Ціна на бензин вдарила по кишені. Ви дивитесь на лічильник, потім на приладову панель, розмірковуючи, чи настав час замінити ваш поточний автомобіль на такий, який споживає менше палива. Ви також можете бути стурбовані своїм вуглецевим слідом, але ідея підключати автомобіль до електромережі щовечора здається надто важкою.
На сцену виходить гібридний автомобіль.
Він займає ту дуже незручну середину. Але перш ніж списувати ДВС або укладати лізинг на електромобіль, потрібно розібратися в механіці. Як гібрид додає 20-30 миль на галон до свого діапазону з танка? Чи краща економія палива дійсно означає чистіші викиди? І де пов’язані моделі вписуються в це рівняння?
Ми аналізуємо анатомію цих машин. Ми розглянемо, як працює ця технологія, і, що не менш важливо, як вам слід керувати автомобілем, щоб отримати від нього максимальну користь.
Бензин проти електрики: принципова різниця
Бензин-електричний гібрид є компромісом. Це місток між надійністю бака з бензином і миттєвим крутним моментом електродвигуна. Щоб зрозуміти цей міст, потрібно зрозуміти береги, які він з’єднує.
Звичайний бензиновий автомобіль – це просто. Бензобак подає бензин до двигуна внутрішнього згоряння. Двигун обертає коробку передач. Коробка передач обертає колеса. Це просто.
Електромобіль (EV) сконструйований інакше. Він працює від акумуляторної батареї. Акумулятори живлять електроенергією електродвигун. Двигун обертає коробку передач. Коробка передач обертає колеса. Відсутнє горіння. Без вихлопних газів.
Гібрид намагається мати найкраще з обох світів. Він зберігає бензобак для дальності та зручності. Він додає електричну тягу для підвищення ефективності та зменшення викидів. Мета полягає в тому, щоб доставити вас до місця призначення без постійної зупинки, щоб заправити бензином, і водночас зменшити екологічну провину.
Під капотом: анатомія гібрида
Гібриди — це не просто бензиновий двигун із маленькою батареєю. Це складні системи. Ось з чим ви маєте справу.
Бензиновий двигун : це серце традиційної частини. Однак гібридні двигуни, як правило, менші, ніж їхні негібридні аналоги. Вони використовують передові технології для чистішого та ефективнішого спалювання палива. Менший об’єм часто означає менше тертя та кращу термічну ефективність.
Газовий бак : це накопичувач енергії для бензинового двигуна. Бензин має величезну щільність енергії порівняно з акумуляторами. Для порівняння, для зберігання такої ж кількості енергії, що міститься в одному галоні (3,8 літра) бензину, потрібно приблизно 1000 фунтів (454 кг) акумуляторів. Ця різниця у вазі пояснює, чому гібриди не просто замінюють двигун акумулятором; їм потрібні обидва джерела.
Електродвигун : ці пристрої складні. Це не просто мотори. Удосконалена електроніка дозволяє їм мінятися ролями. Коли вам потрібно прискоритися, вони діють як двигун, черпаючи енергію від акумуляторів, щоб штовхати автомобіль вперед. Коли ви відпускаєте педаль газу або натискаєте на гальма, вони діють як генератор. Цей процес, відомий як рекуперативне гальмування, вловлює кінетичну енергію, яка інакше була б втрачена у вигляді тепла, і повертає її до акумуляторів.
Генератор : Схожий на двигун, але виробляє лише електрику. Ви найчастіше зустрінете його у послідовних гібридах. Він перетворює механічну енергію від бензинового двигуна на електричну енергію для зарядки батарей або живлення електродвигуна.
Батареї : Вони зберігають енергію для електродвигуна. На відміну від бензобака, що подає енергію тільки бензиновому двигуну, система батарей є двоспрямованою. Електродвигун може брати із неї енергію, а система рекуперативного гальмування може повертати енергію назад.
Коробка передач : Ця частина сильно варіюється. Деякі гібриди, такі як Honda Insight використовують звичайні трансмісії, які виглядають і відчуваються звично. Інші, такі як Toyota Prius, використовують радикально різні конструкції, такі як безступінчаста трансмісія (CVT) або e-CVT, яка взагалі не має фіксованих передач.
