29 февраля 2012
Как устроен гибридный автомобиль?
Вас, наверное, каждый раз поражает повышение цен на бензин. Заправляя бак, Вы, возможно, подумываете перейти на более экономичный автомобиль. Или, может быть, Вас беспокоит выброс выхлопов с парниковыми газами в атмосферу.
Автомобильная промышленность разработала технологию, которая поможет справиться с этими проблемами. Это гибридный автомобиль. На рынке представлено множество моделей гибридов, и большинство производителей уже заявили о намерении начать выпускать собственные варианты.
Как же устроен гибридный автомобиль? Что же такого находится под капотом, что делает гибрид экономичнее обычного автомобиля? И правда ли это, что при меньшем расходе у него меньше вредных выхлопов? В этой статье мы поможем Вам разобраться в том, как устроена эта технология, а также дадим Вам несколько советов по вождению гибрида для максимальной экономичности.
Многие люди пользовались каким-либо гибридом. Например, мопед (велосипед с мотором) является гибридным транспортным средством, т.к. бензиновый двигатель можно отключить и крутить педали. На самом деле, гибридные транспортные средства повсюду. Большинство локомотивов в поездах являются дизель-электрическими гибридами. В некоторых городах, например, Сиэтле, используются дизель-электрические автобусы, которые могут использовать электричество от проводов, а если над ними нет проводов, то могут ехать на дизельном топливе. Огромные горнодобывающие грузовики также зачастую являются дизель-электрическими гибридами. Подводные лодки тоже гибриды - некоторые ядерно-электрические, а некоторые дизель-электрические. Любое транспортное средство, в котором используется два и более источников энергии, которая непосредственно или косвенно обеспечивает тяговую мощность, является гибридом. Большинство существующих гибридных автомобилей являются бензин-электрическими, хотя французский производитель PSA Peugeot Citroen разрабатывает два дизель-электрических гибрида. Бензиновые гибриды стали очень популярными, поэтому в этой статье мы расскажем о них поподробнее.
Бензин и электричество
Бензин-электрические гибридные автомобили являются нечто средним между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем. Давайте рассмотрим несколько примеров для того, чтобы понять разницу между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем.
В автомобиле с бензиновым двигателем установлен топливный бак, из которого бензин поступает в двигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.
В электромобиле имеется комплект батарей, которые осуществляют подачу питания на электродвигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.
Гибрид объединяет эти два подхода. Он рассчитан на снижение расхода топлива и вредных выхлопов бензинового двигателя, устраняя при этом недостатки электродвигателя.
Такой автомобиль должен соответствовать минимальным требованиям.
· Пробег между дозаправками должен быть не менее 300 миля (482 км)
· Заправка должна быть быстрой и несложной
· Соответствовать скорости движения потока
Автомобили с бензиновым двигателем соответствуют данным требованиям, однако загрязняют атмосферу и имеют очень высокий расход. Электромобили, в свою очередь, практически не загрязняют окружающую среду, однако полного заряда батарей хватает только на 50-100 миль (80-161 км). Проблема также заключается в том, что электромобили медленно, и их неудобно подзаряжать.
Бензин-электрический автомобиль объединяет оба типа в одну систему, которая использует как бензин, так и электричество.
Устройство бензин-электрического гибрида
Бензин-электрические гибриды включают следующие элементы:
· Бензиновый двигатель - В гибридном автомобиле используется практически такой же бензиновый двигатель, как и в обычном. Однако двигатель гибрида меньше и в нем используются улучшенные технологии снижения выхлопа и расхода топлива.
· Топливный бак - Топливный бак гибридного автомобиля является аккумулятором энергии для бензинового двигателя. Энергетическая плотность бензина значительно выше, чем у аккумулятора. Например, для хранения энергии 1 л бензина (750 г) требуется 453 кг аккумуляторных батарей.
· Электродвигатель - В гибридных автомобилях используются современные и сложные электродвигатели. Современная электроника позволяет использовать двигатель также в качестве генератора. Например, при необходимости, происходит потребление энергии аккумулятора для разгона автомобиля. Но также, работая в качестве генератора, электродвигатель может понизить скорость автомобиля и заряжать аккумулятор.
· Генератор - Принцип действия генератора схож с электродвигателем, однако генератор работает только на выработку электроэнергии. В основном, он используется в последовательных гибридах.
· Аккумуляторы - Аккумуляторы в гибридных автомобилях являются накопителем энергии для электродвигателя. В отличие от бензина в топливном баке, который может питать только бензиновый двигатель, электродвигатель может не только потреблять энергию, но и заряжать аккумуляторы.
· Трансмиссия - Трансмиссия гибридного автомобиля выполняет те же функции, что и трансмиссия обычного автомобиля. В некоторых гибридных автомобилях, например, Honda Insight, установлены обычные трансмиссии. В других же, например, Toyota Prius, установлены совершенно другие.
