расчеты курсовой работы. гибридные автомобили. Как работает гибридный автомобиль принцип, особенности, расход топлива (rolf ru)
 Скачать 7.65 Mb.
|
1 2 1. МикрогибридыMicro hybrids — базовая ступень классификации. В таких автомобилях электричество ещё не помогает традиционному двигателю, а, скорее, не мешает тому работать. Впрочем, несмотря на скромные возможности, маркетологи не стесняются присваивать таким системам звучные имена (например, в BMW она называется EfficientDynamics). Ключевой компонент подобной силовой установки — «умный» генератор. Он отключается на разгонах, минимизируя нагрузку на ДВС, а нужную другим агрегатам машины электроэнергию старается вырабатывать только при замедлении хода. Система простая, и ей легко оснастить любой современный автомобиль, ведь микроконтроллер «умного» заряда может устанавливаться прямо на клемму аккумулятора. И уж совсем формально к микрогибридным технологиям причисляют систему Start-Stop, которая автоматически глушит двигатель при остановках автомобиля, дополнительно снижая расход топлива и выбросы в атмосферу.   1/2 Первыми «умный генератор» внедрили в BMW Плюсы: простота, низкая цена, не увеличивает массу автомобиля Минусы: минимальная эффективность, для системы Start-Stop нужны более сложные и дорогие стартер и АКБ Заявленная экономия топлива: 2–5% Где встречается: Mini Cooper, BMW 1 серии, Mazda6 2. «Мягкие» гибридыСледующий уровень гибридности – Mild hybrids (MHEV). В них электромотор уже реально помогает ДВС, улучшая динамику автомобиля. Но двигаться только на электротяге такая машина ещё не может.   1/2 Первый серийный Mild Hybrid — Honda Insight 1999 года. Электромотор — между бензиновым мотором и КПП, батарея – в багажнике. Такая большая, что в автомобиле осталось всего два места Основа «мягкого» гибрида — электромотор двойного действия, соединённый с бензиновым двигателем. При торможении он вырабатывает электроэнергию, а на разгоне, наоборот, тратит её, увеличивая крутящий момент на коленвалу ДВС. Обычно этот электромотор называют стартер-генератором — он с успехом заменяет оба эти узла. Попутно с его помощью реализуется более продвинутая система Start-Stop, когда бензиновый двигатель глушится ещё до полной остановки автомобиля.  Приборы гибридов часто делают футуристичными, подчёркивая их статус «автомобилей будущего» Вариантов компоновки стартер-генератора два. Либо его устанавливают вместо обычного генератора, только с более мощным приводным ремнём и двумя натяжными роликами, либо заменяют электродвигателем маховик. Кроме того, «мягкому» гибриду уже нужна дополнительная батарея небольшой ёмкости, способная накапливать электроэнергию, вырабатываемую при торможениях. Использовать эту энергию можно и не напрямую. Например, в мощных Audi 48-вольтовая батарея питает электрический нагнетатель воздуха, увеличивающий отдачу дизеля.   1/3 Новый Evoque – мягкий гибрид, электричество дает ему до 140 Нм тяги и экономит до 6% топлива Плюсы: прибавка динамики, лёгкость внедрения, относительная дешевизна Минусы: неоптимальная конструкция — большая часть энергии тратится на вращение ДВС Заявленная экономия топлива: 5–10% Где встречается: Range Rover Evoque, Audi A6, A7, A8, Ferrari LaFerrari 3. «Полные» гибридыЛогично было сделать следующий шаг — и дать возможность электромотору самому приводить машину в движение. Автомобиль, способный проехать хотя бы небольшую дистанцию только на электричестве, относят к классу Full hybrids (FHEV). Маленькая дистанция для автомобиля — большие хлопоты для инженеров. Полноценные гибриды намного сложнее по конструкции, чем «умеренные». Электромотор тут соединён с ДВС не постоянно: между ними приходится устанавливать сцепление или муфту. Они дают гибриду возможность двигаться с заглушенным двигателем и эффективнее накапливать электроэнергию при торможениях.  