системой «ДВС – накопительэнергии – привод».
В зависимостиот задач, которые ставят перед собой конструкторы, используются разные схемы, укаждой из которых есть достоинства, недостатки и просто особенности.
1. По методуподключения двигателя и накопителя энергии к приводу схемы делятся на:последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. Последовательнаякинематическая схема энергетической установки исключает механическую связьколес с первичным источником энергии. ДВС является источником энергии дляэлектрогенератора, который, в свою очередь, питает электродвигатели приводаколес. Между генератором и двигателем (двигателями) привода расположеннакопитель энергии (аккумуляторная батарея (АБ) или суперконденсаторы).Накопитель аккумулирует избытки вырабатываемой генератором электроэнергии,получает энергию рекуперации при торможении, обеспечивает пиковые нагрузки наколесах. Схема позволяет стабилизировать режим работы первичного двигателя вплане максимальной топливной эффективности и минимальных выбросов, исключитьконструктивные элементы механической передачи: коробки передач, валы и т.д. Присохранении момента привода можно использовать двигатель меньшей мощности.Внедрить такую схему наиболее просто, т. к. можно обеспечить любуюкомпоновку элементов привода (отсутствует передача энергии по механическомуканалу). Электрическая схема также довольно проста, ее можно применить как сДВС, так и с альтернативными источниками энергии (топливными элементами и т.д.).К недостаткам схемы относятся двойное преобразование энергии(теоретически – ниже КПД), необходимость применения электромашин исилового преобразователя на полную мощность привода, относительно высокая ценакомплекта тягового оборудования. Параллельная схема обеспечивает передачу энергии наколеса как от ДВС, так и параллельно – от электродвигателя. При этомнакопитель энергии работает так же, как в последовательной схеме. Электродвигателькомпенсирует неравномерности работы ДВС и недостатки момента, обеспечиваяплавность хода и экономию топлива за счет энергии накопителя, полученной прирекуперативном торможении. При малых оборотах движение транспортного средстваможет обеспечивать только электродвигатель, а ДВС включается в работу принаборе достаточной скорости движения. Схема имеет относительно высокий КПД ихорошие массогабаритные показатели, к тому же, она относительно недорогая(электрооборудование применяется только на часть полной мощности). Кнедостаткам схемы относятся сложность механического согласования работы ДВС иэлектропривода, ограничения в компоновке, необходимость применения устройствмеханического согласования (коробок передач специальной конструкции). Правда,от согласования работы ДВС и электропривода можно уйти, обеспечив передачу имимомента на разные оси (колеса), однако такой прием не всегда допустим поусловиям размещения тягового оборудования и баланса масс транспортногосредства. Существенным недостатком схемы является также нестабильность работыДВС, соответственно, ухудшаются показатели выбросов по сравнению споследовательной схемой. Комбинированная схема сочетает преимуществапоследовательной и параллельной схем за счет специального устройствасогласования работы ДВС и электродвигателя (например, несимметричныйпланетарный дифференциал). Устройство согласования позволяет перераспределятьпотоки мощности между двумя источниками энергии (тепловой двигатель иэлектрический накопитель) и двумя каналами передачи энергии на колеса(механическим и электромеханическим) и передавать мощность между ними в любомнаправлении. В такой схеме может работать как один источник энергии (ДВС илинакопитель электроэнергии), так и сразу два (ДВС и накопитель), а вращениепередается на колеса как механическим, так и электрическим двигателями, либотолько одним из них (любым). Такая схема обеспечивает высокую экономичность,максимальную гибкость в режимах работы системы тягового привода, но являетсядовольно сложной в разработке и реализации, требует создания сложных и дорогихмеханических элементов. 2. По типам накопителей схемы могут быть электрические(на основе электрохимических аккумуляторов); механические (на основепневматических аккумуляторов); инерционные (маховик).