Существуют различные комбинации источников энергии в гибридном автомобиле. Например, в т.н. параллельном гибриде используется топливный бак, питающий бензиновый двигатель и комплект аккумуляторов, питающих электродвигатель. Оба двигателя могут вращать трансмиссию одновременно, а трансмиссия, в свою очередь, вращает колеса.
В последовательном гибриде бензиновый двигатель вращает генератор, а генератор либо заряжает аккумуляторы, либо питает электродвигатель, вращающий трансмиссию. Таким образом, в данном типе гибрида, бензиновый двигатель не принимает непосредственного участия во вращении колес.
Конструкция гибридного автомобиля предусматривает использование двух источников энергии для повышения экономичности и производительности. В следующем разделе статьи мы расскажем о производительности гибридного автомобиля.
К.п.д. гибридного автомобиля
Ключевой особенностью гибридных автомобилей является то, что в них используются гораздо меньшие бензиновые двигатели, чем в обычных автомобилях, но при этом они более производительные. Во многих автомобилях используются довольно большие двигатели для обеспечения достаточной мощности при разгоне. Однако в небольшом двигателе к.п.д. можно увеличить за счет использования меньших, облегченных деталей, сокращения количества цилиндров и работы двигателя с практически максимальной нагрузкой.
Существует несколько причин, почему у небольших двигателей к.п.д. выше, чем у больших:
· Большие двигатели тяжелее небольших, поэтому автомобиль затрачивает дополнительную энергию при разгоне и подъеме.
· Поршни и другие детали значительно тяжелее, что требует затраты дополнительной энергии при их движении в цилиндре.
· Рабочий объем цилиндров больше, следовательно, для каждого цилиндра требуется больше топлива.
· В больших двигателях обычно установлено больше цилиндров, и в каждом цилиндре сгорает топливо при запуске двигателя, даже если автомобиль стоит на месте.
Это объясняет, почему у двух автомобилей одной модели с разным объемом двигателя разный расход. При движении обоих автомобилей по шоссе с одинаковой скоростью, меньше энергии затрачивает тот, у которого меньше объем двигателя. Обоим двигателям необходимо одинаковое количество мощности для движения автомобиля, но меньший двигатель затрачивает меньше мощности на преодоление собственной массы. Но как двигатель меньшего объема может производить столько же мощности, сколько и более мощные автомобили?
Давайте сравним Chevrolet Camaro с большим 8-цилиндровым двигателем и гибридный автомобиль с небольшим бензиновым и электрическим двигателем. Двигатель Camaro более мощный, чем требуется при езде в общем потоке. Двигатель гибрида обладает достаточной мощностью для движения автомобиля по шоссе, но если нужно увеличить скорость, то ему требуется дополнительная помощь. Эту помощь оказывают электродвигатель и аккумулятор, которые обеспечивают дополнительную мощность.
Объем двигателя обычного автомобиля рассчитан на использование максимальной мощности (например, когда Вы полностью выжимаете педаль газа). На самом же деле, большинство водителей используют максимальную мощность автомобиля реже 1% всего времени. В гибридах используется меньший двигатель, который рассчитан на среднее потребление мощности, а не на максимальные нагрузки.
Снижение расхода топлива
Помимо небольшого, но более производительного двигателя, в современных гибридах используются и другие способы понижения расхода топлива. Некоторые из этих способов могут снизить расход для любого автомобиля, а некоторые подходят только для гибридов. Для максимальной экономии топлива гибридный автомобиль:
Восстанавливает энергию и хранит ее в аккумуляторе - Каждый раз, когда Вы нажимаете на педаль тормоза, автомобиль расходует энергию. Чем быстрее движется автомобиль, тем большей кинетической энергией он обладает. При торможении автомобиль расходует энергию, переводя ее в тепло. Гибридный автомобиль может использовать часть этой энергии и накапливать в аккумуляторе для дальнейшего использования. Это происходит за счет рекуперативного торможения. В этом случае вместо простого торможения, электродвигатель также замедляет движение автомобиля. При этом электродвигатель работает в качестве генератора и заряжает аккумуляторы при торможении автомобиля.
Иногда отключает двигатель - Гибридному автомобилю не всегда требуется использовать бензиновый двигатель, т.к. он может использовать другой источник энергии - электродвигатель и аккумуляторы. Таким образом, гибридный автомобиль может иногда отключать бензиновый двигатель, например, при остановке на светофоре.
Улучшенная аэродинамика для снижения сопротивления - Когда Вы едете по шоссе, большая часть мощности двигателя уходит на преодоление сопротивления воздуха. Эта сила также называется аэродинамическое сопротивление. Сопротивление может быть снижено различными способами. Например, можно уменьшить площадь лобовой поверхности автомобиля. При этом большому внедорожнику приходится оказывать сопротивление большей площади, чем компактному спортивному автомобилю.