Даже у Porsche Cayenne есть полноценная гибридная версия с запасом хода около 50 километров. Для езды на электричестве нужна более ёмкая батарея — причём высоковольтная. Ей, в свою очередь, требуются мощные инвертер, контроллер, преобразователь напряжения (для питания остальной электроники), а то и собственная система охлаждения. Наконец, приходится переводить на электропитание «периферию», необходимую машине во время движения, — компрессор кондиционера, усилитель руля и тормозов, кондиционер... В итоге FHEV-версия автомобиля оказывается заметно тяжелее и дороже обычной, работающей только на бензине или солярке. Но и экономия топлива уже получается солидной. А в сравнении с «мягкими» гибридами здесь электромотор даёт и более заметную прибавку к динамике — конечно, если на маршруте достаточно торможений, чтобы зарядить большую батарею…   1/2 Full Hybrids сегодня — самый развитый, но стремительно вымирающий вид... Плюсы: выше эффективность и/или прибавка в динамике Минусы: большой вес, сложность конструкции, дороговизна Заявленная экономия топлива: 15–25% Где встречается: Infiniti Q50 Hybrid, Porsche Cayenne S Hybrid, Range Rover Hybrid 4. Электрополноприводные гибридыЕщё один вариант FHEV-гибрида, в котором ДВС и электромотор приводят каждый свою ось. Например, обычный 4-цилиндровый дизель с «роботом» вращает передние колёса, а электрический двигатель с собственным редуктором — задние. Такая схема позволяет взять недорогую версию любого автомобиля и относительно малой кровью превратить её не только в гибридную, но и в полноприводную! Доработки ДВС почти не требуются, а заднюю часть гибрида в любом случае приходится модифицировать для размещения батареи.   1/2 Гибрид стал единственной полноприводной версией Peugeot 3008. Но на электротяге он мог проехать совсем немного Плюсы: относительная простота конструкции, полный привод, меньшая цена Минусы: ниже эффективность, уменьшается багажник, вес ещё больше Заявленная экономия топлива: до 20% Где встречается: Peugeot 3008 Hybrid4, Mazda Demio e-4WD 5. Последовательные гибридыБольшинство гибридов относятся к параллельным – когда ДВС и электромотор могут толкать автомобиль вместе или по одиночке. Но существуют и последовательные гибриды. Точнее, существовали: среди легковых автомобилей такие агрегаты широкого распространения не получили.  Это Lohner-Porsche – первый в мире гибрид, созданный в 1901 году. Фердинанд Порше использовал последовательную схему: у машины были мотор-колёса и ДВС, вращавший генератор В них ДВС не соединён ни с одной из осей, а только с генератором, вырабатывающим электроэнергию. Электричество использует тяговый электромотор (или электромоторы), вращающий колёса. В системе также есть батарея, которая накапливает энергию при рекуперативном торможении и повышает отдачу силовой установки при пиковых нагрузках. В теории экономия топлива при такой схеме может быть выше, чем при параллельной. Во-первых, нет тяжёлой трансмиссии, на вращение которой тратится энергия. Во-вторых, ДВС работает с постоянными оборотами в самом оптимальном режиме. Но на практике последовательные гибриды оказались неудобными в эксплуатации из-за особенностей характера электродвигателей. С ростом оборотов у них быстро падает тяга, и автомобилю трудно развить высокую скорость. Поэтому инженерам приходится ставить мощный электромотор и ёмкую батарею… которую проще заряжать от розетки, чем маленьким генератором на борту.   1/2 Яркий, но быстро сошедший со сцены последовательный гибрид — Fisker Karma. В нём в качестве мотора-генератора использовался четырёхцилиндровый двигатель Chevrolet/Opel Плюсы: относительно малый вес, простота силовой установки Минусы: неоптимальные ездовые характеристики, цена Заявленная экономия топлива: н/д Где встречается: Fisker Karma, BMW i3 REX 6. Последовательно-параллельные гибридыВ девяностые компания Toyota придумала оригинальный силовой агрегат, объединяющий в себе последовательную и параллельную схемы. Он стал основой революционного хэтчбека Toyota Prius — первого в мире серийного гибрида. Силовая установка Приуса состояла из бензиновой «четвёрки» и сразу двух электромоторов, а также планетарного редуктора, соединяющего их между собой.  