Паралельні гібриди: найпоширеніша схема
Більшість гібридів, які ви бачите на дорогах, є паралельними. Назва описує потік потужності.
У вас є бензобак, який живить бензиновий двигун. У вас є батареї, які живлять електродвигун. Обидва джерела живлення можуть обертати коробку одночасно. Вони працюють паралельно.
Ця схема забезпечує гнучкість. На низьких швидкостях електродвигун може виконувати всю роботу. На високих швидкостях він бере бензиновий двигун. При різкому прискоренні обидва можуть включатися одночасно, щоб забезпечити максимальний момент, що крутить. Трансмісія просто передає комбіновану потужність на колеса.
Послідовні гібриди: цикл генератора
Послідовні гібриди працюють інакше. Вони менш поширені у масових легкових автомобілях, але поширені у великих вантажівках та автобусах.
У послідовному гібриді бензиновий двигун ніколи не обертає колеса прямо. Натомість він обертає генератор. Цей генератор створює електроенергію. Електрика або заряджає батареї, або живить електродвигун. Саме цей електродвигун є єдиною частиною, що приводить трансмісію у рух.
Уявіть собі бензиновий генератор усередині автомобіля. Двигун працює на стабільних, ефективних оборотах для генерації електрики, яка живить тяговий електродвигун. Бензиновий двигун відключено від коліс. Це дозволяє двигуну частіше працювати у зоні максимальної ефективності, незалежно від того, як швидко рухається автомобіль.
Чому вибирають один варіант замість іншого? Паралельні гібриди, як правило, ефективніші на високих швидкостях, тому що можуть повністю обходити електродвигун. Послідовні гібриди процвітають у пробках, так як усувають неефективність перемикання передач і холостого ходу.
Технології продовжують розвиватись. Гібриди (PHEV), що підключаються, беруть цю основу і додають більший пакет батарей, який можна заряджати від зовнішньої розетки. Це дозволяє збільшити запас ходу тільки на електриці, стираючи межу між гібридом та електромобілем. Але основні принципи залишаються колишніми: захоплювати енергію, зберігати її та використовувати з розумом.
Перед вами система спроектована для мінімізації втрат. Щоразу, коли ви натискаєте на гальмо, є шанс підзарядитись. Кожна хвилина холостого ходу шанс заощадити паливо. Але те, як ви керуєте, як і раніше важливіше, ніж апаратне забезпечення. Ми розглянемо наступного разу.
Фундаментальний принцип роботи гібрида простий, але глибокий: ви можете значно зменшити об’єм бензинового двигуна, тому що не потрібно виконувати всю важку роботу. Звичайним автомобілям потрібні великі, ненажерливі двигуни для створення миттєвого моменту, що крутить, необхідного для швидкого розгону. Гібриди оминають цю проблему. Вони використовують дрібніші та легкі компоненти, меншу кількість циліндрів і змушують двигун внутрішнього згоряння працювати ближче до точки максимальної ефективності при високому навантаженні.
В результаті виходить силова установка, яка економно витрачає паливо, а не поглинає його.
Чому маленькі двигуни спалюють менше палива
Все зводиться до фізики та інерції. Масивний двигун V-8 важкий. Щоразу, коли ви розганяєтеся або піднімаєтесь в гору, ви витрачаєте енергію просто на переміщення цього мертвого вантажу. Більш важкі поршні та колінчасті вали вимагають більше енергії для зворотно-поступальних рухів усередині циліндра.
Потім є робочий об’єм. Циліндри більшого розміру вимагають більше палива за кожен такт. Більше циліндрів означає більше актів згоряння, навіть коли автомобіль стоїть на неодруженому ходу або повільно повзе у пробці. Саме тому два автомобілі однієї моделі, але з різними варіантами двигунів показують кардинально різні показники витрати палива (миль на галон).