Устройствои принцип работы гибридов
Гибриднаямашина имеет: обычный бензиновый двигатель, либо турбодизель с непосредственнымвпрыском. Дизельные силовые агрегаты используют неохотно, так как их основныепроблемы – выбросы сажи и окислов азота. Чтобы уложиться в перспективныежесткие нормы по токсичности, придется «вешать» на дизельные моторы оченьдорогие фильтры и нейтрализаторы, которые вдобавок снижают мощность;
– топливныйбак, где хранится топливо для ДВС;
– электромотор.Современная электроника делает его мотором и генератором одновременно. Он берётэнергию из электрических батарей для ускорения автомобиля, и восстанавливаетэнергию при торможении, переходя в режим генератора (так называемое«рекуперативное торможение»);
– генератор. Вырабатываетэлектроэнергию, которая запасается в аккумуляторе;
– батареи.Источник энергии для электромотора;
– трансмиссия.Передаёт крутящий момент на колёса.
Гибридизацияпо-тойотовски
Toyotaлидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года,причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетныхвнедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса – Lexus LS600h.
В августе2009 года суммарное производство автомобилей Prius превысило 2 миллионаэкземпляров.За четырегода было произведено около 150 тысяч гибридных кроссоверов. Доля версии 400h вобщем объеме продаж машины достигла 69 процентов, а по Западной Европе этотпоказатель еще выше: 95%! Технологию гибридного привода Toyota Hybrid Synergy Drive лицензировали Ford(Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).
Рассмотримпринцип работы гибридного автомобиля на примере последовательно – параллельнойгибридной силовой установки Hybrid Synergy Drive, которую устанавливает на своиавтомобили компания Toyota. Термин «синергия» означает совместное действие несколькихкомпонентов. В силовой установке Hybrid Synergy Drive сочетаются бензиновыйдвигатель – и два электромотора. Вернее, их три, но о третьем, которыйобеспечивает задний привод, пока забудем. Бензиновый двигатель – это V-образнаяшестёрка, объемом 3,3 л, мощностью 150 кВт. Два электромотора, которыерасполагаются в передней и задней частях и приводят в движение, соответственноколёса переднего и заднего мостов, имеют суммарную мощность 200 кВт и рабочеенапряжение 650В. Высоковольтная аккумуляторная батарея, которая питает обаэлектромотора и запасает энергию при рекуперативном торможении, также являетсянеотъемлемой частью системы.
Устройствораспределения энергии – это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором.В данном случае его роль играет компактная планетарная передача, обладающаямалой массой и меньшим количеством движущихся частей, в сравнении с 5-ти или 6-тиступенчатыми АКПП автомобилей премиум – класса, что в свою очередь, ведёт кповышению надёжности и увеличению срока службы этого узла.
Энергетическийцентр, управляющий созданием и распределением запасов энергии, состоит извысоковольтной никельметаллгидридной аккумуляторной батареи, блока управленияэнергией, полупроводникового коммутационного устройства и рекуперативнойтормозной системы. Блок управления энергией и полупроводниковое устройствопереключения управляют потоком энергии между генератором, батареей иэлектромоторами. Данныеустройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии спотребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующимипричинами: генератор и электромоторы – машины переменного тока, в то время какаккумуляторная батарея оперирует постоянным током, кроме того, выходноенапряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а такжевходному напряжению электромоторов. Инвертор – блок, преобразующий постоянныйток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый дляпитания электромоторов. В данной гибридной силовой установке предусмотренавысоковольтная схема преобразования постоянного тока одного напряжения впостоянный ток более высокого напряжения. При этом происходит равномерный ростэлектрической мощности при той же величине силы тока.
Прирекуперативном торможении система переводит моторы в генераторный режим.Вырабатываемая при этом энергия поступает на хранение в аккумуляторную батарею.Особо эффективно сохраняет энергию при езде в городских условиях режим «старт –стоп», который позволяет автоматически глушить двигатель при остановках илидаже во время замедления.
Для началадвижения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавномнаборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управленияэлектропитанием, который, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы,что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.
При движениив нормальном режиме момент на ведущие колёса поступает с ДВС и электромоторов.При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишкиэнергии.
В целяхобеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируетсяэлектронным блоком управления.
При разгонебензиновый двигатель работает в нормальном режиме, а при необходимости,дополнительная энергия для улучшения динамики поступает от электромоторов.
Дляоптимизации количества сохраняемой энергии, электроника принимает решение отом, когда следует использовать гидравлическую систему торможения, а когда –рекуперативное торможение.
Хотелось быотдельно сказать несколько слов о высоковольтной аккумуляторной батарее.Компания Toyota уже долгое время использует никельметаллгидридные батареи,которые переносят низкие температуры без заметного снижения рабочиххарактеристик. Японцы проводили испытания при температуре около минус 30, и автомобильзаводился и нормально работал. Срок службы батареи – такой же, как и у всегоавтомобиля, 300–350 тысяч километров.
Первыйсерийный гибридный «Мерседес»
Это «Мерседес»S400 BlueHybrid, в котором 279 –сильному двигателю помогает электромотор, мощностью 15 кВт (20 л.с.).Конструкция гибрида проста – в маховик автомобиля встроен электрическиймотор-генератор, отдающий ток аккумуляторной батарее при торможении и«подрабатывающий» тяговым двигателем при разгоне. И все. Никаких сцеплений, каку Infiniti или Porsche, уже не говоря про хитроумную планетарную схемутойотовского гибридного привода. Соответственно, Mercedes S 400 BlueHybrid неможет бесшумно ехать на «чистой» электротяге, вообще не загрязняя воздух. Номерседесовцы указывают на достоинства своей схемы. Расход топлива в смешанномцикле составляет до 7,9 литра на 100 км – это на 2,2 литра меньше, чем убензинового Мерседеса S 350. Выбросы СО сокращаются на 21% – до рекордных вклассе 190 г./км. Для сравнения: гибридный Lexus LS 600h выбрасывает 219граммов углекислоты на километр пробега, но при этом суммарная мощность силовойустановки с пятилитровым мотором V8 у него на 146 л.с. выше. Ещё один плюсэтой конструкции – компактность и малая масса «гибридных» узлов. Кузов не потребовалдоработок, салон и багажник остались нетронутыми. Прибавка в весе составилавсего 75 килограммов. А гибридный Lexus стал тяжелее обычного бензинового на200 кг. Обойтись «малой кровью» удалось благодаря применению маленькойлитий-ионной батареи объемом всего 13 литров, вставшей на место обычногоаккумулятора под капотом. Батарею, равно как и все остальные компонентыгибридного привода, поставляет концерн Continental – причем не только наDaimler, но и на BMW: точно такая же механика будет и у гибридной «семерки»BMW.
Литий-ионныебатареи привлекают инженеров давно. Но «хочется, да колется» – компактные иэффективные батареи… взрывоопасны. Велика вероятность неконтролируемой«разгонной» реакции, когда перегрев провоцирует резкое ускорение химическойактивности, в свою очередь вызывающее выделение тепла и лавинообразный эффект.Немецкая батарея состоит из 35 аккумуляторов цилиндрической формы, хотя,например, Nissan уверяет, что более эффективны плоские «конвертные» ячейки. Отвзрыва батарею предохраняют система охлаждения, поддерживающая температуру от15 до 35 градусов, и электронная система управления и диагностики, питающаясяот маленького резервного 12-вольтового аккумулятора в багажнике. А если все жерванет? Тогда поможет корпус, сделанный с помощью лазерной сварки извысокопрочной стали, – он призван защитить батарею и от разрушения при аварии.