Сегодня Toyota Prius выпускается в версиях обычного и подзаряжаемого гибрида. Есть и версия поменьше (Prius C), и побольше — компактвэн (Prius V) В этой схеме удалось совместить сразу все сценарии: эффективно накапливать электроэнергию при рекуперативном торможении, ехать только на бензине или только на электричестве, задействовать оба источника энергии вместе и даже заряжать батарею от ДВС, когда автомобиль неподвижен. Более того, такому гибриду не нужна коробка передач: «планетарка» с электромоторами выполняют роль бесступенчатой трансмиссии. Сегодня выпускается уже четвёртое поколение гибридного силового агрегата. Под фирменным названием Hybrid Synergy Drive (HSD) его устанавливают не только в Prius, но и в остальные гибриды Toyota и Lexus. Возможно, идея HSD получила бы ещё более широкое распространение, но она защищена патентами Тойоты (которая и сама была вынуждена судиться из-за конструкции оригинальной трансмиссии). Чтобы обойти их, концернам GM, Daimler и BMW, объединившимся в рамках проекта Global Hybrid Cooperation, пришлось сделать намного более сложную схему с двумя электромоторами и аж четырьмя пакетами фрикционов.   1/3 Бесступенчатая трансмиссия Приуса проста по конструкции, а кроме того, позволила перевести ДВС на более экономичный цикл Миллера Плюсы: высокая эффективность, простота конструкции, небольшой вес Минусы: сложная управляющая электроника, цена Заявленная экономия топлива: до 40% Где встречается: Toyota Prius, Lexus RX 450h, BMW X6 ActiveHybrid, Mercedes ML 450 Hybrid 7. Подзаряжаемые гибридыКаким бы совершенным ни был гибрид, его эффективность ограничивают дорожные условия. При равномерном движении электрическая начинка становится балластом — ведь пополнить запасы электричества гибрид может только на торможении (зарядка аккумуляторов от ДВС не в счёт — там сэкономить топливо не получится).  Но если зарядить батарею заранее — пока автомобиль стоит на парковке, от внешней розетки… Так и возникла высшая категория автомобилей с комбинированными силовыми агрегатами – Plug-in hybrids (PHEV). В этом классе появляется всё больше моделей, и скоро они, вероятно, окончательно вытеснят остальные гибриды без разъёма для подзарядки. Силовые установки PHEV-версий такие же, как у обычных полных гибридов, однако ёмкость батарей намного выше. При вполне приемлемой массе (и цене) сегодняшние аккумуляторы позволяют проехать на электротяге несколько десятков километров – этого должно хватить, чтобы по дороге на работу и обратно вообще не тратить бензин!   1/4 Довольно быстро на подзаряжаемые гибриды перешли Porsche (Panamera S E Hybrid)… Плюсы: максимальная экономия топлива и экологичность Минусы: цена, большой вес, зависимость от инфраструктуры Заявленная экономия топлива: до 70% Где встречается: Volkswagen Golf GTE, Range Rover P400e, Chevrolet Volt, Mitsubishi Outlander PHEV Что дальше?Дальше — полный отказ от ДВС. Скорее всего, так и произойдёт в обозримом будущем: по мере развития технологий (прежде всего в части аккумуляторов) все автомобили рано или поздно станут электрическими. Но сегодня электромобили ещё дороги, имеют ограниченный запас хода и слишком долго заряжаются. Хотя отказываться от традиционных силовых агрегатов приходится уже сейчас – под натиском «зелёных». Некоторые страны объявили о грядущих запретах ДВС и, скорее всего, их число будет только расти.  В гонках на выносливость экономия топлива не менее важна, чем мощность. Тут гибриды безусловно эффективны, но при сбоях электрических компонентов автомобиль обречён на поражение Например, в 2020 году в Евросоюзе вступает в действие Директива 443/2009, которая требует, чтобы средние выбросы CO2 новых моделей у автопроизводителя были не выше 95 г/км на 1370 кг приведённой массы. За каждый лишний грамм с каждого проданного автомобиля придётся заплатить штраф. Эти требования примерно соответствуют комбинированному расходу в 4,1 л/100 км бензина или 3,6 л/100 км дизеля. Уложиться в них реально только с помощью батарей и электромоторов, причём даже современный полный гибрид делает это с трудом. А через несколько лет порог разрешённых выбросов планируют опустить ещё ниже! Так что машин, подключенных к розетке, будет становиться на парковках всё больше. Хватит ли только на всех электричества? 1 2 |