На шосе обидва двигуни повинні видавати однакову потужність підтримки швидкості. Але менший двигун використовує менше цієї потужності на подолання власного внутрішнього тертя та ваги. Вся потужність, що залишилася, йде виключно на рух автомобіля.
Як отримати достатньо потужності від крихітного двигуна
Отже, як маленький гібридний двигун встигає за сильним автомобілем? Порівняйте Chevrolet Camaro з його потужним двигуном V-8 з звичайним гібридом. Двигун Camaro є надлишковим для крейсерської їзди. Він створений для пікових навантажень – тих миттєвостей, коли ви вичавлюєте педаль акселератора в підлогу. На практиці більшість водіїв використовують пікову потужність двигуна менше одного відсотка часу.
Гібриди розраховують свої бензинові двигуни під середні вимоги до потужності, а не під пікові. Бензиновий двигун відмінно справляється з рухом шосе. Але коли треба злитися з потоком на швидкісній трасі або піднятися на круту гору, маленький двигун просить допомоги.
Ця допомога надходить від електромотора та високовольтної батареї. Система включається миттєво, забезпечуючи надлишок моменту, що крутить, якого не вистачає маленькому бензиновому двигуну. Це передача естафети. Бензиновий двигун виконує стабільну роботу, а електромотор – ривки.
Підвищення паливної економічності 5 різними способами
Крім заміни двигуна, гібриди використовують набір методів підвищення ефективності. Деякі з них є універсальними покращеннями для всіх автомобілів, інші специфічні для гібридної архітектури.
1. Відновлення енергії та її зберігання в батареї
Гальмування – це по суті процес знищення енергії. Кінетична енергія перетворюється на тепло завдяки гальмівним колодкам. Це тепло розсіюється у атмосфері, зникаючи назавжди. Гібриди захоплюють частину цієї втраченої енергії.
Завдяки рекуперативному гальмування електромотор змінює свою роль. Замість споживати енергію батареї для обертання коліс, він діє як генератор. Мотор чинить опір обертанню коліс, уповільнюючи автомобіль і одночасно заряджаючи батарею. Ви повертаєте енергію, яка інакше була б витрачена даремно.
2. Іноді відключення двигуна
Навіщо спалювати паливо, коли ви не рухаєтеся? Гібрид з двигуном внутрішнього згоряння має альтернативу: електромотор. На світлофорі або щільному потоці система може повністю відключити бензиновий двигун. Жодного холостого ходу. Жодної витрати палива. Електромотор підтримує роботу допоміжних агрегатів та готує автомобіль до руху.
3. Використання аеродинаміки для зниження опору
Їзда по шосе – це боротьба з опором повітря. Аеродинамічний опір споживає більшу частину потужності автомобіля на високій швидкості. Цей опір можна зменшити, мінімізуючи фронтальну площу. Позашляховик штовхає набагато більший об’єм повітря, ніж спортивний автомобіль.
Гібриди часто оснащуються гладкими панелями днища, закритими колісними арками та щільними зазорами кузова. Ці деталі керують потоками повітря, зменшуючи турбулентність та опір. Йдеться як про зовнішній вигляд; головне – прослизати крізь повітря з мінімальним опором.
4. Використання шин з низьким опором коченню
Стандартні шини – це компроміс. Вони віддають пріоритет комфорту їзди, зниженню шуму та зчепленню на мокрій дорозі замість ефективності. Але деформація шин створює опір коченню – форму опору, яка з’їдає паливо.
Гібриди використовують спеціалізовані шини з низьким опором коченню. Вони жорсткіші і працюють при вищому тиску. Це знижує втрату енергії на деформацію шин. Компромісом є жорсткіша їзда, але економія палива реальна.
5. Використання легких матеріалів
Вага – ворог ефективності. Більш легкого автомобіля потрібно менше енергії для розгону і менше зусиль для підйому в гору. Гібриди часто використовують легкі матеріали, щоб скинути зайві кілограми. Алюміній, магній та іноді композити на основі вуглецевого волокна замінюють більш важкі сталеві та пластикові компоненти. Найменша маса означає найкращу паливну економічність.