Использование шин с низким сопротивлению качению - Большинство автомобильных шин предназначены для обеспечения спокойной езды без шума и хорошего сцепления с дорогой в любую погоду. Но они редко рассчитаны на снижение расхода. В действительности же, именно шины вызывают наибольшее сопротивление при езде. В гибридных автомобилях используются специальные более жесткие шины, которые накачены под более высоким давлением, чем обычные. В результате, они снижают сопротивление качению вдвое.
Использование более легких материалов - Снижение общей массы автомобиля помогает уменьшить расход топлива. Легкие автомобили расходуют меньше энергии при разгоне или движении в гору. Для снижения массы могут быть использованы такие композитные материалы, как углепластик или легкие металлы, например, алюминий или магний.
Во всех современных гибридных автомобилях применяются вышеописанные способы снижения расхода. Далее мы подробнее расскажем о Honda Insight и Toyota Prius.
Несмотря на то, что оба автомобиля являются параллельными гибридами, у них есть свои отличия. У Honda Insight и Toyota Prius установлены бензиновые двигатели, электродвигатели и аккумуляторы, но на этом, пожалуй, все сходства заканчиваются. Давайте начнем с Honda Insight.
Honda Insight
Honda Insight была представлена в США в 2000 г. Автомобиль был сконструирован специально для максимального снижения расхода топлива. Несмотря на то, что Honda больше не выпускает Insight, этот автомобиль остается хорошим примером гибрида.
Honda сделала все возможное для максимального снижения расхода. Insight - это небольшой, легкий двухместный автомобиль с маленьким, но мощным бензиновым двигателем. Согласно Управлению по охране окружающей среды США, у Insight самые высокие показатели топливной экономичности из всех гибридов, представленных на рынке.
Honda Insight представляет собой упрощенный параллельный гибрид. Электродвигатель сопрягается с бензиновым двигателем там, где обычно располагается маховик. Honda назвала данную разработку "комбинированный электроусилитель двигателя". В Insight устанавливается либо обычная 5-ступенчатая механическая трансмиссия, либо автоматическая бесступенчатая трансмиссия CVT (вариатор).
Электродвигатель Insight обеспечивает экономию топлива:
· Содействует работе бензинового двигателя, обеспечивая дополнительную мощность при разгоне и движении в гору
· Обеспечивает рекуперативное торможение для накопления энергии, выделяемой при торможении
· Запускает двигатель, заменяя стартер
Однако электродвигатель не может приводить машину в движение самостоятельно, для этого необходимо, чтобы работал бензиновый двигатель.
Honda использовала все вышеперечисленные способы снижения расхода топлива. Но в Insight производитель опирался на три основных момента:
· Снижение массы - Несмотря на то, что автомобиль и так небольшой, кузов изготовлен из алюминия для дополнительного снижения массы. Благодаря сниженной массе, стало возможным использование небольшого двигателя, к.п.д. которого соответствует обычным автомобилям. Insight весит менее 1.900 фунтов (862 кг), что на 500 фунтов (227 кг) меньше, чем масса самого легкого автомобиля компании Honda Civic.
· Использование небольшого, но производительного двигателя - Масса двигателя Insight объемом 1.0 л составляет всего 124 фунта (56 кг), а его мощность 67 л.с. при 5.700 об/мин. В двигателе используется система Honda VTEC (электронная система газораспределения с автоматически изменяемыми фазами клапанов), а также технология, основанная на использовании бедной смеси. Расход топлива Insight составляет 3,9 л/100 км по городу и 3,5 л/100 км по шоссе. Помимо этого, благодаря дополнительной мощности электродвигателя, автомобиль может разгоняться от 0 до 100 км/ч за 13 секунд.
При работающем электродвигателе, мощность Insight составляет 73 л.с. при 5.700 об/мин. Если сравнить с показателями только бензинового двигателя, то получается, что электродвигатель увеличивает мощность всего на 6 л.с. Но максимальных показателей электродвигатель достигает на низких оборотах бензинового двигателя. Мощность электродвигателя Insight составляет 10 кВт (около 13 л.с.) при 3.000 об/мин.
· It's the peak torque numbers that really tell the story. Без электродвигателя, крутящий момент Insight составляет 89,5 Н*м при 4.800 об/мин. С электродвигателем, крутящий момент Insight составляет 107 Н*м при 1.500 об/мин. Таким образом, электродвигатель увеличивает крутящий момент на низких оборотах, когда не справляется бензиновый двигатель. Такое решение позволяет Honda Insight иметь маленький двигатель с показателями большого.
· Улучшенная аэродинамика - Honda Insight имеет классический дизайн, автомобиль выполнен в форме капли: задняя часть автомобиля уже передней. Задние колеса частично закрыты кузовом для придания более обтекаемой формы, а днище закрыто пластиковыми панелями. Благодаря этому, коэффициент волочения составляет всего 0,25, что делает Honda Insight одним из самых аэродинамичных автомобилей на рынке.
Садясь за руль, Вы понимаете, что Insight не очень сильно отличается от обычных автомобилей. При разгоне бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. При быстром разгоне, подключается электродвигатель для увеличения мощности.