Есть у литий-ионной батареи еще один коварный недостаток. После разрядки «вноль» ее придется выбросить – между тем как никельметаллгидридные аккумуляторы,которые используются на нынешних гибридомобилях Toyota, Lexus и Honda, после«опустошения» восстанавливаются полностью. Хорошо, что темп саморазряда улитий-ионных аккумуляторов невелик – по 5 процентов в месяц. На ходу Mercedes S400 BlueHybrid ничем особенным не выделяется. Двигатель запускается, лишь при отпусканиипедали тормоза, – это работает система «старт-стоп». Маленький аккумуляториспользуется «по полной». Да и заряжается быстро – на спусках, длиной 3–4километра запас электроэнергии пополняется с минимально допустимых 30 процентовдо максимальных 90 с лишним. А стоит коснуться тормоза – и заряд растет прямона глазах. Плавное торможение с замедлением до 0,2 g обеспечивает толькогенератор, причем от режима «автомата» эффективность рекуперации не зависит. Поданным компании Continental, в реальной жизни четыре из пяти торможенийпроизводятся с замедлением не более 0,3 g – так что помимо получения дармовойрекуперированной энергии можно здорово сэкономить и на износе тормозов. А онисрабатывают только при большем нажатии на педаль. Правда, тормоза у S-классатрадиционные, а не электрогидравлические, как на гибридных седанах Lexus, и длягибрида мерседесовцам пришлось конструировать оригинальный педальный узел.Перед полной остановкой, как только скорость падает ниже 15 км/ч,двигатель для экономии топлива глушится – значит, останавливается имотор-генератор. Снова он заведется, как только водитель снимет ногу с педалитормоза. Запуск от 15-киловаттного электромотора, раскручивающего мотор сразудо 500–600 об/мин происходит быстрее, чем от обычного 12-вольтового стартерамощностью 1–1,5 кВт. Правда, в самых медленных пробках система «старт-стоп» неработает: электроника допускает только четыре цикла «старт-стоп» подряд. Неглушится двигатель и при прогреве, на морозе (если температура в системеохлаждения упала ниже 60 градусов), при заряде батареи менее 30 процентов и впарковочных режимах после включения заднего хода. Мерседесовцы уверяют, что ужев этом поколении S-класса появится дизельная гибридная установка, но проблемаболее шумного и вибронагруженного перезапуска дизельного двигателя пока нерешена – дело даже не дошло до ходовых испытаний. Новые гибридные модели немцыобещают показывать не реже, чем раз в год. Причем следующим будет двухрежимный«полный» гибрид на базе внедорожника М-класса с планетарной трансмиссией пообразцу тойотовской! Японских патентов мерседесовцы не покупали – они уверяют,что усовершенствовали непревзойденную на сегодняшний день тойотовской схему: вчастности, избавились от больших потерь при высоких оборотах, вызванных тем,что электродвигатель и мотор-генератор вращаются постоянно. Мощностьэлектротяги гибридного М-класса – около 50 кВт, тяговая батарея разместится вбагажнике. Причем она будет никельметаллгидридной. Видимо, пока не удаетсярешить проблемы с охлаждением большой литий-ионной батареи. Кстати,«кондиционер» для никельметаллгидридного аккумулятора гибрида Lexus LS 600hпотребляет столько энергии, что в некоторых режимах сводит на нет эффективностьвсей гибридной установки!