Це цілісний підхід. Кожна заощаджена грам, кожен знижений аеродинамічний опір, кожен відновлений джоуль кінетичної енергії складаються докупи. Бензиновий двигун це лише верхівка айсберга. Решта – складна гра фізики та електроніки, всі елементи якої призначені для того, щоб рухати вас, витрачаючи якнайменше енергії.
Питання не в тому, чи гібриди працюють. Питання в тому, чи ми готові прийняти той факт, що спосіб, яким ми їздили протягом століття, фундаментально неефективний.
Планетарний ряд в основі системи
Забудьте про традиційні автоматичні або механічні коробки передач. Усередині Prius немає зчеплення, яке могло б прослизати, немає гідротрансформатора, що шукає блокування, і немає точок перемикання, які можна було б відчути. Натомість Toyota сховала всю архітектуру трансмісії в одному щільному механічному вузлі: пристрої поділу потужності. Це, насправді, серце гібридної системи.
Це не просто хитрий додаток. Це планетарний ряд, який фізично з’єднує бензиновий двигун, генератор (двигун G) та тяговий електромотор (двигун A) у єдиний нерозривний вузол.
Пристрій поділу потужності дозволяє автомобілю працювати одночасно як паралельний гібрид, як послідовний гібрид та як безступінчастий варіатор (CVT).
Інженерне рішення тут відрізняється суворою простотою, але блискучим виконанням. Зафіксувавши ці три компоненти у певних точках планетарного ряду, Toyota усунула необхідність в окремому стартері. Запуск двигуна здійснює генератор. Також це рішення позбавляє необхідності в важелі перемикання передач, гідротрансформатор або традиційному корпусі трансмісії. В результаті виходить силова установка, яка відчувається невагомою.
Як планетарні ряди керують потоком потужності
Щоб зрозуміти, як це працює, потрібно глянути на геометрію шестерень. Стандартний планетарний ряд має три основні рухомі елементи: сонячну шестерню, сателіти (які обертаються на водилі) та кільцеву шестерню. У конфігурації Prius їм відведено певні ролі.
Бензиновий двигун безпосередньо з’єднаний із сонячною шестернею. Це вхідний елемент. Коли двигун обертається, він рухає сонячну шестерню, яка, у свою чергу, штовхає сателіти.
Кільцева шестерня з’єднана з електричним тяговим двигуном. Але вона також пов’язана з головним редуктором. Це означає, що швидкість кільцевої шестерні визначає швидкість коліс. Швидкість, з якою обертаються електромотор та кільцева шестерня, визначає, як швидко рухається автомобіль.
Водило – це місце кріплення генератора.
Таке компонування створює унікальну математичну залежність між трьома компонентами. Швидкість сонячної шестерні (двигуна), кільцевої шестерні (колеса/мотор) та водила (генератора) жорстко пов’язані передатними числами шестерень. Ви не можете змінити один параметр без впливу на інші.
Послідовний та паралельний режими: Рішення про поділ
Цей механічний зв’язок дозволяє автомобілю безшовно перемикатися між режимами роботи гібридної системи без перерв у передачі потужності.
У послідовному режимі бензиновий двигун працює на постійній швидкості, виробляючи електрику. Двигун обертає сонячну шестірню. Водило (генератор) обертається, виробляючи енергію, яка заряджає акумулятор або живить електродвигун. Потім електромотор обертає кільцеву шестерню, щоб привести в рух колеса. У двигуна немає прямого механічного зв’язку з колесами. Він працює виключно як генератор.
У паралельному режимі бензиновий двигун забезпечує пряму механічну потужність колес через планетарний ряд. Двигун обертає сонячну шестерню, яка водночас надає руху водило і кільцеву шестерню. Електромотор може допомагати цьому потоку потужності або чинити опір йому для рекуперації енергії.
Пристрій поділу потужності дозволяє автомобілю працювати як паралельний гібрид: електромотор може приводити автомобіль у рух самостійно, бензиновий двигун також може приводити автомобіль в рух самостійно, або вони можуть приводити автомобіль у рух разом.