При езде по шоссе, бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. Когда Вы нажимаете на тормоз или отпускаете педаль газа, электродвигатель включается для накопления энергии и подзарядку аккумуляторов. Вам не нужно подключать Insight к розетке, электродвигатель генерирует энергию, необходимую для заряда аккумуляторов.
Следует отметить, что в Insight механическая трансмиссия отделена от бензинового и электрического двигателей муфтой сцепления. Это значит, что если Вы из тех водителей, которые любят выжимать сцепление или переключать на нейтральную передачу при замедлении хода, рекуперативное торможение происходить не будет. Для накопления энергии автомобиль должен быть на передаче.
Теперь мы предлагаем ознакомиться с Toyota Prius. Prius значительно отличается от Insight.
Toyota Prius
Toyota Prius была представлена в Японии в конце 1997 г. и сконструирована для снижения вредных выбросов в городах. Для выполнения поставленной задачи Toyota создала силовой агрегат для параллельных гибридов, который получил название Toyota Hybrid System (THS). Новая конструкция обладала некоторыми преимуществами последовательного гибрида. Prius соответствует стандарту Калифорнии SULEV (автомобиль с максимально низким выбросом вредных веществ). Автомобиль представляет собой четырехдверный седан, силовой блок обеспечивает скорость выше 15 миль/ч (24 км/ч) только за счет электродвигателя. Это способствует снижению расхода при езде по городу, но не по шоссе. Prius получил награду Лучший автомобиль Северной Америки 2004.
В отличие от Honda, Toyota сосредоточила свое внимание на силовом блоке для достижения поставленных целей по снижению выбросов и расхода. Prius весит 2.900 фунтов (1.315 кг), при этом размер салона и багажника такие же, как у Toyota Corolla.
В Prius используются два основных способа увеличения к.п.д. и снижения выбросов:
· Двигатель работает только в том диапазоне оборотов и нагрузок, который обеспечивает максимальную экономичность - Для снижения выхлопа, Prius разгоняется до 15 миль/ч (24 км/ч) за счет электродвигателя. Бензиновый двигатель подключается только при достижении определенного порога скорости. После этого бензиновый двигатель работает только в узком диапазоне частот.
· Трансмиссия с разветвлением потоков мощности - Бензиновый двигатель можно отрегулировать для более эффективной работы в определенном диапазоне оборотов и нагрузки. Трансмиссия с разветвлением потоков мощности в Prius позволяет двигателю работать в диапазоне оборотов и нагрузки, который обеспечивает максимальной экономии топлива.
Toyota разработала для Prius объемом 1,5 л для работы с максимальной скоростью всего 5000 об/мин, при этом его мощность составляет 76 л.с. Низкая максимальная скорость двигателя позволяет использовать более легкие компоненты, которые также снижают расход.
Мощность электродвигателя Prius составляет 67 л.с. при 1.200 - 1.540 об/мин. Крутящий момент при 0 - 1.200 об/мин составляет 400 Н*м, что более, чем достаточно для движения автомобиля без помощи бензинового двигателя.
Преимущества гибридного автомобиля
У Вас может возникнуть вопрос: зачем создавать такой сложный автомобиль, если большинство водителей устраивают их обычные машины? Ответ прост: для снижения выхлопа и расхода топлива. На самом деле, эти две задачи тесно связаны.
Давайте в качестве примера рассмотрим стандарт на содержание отработавших газов Калифорнии, в котором указаны нормы по составу выхлопа на территории Калифорнии. Содержание вредных веществ обычно указывается в граммах на километр (г/км). Например, для малотоксичных транспортных средств (LEV) стандарт допускает выброс 5,4 г/км моноксида углерода (угарного газа). Ключевым аспектом данного стандарта является то, что нормы не зависят от расхода топлива автомобиля. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс вредных веществ у него будет в два раза больше. Дополнительный выхлоп вредных веществ устраняется при помощи оборудования для контроля выбросов в атмосферу. Благодаря снижению расхода топлива можно снизить выброс.
Двуокись углерода(CO2) также содержится в выхлопе. Его содержание не контролируется правительством США, однако ученые считают, что данный газ способствует глобальному потеплению. Вследствие отсутствия контроля, в автомобилях не используются устройства для устранения СО2 из выхлопа. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс СО2 в атмосферу у него будет в два раза больше.
Производители автомобилей в США стремятся снизить расход топлива еще по другой причине. Согласно законодательству, их продукция должна соответствовать Закону о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией (CAFE). Согласно действующим стандартам, средний расход всех продаваемых новых автомобилей должен составлять 27,5 миль/галлон (8,55 л/100 км). Это значит, что если производитель продает 1 гибрид с расходом 60 миль/галлон (3,92 л/100 км), он также может продать 4 дорогих автомобиля класса люкс с расходом 20 миль/галлон (11,76 л/100 км).
Каждый должен знать способы снижения расхода топлива. На следующей странице мы расскажем, как сократить расход топлива Вашего гибрида (или обычного автомобиля).
