Гибридные автомобили

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ГИБРИДНЫЕ АВТОМОБИЛИ. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

1.1 Общие сведенья о гибридных автомобилях

Гибридный автомобиль - автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии. Современные автопроизводители часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя, что позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, повышая топливную эффективность силовой установки. Другой распространённый вид гибридов -- автомобили, в которых ДВС совмещён с двигателями, работающими на сжатом воздухе.

Гибридные типовые схемы делятся:

1 по методу подключения двигателей и накопителя к приводу:

- последовательная: по сути является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель -- только с колёсами. Пример: Chevrolet Volt;

- параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность как их работы по отдельности, так и совместно. Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью;

- последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами. Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive(Toyota), например, Toyota Prius.

2 по типам накопителей:

а) электрические:

- на основе электрохимических аккумуляторов;

- на основе инерционных накопителей;

б) механические:

- на основе пневматических аккумуляторов, гидроаккумуляторов с пневматическим накопителем;

- на основе инерционных накопителей.

В качестве промежуточного накопителя, помимо аккумуляторных батарей, также могут использоваться батареи конденсаторов и ионисторы (суперконденсаторы). В случае применения накопителя энергии значительной ёмкости гибридный автомобиль имеет возможность двигаться без включения двигателя внутреннего сгорания -- в «режиме электромобиля» (Chevrolet Volt). В случае, если зарядка накопителя может производиться не только от основного двигателя, но и от электрической сети, говорят о «подключаемом гибриде».

Главное преимущество гибридного автомобиля -- снижение расхода топлива и вредных выхлопов, что достигается полной автоматизацией управления работой двигателей с помощью бортового компьютера -- начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью немедленного возобновления движения без его запуска, исключительно на запасённой в накопителе энергии, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации -- использование кинетической энергии движущегося автомобиля при торможении для зарядки накопителя при работе электродвигателя в режиме электрогенератора. Как и в случае с электромеханической трансмиссией, двигатель внутреннего сгорания, как правило, работает на оптимальных режимах. Основные компоненты гибридного автомобиля приведем на примере автомобиля Toyota Prius (рисунок 1).

Рисунок 1 - Основные компоненты гибридного автомобиля Toyota Prius

гибридный автомобиль силовой привод

Основные принципы работы гибридной силовой установки. В момент начала движения автомобиля, и при езде на небольшой скорости работают электромоторы. Далее, в процессе прибавления скорости, при обычном режиме движения работают совместно и двигатель внутреннего сгорания, и электромоторы.

Для достижения оптимальных характеристик осуществляется распределение мощности двигателя между колесами, и, приводящим в движение электромотор, электрогенератором, который подзаряжает батарею. При разгоне мощность двигателя дополняется мощностью энергии батареи.

В процессе торможения электромоторы выполняют роль генераторов, преобразующих накапливающуюся в батарее кинетическую энергию в электрическую. При остановке двигатель автоматически выключается, обеспечивая экономичность автомобиля. А в начале движения задействованы только электромоторы.

1.2 Преимущества и недостатки гибридных автомобилей

Рассмотрим преимущества гибридных автомобилей.

1 Экономная эксплуатация. Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность, по возможности не жертвуя при этом остальными эксплуатационными характеристиками - скоростью, приёмистостью, пробегом на одной заправке и т. д. Экономия была достигнута, в том числе:

- использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма;

- работой двигателя в оптимальном режиме;

- его полной остановкой вместо работы на холостом ходу;

- применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок).

Постоянный контроль за работой всех систем гибридного автомобиля на их оптимальных режимах представляет собой весьма сложную задачу, решение которой не представлялось возможным до появления бортовых компьютеров.

2 Экологическая чистота. Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной стороны, снижением расхода углеводородного топлива; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля - в частности, в пробках. С другой стороны, применение батарей меньшей, чем в электромобилях, ёмкости - и, соответственно, размеров, - снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.

3 Улучшенные ходовые характеристики. Двигатели для обычных автомобилей подбираются из расчёта пиковых нагрузок, в результате чего их полная мощность используется сравнительно редко, и является избыточной для значительной части времени их эксплуатации. В гибридных автомобилях в этом нет необходимости - в случае, когда тяговая нагрузка увеличивается, к энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания мощности добавляется энергия, запасённая в батареях, - поэтому на них устанавливают двигатели меньшей мощности, которые при этом работают в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое перераспределение мощностей в некоторых моделях гибридных автомобилей осуществляется непосредственно в электрической передаче, а в других - в трансмиссии с прямой передачей крутящего момента («гибридно-совместный привод»).

4 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.

5 Сохранение и повторное использование энергии. Устранён один из главных недостатков 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.

6 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 в 2010 году начала 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.

А теперь перечислим недостатки гибридных автомобилей.

1 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.

2 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).

3 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.

4 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.

5 Опасность для пешеходов. Согласно исследованию американского Института по оценке ущерба на дорогах, гибриды представляют повышенную опасность для пешеходов по сравнению с традиционными автомобилями из - за своей бесшумности при движении на электрической тяге. В частности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше. Для предотвращения подобных случаев гибридные автомобили могут оснащаться генератором звукового сигнала, при движении на небольших скоростях предупреждающим пешеходов о приближении автомобиля. Такими генераторами с 2010 года оснащаются гибриды Toyota Prius, но законодательные требования по наличию звукового генератора у гибридных и электрических машин в настоящее время существуют только в Японии. В конце 2011 президентом США было дано указание Национальной администрации безопасности дорожного движения в трёхлетний срок разработать аналогичные законодательные инициативы.

6 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 внедорожниками и спортивными моделями.

7 Гибриды с возможностью подключения к электросети. Такой автомобиль 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.

Исходя из вышеперечисленного, можно сделать выводы о том, что применение гибридных автомобилей эффективно на городских режимах движения, например, в пробках, когда и экономичность и экологичность двигателя просто отвратительны. Расход топлива при этом уменьшается до 4 - х раз, а токсичность выхлопных газов - в десятки раз. На интенсивном городском режиме движения, похожем на режим движения городского автобуса, расход топлива снижается в 2 - 2,5 раза.

При оптимизации длительности светофорных циклов автомобили будут меньше стоять в пробках, снизятся задержки ТС, следовательно и расход топлива уменьшиться, так же уменьшится количество вредных выбросов в окружающую среду. [15]

Размещено на Allbest.ru