Але воно також дозволяє автомобілі працювати як послідовний гібрид. Бензиновий двигун може працювати незалежно від швидкості автомобіля, заряджаючи батареї або забезпечуючи потужність коліс у міру потреби.
Механічна основа системи спирається на специфічну схему зубчастої передачі. Генератор кріпиться до сонячної шестірні, а двигун підключений до водила (планетарного кардану). Швидкість кільцевої шестерні визначає вихідну потужність, що означає необхідність постійної координації всіх компонентів. Вони не можуть працювати ізольовано.
Розгін починається з електрики. Електродвигун та батареї забезпечують початковий поштовх. Оскільки кільцева шестерня з’єднана із двигуном, вона починає обертатися негайно. Водило залишається нерухомим. Двигун вимкнено, тому водило нерухомо. Але кільцева шестерня рухається. Це змушує обертатися планетарні шестерні, які, своєю чергою, обертають сонячну шестерню та генератор. Генератор обертається з тією швидкістю, яка необхідна підтримки двигуна у вимкненому стані.
Двигун запускається лише на швидкості близько 40 миль/год (64 км/год). Швидкість генератора різко змінюється. Ця зміна змушує обертатися водило, запускаючи бензиновий двигун. Після запуску двигун підтримує постійну швидкість. Генератор змінює власну швидкість, щоб відповідати вимогам електродвигуна вихідної потужності.
При різкому прискоренні додаткова енергія забирається із батарей. На швидкостях автомагістралями автомобіль працює на суміші бензину та електрики. На цьому етапі вся електрика надходить від генератора, а не акумуляторної батареї.
Парадокс кінських сил
Більшість режимів керування вимагають лише частки від загальної потужності автомобіля. Рух на крейсерській швидкості 60 миль/год (96,6 км/год) потребує потужності лише для трьох речей:
- подолання аеродинамічного опору
- Протидії тертю в шинах, трансмісії, осях та гальмах
- Живлення допоміжних пристроїв, таких як кондиціонер, підсилювач керма та освітлення
Для більшості автомобілів це менше 20 кінських сил. То навіщо купувати двигун потужністю 200 л.с.? Вам потрібний цей запас для моментів “повного газу” (різкого прискорення). В решту часу ви використовуєте значно менше потужності, ніж доступно.
Максимізація паливної ефективності гібрида
Бажання швидкого розгону вбиває ефективність. Двигун меншої потужності часто забезпечує кращу економіку палива, ніж ідентична модель з більшою потужністю. Подивіться на наклейки з характеристиками у будь-якому автосалоні. Різниця очевидна.
Водіння заради ефективності
Найкращу паливну економічність від гібрида ви отримаєте, використовуючи звички, які корисні і для бензинових автомобілів.
- Їдьте повільніше. Аеродинамічний опір різко зростає зі збільшенням швидкості. Опір на швидкості 70 миль/год (113 км/год) приблизно вдвічі більший, ніж на швидкості 50 миль/год (81 км/год). Нижчі швидкості означають кращу економічність.
- Підтримуйте постійну швидкість. Кожне прискорення витрачає енергію. Частина цієї енергії втрачається при уповільненні. Постійна швидкість забезпечує ефективне використання палива.
- Уникайте різких зупинок. Електродвигун гібрида діє як генератор при гальмуванні. Він відновлює енергію у міру уповільнення автомобіля. Якщо ви зупиняєтеся різко, основну роботу виконують механічні гальма. Ця енергія втрачається. Це також стосується бензинових автомобілів. Різкі зупинки призводять до втрати енергії.
Джерела
- “Diesel-based hybrid cars.” The Daily Times. http://www.dailytimes.com.pk/default.asp?page=2006%5C01%5C09%5Cstory_9-1-2006_pg6_13
- FuelEconomy.gov http://www.fueleconomy.gov/
- Honda Insight http://automobiles.honda.com/models/specifications_full_specs.asp? ModelName=Insight&Category=ALL
- HybridCars.com http://www.hybridcars.com/
- Toyota Prius http://www.toyota.com/prius/specs.html