Источник: https://auto.howstuffworks.com/hybrid-car.htm
Автомобильная промышленность разработала технологию, которая поможет справиться с этими проблемами. Это гибридный автомобиль. На рынке представлено множество моделей гибридов, и большинство производителей уже заявили о намерении начать выпускать собственные варианты.
Как же устроен гибридный автомобиль? Что же такого находится под капотом, что делает гибрид экономичнее обычного автомобиля? И правда ли это, что при меньшем расходе у него меньше вредных выхлопов? В этой статье мы поможем Вам разобраться в том, как устроена эта технология, а также дадим Вам несколько советов по вождению гибрида для максимальной экономичности.
Многие люди пользовались каким-либо гибридом. Например, мопед (велосипед с мотором) является гибридным транспортным средством, т.к. бензиновый двигатель можно отключить и крутить педали. На самом деле, гибридные транспортные средства повсюду. Большинство локомотивов в поездах являются дизель-электрическими гибридами. В некоторых городах, например, Сиэтле, используются дизель-электрические автобусы, которые могут использовать электричество от проводов, а если над ними нет проводов, то могут ехать на дизельном топливе. Огромные горнодобывающие грузовики также зачастую являются дизель-электрическими гибридами. Подводные лодки тоже гибриды - некоторые ядерно-электрические, а некоторые дизель-электрические. Любое транспортное средство, в котором используется два и более источников энергии, которая непосредственно или косвенно обеспечивает тяговую мощность, является гибридом. Большинство существующих гибридных автомобилей являются бензин-электрическими, хотя французский производитель PSA Peugeot Citroen разрабатывает два дизель-электрических гибрида. Бензиновые гибриды стали очень популярными, поэтому в этой статье мы расскажем о них поподробнее.
| Гибридные автомобили, такие как 2007 Honda Civic Hybrid, были разработаны для экономии топлива и уменьшения выхлопа. |
Бензин и электричество
Бензин-электрические гибридные автомобили являются нечто средним между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем. Давайте рассмотрим несколько примеров для того, чтобы понять разницу между автомобилем с бензиновым двигателем и электромобилем.
В автомобиле с бензиновым двигателем установлен топливный бак, из которого бензин поступает в двигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.
В электромобиле имеется комплект батарей, которые осуществляют подачу питания на электродвигатель. Двигатель вращает трансмиссию, которая вращает колеса.
Гибрид объединяет эти два подхода. Он рассчитан на снижение расхода топлива и вредных выхлопов бензинового двигателя, устраняя при этом недостатки электродвигателя.
Такой автомобиль должен соответствовать минимальным требованиям.
· Пробег между дозаправками должен быть не менее 300 миля (482 км)
· Заправка должна быть быстрой и несложной
· Соответствовать скорости движения потока
Автомобили с бензиновым двигателем соответствуют данным требованиям, однако загрязняют атмосферу и имеют очень высокий расход. Электромобили, в свою очередь, практически не загрязняют окружающую среду, однако полного заряда батарей хватает только на 50-100 миль (80-161 км). Проблема также заключается в том, что электромобили медленно, и их неудобно подзаряжать.
Бензин-электрический автомобиль объединяет оба типа в одну систему, которая использует как бензин, так и электричество.
Устройство бензин-электрического гибрида
Бензин-электрические гибриды включают следующие элементы:
· Бензиновый двигатель - В гибридном автомобиле используется практически такой же бензиновый двигатель, как и в обычном. Однако двигатель гибрида меньше и в нем используются улучшенные технологии снижения выхлопа и расхода топлива.
· Топливный бак - Топливный бак гибридного автомобиля является аккумулятором энергии для бензинового двигателя. Энергетическая плотность бензина значительно выше, чем у аккумулятора. Например, для хранения энергии 1 л бензина (750 г) требуется 453 кг аккумуляторных батарей.
· Электродвигатель - В гибридных автомобилях используются современные и сложные электродвигатели. Современная электроника позволяет использовать двигатель также в качестве генератора. Например, при необходимости, происходит потребление энергии аккумулятора для разгона автомобиля. Но также, работая в качестве генератора, электродвигатель может понизить скорость автомобиля и заряжать аккумулятор.
· Генератор - Принцип действия генератора схож с электродвигателем, однако генератор работает только на выработку электроэнергии. В основном, он используется в последовательных гибридах.
· Аккумуляторы - Аккумуляторы в гибридных автомобилях являются накопителем энергии для электродвигателя. В отличие от бензина в топливном баке, который может питать только бензиновый двигатель, электродвигатель может не только потреблять энергию, но и заряжать аккумуляторы.
· Трансмиссия - Трансмиссия гибридного автомобиля выполняет те же функции, что и трансмиссия обычного автомобиля. В некоторых гибридных автомобилях, например, Honda Insight, установлены обычные трансмиссии. В других же, например, Toyota Prius, установлены совершенно другие.