Российскийгибридомобиль
Холдинг Яровитсовместно с Группой ОНЭКСИМ создает компанию по разработке и выпуску легковыхгибридомобилей – финансирование проекта в обмен на 51% акций обеспечит компанияМихаила Прохорова. Компаньоны уверяют, что за 150 миллионов евро уже в июле2012 года будет запущен завод по выпуску серийных гибридомобилей! Правда,объемы производства невелики – всего 10 тысяч машин в год. Гибридомобиль,снаряженной массой всего 700 кг и розничной ценой 300–450 тысяч рублей, будет способенс комфортом перемещать в пространстве четверых седоков при среднем расходетоплива не более 3,5 л/100 км. В основе машины должна лежатьпространственная алюминиевая рама массой всего 110 кг, а навесные элементыкузова планируется сделать базальтоволоконными. Габаритная длина гибридомобиля –3,8 метра. Силовая установка будет выполнена по «последовательной» схеме, вкоторой двигатель внутреннего сгорания лишь приводит генератор и не связан сведущими колесами. Пока Яровит экспериментирует с зарубежным 48-сильнымбензиновым двигателем объемом 600 см³, но рассматриваются проектыроссийского роторно-поршневого мотора и даже малогабаритной газовой турбины,которую мог бы поставлять один из отечественных заводов авиакосмическогосектора. Вместо тяжелых аккумуляторных батарей – более легкий и компактный блоксуперконденсаторов: он быстро заряжается, при этом запас «конденсаторного» хода– не меньше пяти километров. Тягу обеспечивают два электромотора суммарноймощностью 50 кВт и массой 17 кг каждый, смонтированные непосредственно уведущих колес. Планируемый запас хода на одной заправке – 400 км: этопримерно 14 литров бензина при среднем расходе не более 3,5 л/100 км.Впрочем, инженеры Яровита делают ставку не на обычное жидкое топливо, а наприродный газ метан, причем не на сжатый, как на нынешних АГНКС (автомобильныхгазонаполнительных компрессорных станциях), а сжиженный, что влечет за собойнеобходимость применения криобака. Еще одна идеологическая особенность проекта – ограничениескорости на уровне 120 км/ч: городскому жителю быстрее разгоняться нетнадобности. Разработчики предпочитают говорить о «модульной транспортнойплатформе городского автомобиля» и хотят на основе разработанного шасси делатьи компактный кроссовер, и развозной грузовичок… Причем за счет модульнойархитектуры гибридомобили будут отличаться простотой сборки, которую могли бывести не только специализированные заводы, но и сами дилеры. авторы «городскогоавтомобиля» полны оптимизма и обещают уже к декабрю нынешнего года познакомитьжурналистов с ходовыми образцами, а в начале следующего начать строительствонебольшого завода «в чистом поле». По словам генерального директора группыОНЭКСИМ Дмитрия Разумова, совместный проект с Яровитом станетоперационно-окупаемым сразу после начала производства, а вернуть все затратыудастся уже через пять лет.
Заключение
Тратятсямиллионы долларов, десятки и сотни тысяч человек продолжают работу над новымибатареями, электромоторами, топливными элементами. Можно сказать, что именносейчас происходит рождение транспортных средств будущего. Всё большееколичество автопроизводителей обращают своё внимание на разработку и серийныйвыпуск транспортных средств с гибридными силовыми агрегатами. Заставляют их этоделать несколько факторов, среди которых – ужесточающиеся с каждым годомэкологические требования к выбросам вредных веществ, а также реальная угрозатого, что запасы нефти рано или поздно иссякнут.
С каждымгодом гибридные автомобили совершенствуются. По количеству вредных выбросов ипо экономичности они все больше приближаются к электромобилям, в то же время,по разгонной динамике, управляемости и ездовому комфорту ничем не отличаются отсвоих собратьев, потребляющих бензин или солярку. Главным минусом гибридов насегодняшний день, таким образом, является высокая стоимость производства.Конечная цена такого транспортного средства также будет выше. У разныхпроизводителей разница стоимости между версиями с ДВС и гибридом одной и той жемодели варьируется от 15 до 50 процентов. Тем не менее владельцев гибридныхавто становится всё больше и больше. Правительства большинства развитых иразвивающихся государств разрабатывают и принимают законы, стимулирующие какпроизводство, так и приобретение экологически чистого транспорта. Например, вАмерике применяют «нематериальные методы стимулирования» экосознания владельцевмашин: у некоторых офисных зданий парковки разделены на зоны. Места поближе квходу – для электромобилей и гибридов, а подальше – для обычных автомобилей.Разве самолюбие позволит боссу топать с дальнего паркинга, когда приезжающие на«Приусах» подчиненные встают прямо у дверей?
Дляпоршневого ДВС включен обратный отсчет, и, скорее всего, немощные и тихоходныесегодняшние электромобили означают для миллионов наших любимых пожирателей бензинаи солярки то же, что значили маленькие теплокровные крысы для несметного числадинозавров, когда-то населявших Землю.