В последовательном гибриде бензиновый двигатель вращает генератор, а генератор либо заряжает аккумуляторы, либо питает электродвигатель, вращающий трансмиссию. Таким образом, в данном типе гибрида, бензиновый двигатель не принимает непосредственного участия во вращении колес.
Конструкция гибридного автомобиля предусматривает использование двух источников энергии для повышения экономичности и производительности. В следующем разделе статьи мы расскажем о производительности гибридного автомобиля.
К.п.д. гибридного автомобиля
Ключевой особенностью гибридных автомобилей является то, что в них используются гораздо меньшие бензиновые двигатели, чем в обычных автомобилях, но при этом они более производительные. Во многих автомобилях используются довольно большие двигатели для обеспечения достаточной мощности при разгоне. Однако в небольшом двигателе к.п.д. можно увеличить за счет использования меньших, облегченных деталей, сокращения количества цилиндров и работы двигателя с практически максимальной нагрузкой.
Существует несколько причин, почему у небольших двигателей к.п.д. выше, чем у больших:
· Большие двигатели тяжелее небольших, поэтому автомобиль затрачивает дополнительную энергию при разгоне и подъеме.
· Поршни и другие детали значительно тяжелее, что требует затраты дополнительной энергии при их движении в цилиндре.
· Рабочий объем цилиндров больше, следовательно, для каждого цилиндра требуется больше топлива.
· В больших двигателях обычно установлено больше цилиндров, и в каждом цилиндре сгорает топливо при запуске двигателя, даже если автомобиль стоит на месте.
Это объясняет, почему у двух автомобилей одной модели с разным объемом двигателя разный расход. При движении обоих автомобилей по шоссе с одинаковой скоростью, меньше энергии затрачивает тот, у которого меньше объем двигателя. Обоим двигателям необходимо одинаковое количество мощности для движения автомобиля, но меньший двигатель затрачивает меньше мощности на преодоление собственной массы. Но как двигатель меньшего объема может производить столько же мощности, сколько и более мощные автомобили?
Давайте сравним Chevrolet Camaro с большим 8-цилиндровым двигателем и гибридный автомобиль с небольшим бензиновым и электрическим двигателем. Двигатель Camaro более мощный, чем требуется при езде в общем потоке. Двигатель гибрида обладает достаточной мощностью для движения автомобиля по шоссе, но если нужно увеличить скорость, то ему требуется дополнительная помощь. Эту помощь оказывают электродвигатель и аккумулятор, которые обеспечивают дополнительную мощность.
Объем двигателя обычного автомобиля рассчитан на использование максимальной мощности (например, когда Вы полностью выжимаете педаль газа). На самом же деле, большинство водителей используют максимальную мощность автомобиля реже 1% всего времени. В гибридах используется меньший двигатель, который рассчитан на среднее потребление мощности, а не на максимальные нагрузки.
Снижение расхода топлива
Помимо небольшого, но более производительного двигателя, в современных гибридах используются и другие способы понижения расхода топлива. Некоторые из этих способов могут снизить расход для любого автомобиля, а некоторые подходят только для гибридов. Для максимальной экономии топлива гибридный автомобиль:
Восстанавливает энергию и хранит ее в аккумуляторе - Каждый раз, когда Вы нажимаете на педаль тормоза, автомобиль расходует энергию. Чем быстрее движется автомобиль, тем большей кинетической энергией он обладает. При торможении автомобиль расходует энергию, переводя ее в тепло. Гибридный автомобиль может использовать часть этой энергии и накапливать в аккумуляторе для дальнейшего использования. Это происходит за счет рекуперативного торможения. В этом случае вместо простого торможения, электродвигатель также замедляет движение автомобиля. При этом электродвигатель работает в качестве генератора и заряжает аккумуляторы при торможении автомобиля.
Иногда отключает двигатель - Гибридному автомобилю не всегда требуется использовать бензиновый двигатель, т.к. он может использовать другой источник энергии - электродвигатель и аккумуляторы. Таким образом, гибридный автомобиль может иногда отключать бензиновый двигатель, например, при остановке на светофоре.
Улучшенная аэродинамика для снижения сопротивления - Когда Вы едете по шоссе, большая часть мощности двигателя уходит на преодоление сопротивления воздуха. Эта сила также называется аэродинамическое сопротивление. Сопротивление может быть снижено различными способами. Например, можно уменьшить площадь лобовой поверхности автомобиля. При этом большому внедорожнику приходится оказывать сопротивление большей площади, чем компактному спортивному автомобилю.
Использование шин с низким сопротивлению качению - Большинство автомобильных шин предназначены для обеспечения спокойной езды без шума и хорошего сцепления с дорогой в любую погоду. Но они редко рассчитаны на снижение расхода. В действительности же, именно шины вызывают наибольшее сопротивление при езде. В гибридных автомобилях используются специальные более жесткие шины, которые накачены под более высоким давлением, чем обычные. В результате, они снижают сопротивление качению вдвое.
Использование более легких материалов - Снижение общей массы автомобиля помогает уменьшить расход топлива. Легкие автомобили расходуют меньше энергии при разгоне или движении в гору. Для снижения массы могут быть использованы такие композитные материалы, как углепластик или легкие металлы, например, алюминий или магний.
Во всех современных гибридных автомобилях применяются вышеописанные способы снижения расхода. Далее мы подробнее расскажем о Honda Insight и Toyota Prius.
Несмотря на то, что оба автомобиля являются параллельными гибридами, у них есть свои отличия. У Honda Insight и Toyota Prius установлены бензиновые двигатели, электродвигатели и аккумуляторы, но на этом, пожалуй, все сходства заканчиваются. Давайте начнем с Honda Insight.
Honda Insight
Honda Insight была представлена в США в 2000 г. Автомобиль был сконструирован специально для максимального снижения расхода топлива. Несмотря на то, что Honda больше не выпускает Insight, этот автомобиль остается хорошим примером гибрида.
Honda сделала все возможное для максимального снижения расхода. Insight - это небольшой, легкий двухместный автомобиль с маленьким, но мощным бензиновым двигателем. Согласно Управлению по охране окружающей среды США, у Insight самые высокие показатели топливной экономичности из всех гибридов, представленных на рынке.
Honda Insight представляет собой упрощенный параллельный гибрид. Электродвигатель сопрягается с бензиновым двигателем там, где обычно располагается маховик. Honda назвала данную разработку "комбинированный электроусилитель двигателя". В Insight устанавливается либо обычная 5-ступенчатая механическая трансмиссия, либо автоматическая бесступенчатая трансмиссия CVT (вариатор).
Электродвигатель Insight обеспечивает экономию топлива:
· Содействует работе бензинового двигателя, обеспечивая дополнительную мощность при разгоне и движении в гору
· Обеспечивает рекуперативное торможение для накопления энергии, выделяемой при торможении
· Запускает двигатель, заменяя стартер
Однако электродвигатель не может приводить машину в движение самостоятельно, для этого необходимо, чтобы работал бензиновый двигатель.
Honda использовала все вышеперечисленные способы снижения расхода топлива. Но в Insight производитель опирался на три основных момента:
· Снижение массы - Несмотря на то, что автомобиль и так небольшой, кузов изготовлен из алюминия для дополнительного снижения массы. Благодаря сниженной массе, стало возможным использование небольшого двигателя, к.п.д. которого соответствует обычным автомобилям. Insight весит менее 1.900 фунтов (862 кг), что на 500 фунтов (227 кг) меньше, чем масса самого легкого автомобиля компании Honda Civic.
· Использование небольшого, но производительного двигателя - Масса двигателя Insight объемом 1.0 л составляет всего 124 фунта (56 кг), а его мощность 67 л.с. при 5.700 об/мин. В двигателе используется система Honda VTEC (электронная система газораспределения с автоматически изменяемыми фазами клапанов), а также технология, основанная на использовании бедной смеси. Расход топлива Insight составляет 3,9 л/100 км по городу и 3,5 л/100 км по шоссе. Помимо этого, благодаря дополнительной мощности электродвигателя, автомобиль может разгоняться от 0 до 100 км/ч за 13 секунд.
При работающем электродвигателе, мощность Insight составляет 73 л.с. при 5.700 об/мин. Если сравнить с показателями только бензинового двигателя, то получается, что электродвигатель увеличивает мощность всего на 6 л.с. Но максимальных показателей электродвигатель достигает на низких оборотах бензинового двигателя. Мощность электродвигателя Insight составляет 10 кВт (около 13 л.с.) при 3.000 об/мин.
· It's the peak torque numbers that really tell the story. Без электродвигателя, крутящий момент Insight составляет 89,5 Н*м при 4.800 об/мин. С электродвигателем, крутящий момент Insight составляет 107 Н*м при 1.500 об/мин. Таким образом, электродвигатель увеличивает крутящий момент на низких оборотах, когда не справляется бензиновый двигатель. Такое решение позволяет Honda Insight иметь маленький двигатель с показателями большого.
· Улучшенная аэродинамика - Honda Insight имеет классический дизайн, автомобиль выполнен в форме капли: задняя часть автомобиля уже передней. Задние колеса частично закрыты кузовом для придания более обтекаемой формы, а днище закрыто пластиковыми панелями. Благодаря этому, коэффициент волочения составляет всего 0,25, что делает Honda Insight одним из самых аэродинамичных автомобилей на рынке.
Садясь за руль, Вы понимаете, что Insight не очень сильно отличается от обычных автомобилей. При разгоне бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. При быстром разгоне, подключается электродвигатель для увеличения мощности.
При езде по шоссе, бензиновый двигатель выполняет большую часть работы. Когда Вы нажимаете на тормоз или отпускаете педаль газа, электродвигатель включается для накопления энергии и подзарядку аккумуляторов. Вам не нужно подключать Insight к розетке, электродвигатель генерирует энергию, необходимую для заряда аккумуляторов.
Следует отметить, что в Insight механическая трансмиссия отделена от бензинового и электрического двигателей муфтой сцепления. Это значит, что если Вы из тех водителей, которые любят выжимать сцепление или переключать на нейтральную передачу при замедлении хода, рекуперативное торможение происходить не будет. Для накопления энергии автомобиль должен быть на передаче.
Теперь мы предлагаем ознакомиться с Toyota Prius. Prius значительно отличается от Insight.
Toyota Prius
Toyota Prius была представлена в Японии в конце 1997 г. и сконструирована для снижения вредных выбросов в городах. Для выполнения поставленной задачи Toyota создала силовой агрегат для параллельных гибридов, который получил название Toyota Hybrid System (THS). Новая конструкция обладала некоторыми преимуществами последовательного гибрида. Prius соответствует стандарту Калифорнии SULEV (автомобиль с максимально низким выбросом вредных веществ). Автомобиль представляет собой четырехдверный седан, силовой блок обеспечивает скорость выше 15 миль/ч (24 км/ч) только за счет электродвигателя. Это способствует снижению расхода при езде по городу, но не по шоссе. Prius получил награду Лучший автомобиль Северной Америки 2004.
В отличие от Honda, Toyota сосредоточила свое внимание на силовом блоке для достижения поставленных целей по снижению выбросов и расхода. Prius весит 2.900 фунтов (1.315 кг), при этом размер салона и багажника такие же, как у Toyota Corolla.
В Prius используются два основных способа увеличения к.п.д. и снижения выбросов:
· Двигатель работает только в том диапазоне оборотов и нагрузок, который обеспечивает максимальную экономичность - Для снижения выхлопа, Prius разгоняется до 15 миль/ч (24 км/ч) за счет электродвигателя. Бензиновый двигатель подключается только при достижении определенного порога скорости. После этого бензиновый двигатель работает только в узком диапазоне частот.
· Трансмиссия с разветвлением потоков мощности - Бензиновый двигатель можно отрегулировать для более эффективной работы в определенном диапазоне оборотов и нагрузки. Трансмиссия с разветвлением потоков мощности в Prius позволяет двигателю работать в диапазоне оборотов и нагрузки, который обеспечивает максимальной экономии топлива.
Toyota разработала для Prius объемом 1,5 л для работы с максимальной скоростью всего 5000 об/мин, при этом его мощность составляет 76 л.с. Низкая максимальная скорость двигателя позволяет использовать более легкие компоненты, которые также снижают расход.
Мощность электродвигателя Prius составляет 67 л.с. при 1.200 - 1.540 об/мин. Крутящий момент при 0 - 1.200 об/мин составляет 400 Н*м, что более, чем достаточно для движения автомобиля без помощи бензинового двигателя.
Преимущества гибридного автомобиля
У Вас может возникнуть вопрос: зачем создавать такой сложный автомобиль, если большинство водителей устраивают их обычные машины? Ответ прост: для снижения выхлопа и расхода топлива. На самом деле, эти две задачи тесно связаны.
Давайте в качестве примера рассмотрим стандарт на содержание отработавших газов Калифорнии, в котором указаны нормы по составу выхлопа на территории Калифорнии. Содержание вредных веществ обычно указывается в граммах на километр (г/км). Например, для малотоксичных транспортных средств (LEV) стандарт допускает выброс 5,4 г/км моноксида углерода (угарного газа). Ключевым аспектом данного стандарта является то, что нормы не зависят от расхода топлива автомобиля. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс вредных веществ у него будет в два раза больше. Дополнительный выхлоп вредных веществ устраняется при помощи оборудования для контроля выбросов в атмосферу. Благодаря снижению расхода топлива можно снизить выброс.
Двуокись углерода(CO2) также содержится в выхлопе. Его содержание не контролируется правительством США, однако ученые считают, что данный газ способствует глобальному потеплению. Вследствие отсутствия контроля, в автомобилях не используются устройства для устранения СО2 из выхлопа. Если у одного автомобиля расход в два раза больше, чем у другого, то и выброс СО2 в атмосферу у него будет в два раза больше.
Производители автомобилей в США стремятся снизить расход топлива еще по другой причине. Согласно законодательству, их продукция должна соответствовать Закону о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией (CAFE). Согласно действующим стандартам, средний расход всех продаваемых новых автомобилей должен составлять 27,5 миль/галлон (8,55 л/100 км). Это значит, что если производитель продает 1 гибрид с расходом 60 миль/галлон (3,92 л/100 км), он также может продать 4 дорогих автомобиля класса люкс с расходом 20 миль/галлон (11,76 л/100 км).
Каждый должен знать способы снижения расхода топлива. На следующей странице мы расскажем, как сократить расход топлива Вашего гибрида (или обычного автомобиля).
Источник: https://auto.howstuffworks.com/hybrid-car.htm