Гибридные технологии

В конце концов человечество найдет альтернативу всему, что его окружает. И это так же неизбежно, как смена прошлого настоящим, а сегодняшнего дня завтрашним.

Однако практически во всех областях нашей жизни есть вещи, не требующие «доработок» с течением времени, своеобразная «классика жанра». Будь то Первый концерт Чайковского для фортепиано с оркестром, фрески Микеланджело в Сикстинской капелле, рассказы Чехова или легендарная американская «восьмерка» Hemi.

Кстати, а какие ассоциации у вас вызывает словосочетание «настоящий автомобиль»? Вряд ли в памяти всплывает силуэт экономичной японской малолитражки или новейшего флагмана из Баварии или Ингольдштадта. Остаться в душах людей «настоящим», обладая парой безупречных характеристик и полным набором наисовременнейших опций, невозможно. Пройдет время, и представления о «мимолетном совершенстве» поменяются.

Сегодняшние автомобили, двигатели которых работают тише швейной машинки, поражают удельной мощностью и точностью расчетов электронных «мозгов». И, как это ни парадоксально, они все больше и больше начинают оправдывать название «самодвижущийся», причем это «самодвижение» происходит уже почти без участия человека. Все, конечно, оправдывает безопасность, практичность и надежность, но как оправдать то, что машина уже фактически лишена «души»?

А когда, стоя рядом с автомобилем, всем телом ощущаешь размеренный бас V-образной «восьмерки», слышишь «дыхание» мотора через дроссели и, надавив на «механическую» педаль акселератора, понимаешь, что стучащая в висках кровь превратилась в 98%-й раствор адреналина... Тогда разговоры о настоящем уже не нужны. Главное — не забывать дышать.

Все вышесказанное — достаточно субъективно, да и противиться прогрессу глупо. А что еще сказать о «душе» современной машины? Ведь в 90-е легендарный Джеймс Кэмерон уже доказал, что и Терминатору ничто «человеческое» не чуждо. Значит, шанс есть.

Сегодняшняя беседа — о перспективных гибридных двигателях.

ГИБРИДЫ ВЧЕРА

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойным смесеобразованием.

Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают на чрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то время как у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин, степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах 16—17.

Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такие двигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин (Италия, государства Южной Америки).

Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижения расхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках.

Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный, представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее известная поговорка «все новое — это хорошо забытое старое» и в этот раз сработала на 100%.

Как оказалось, «первые ласточки» появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.

Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?

На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Схема гибридной установки Lexus RX400h

ГИБРИДЫ СЕГОДНЯ

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой — экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение — геологи, все настойчивее напоминающие об истощении запасов «черного золота».

Сегодня смело можно сказать: эпоха ДВС как основного источника энергии на автомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.

Спустя ровно 110 лет (в 1997 году) после появления первого гибридного автомобиля компания Toyota представила массовую модель Prius. Изюминка Prius — электромотор, батарею которого не надо заряжать от внешней сети. Энергия для заряда аккумулятора вырабатывается прямо на борту автомобиля. Мощность 1,5-литрового бензинового двигателя этой модели — 53 кВт (57 кВт — Prius 2-го поколения), тягового электромотора — 33 кВт (50 кВт — Prius 2-го поколения). Максимальная скорость составляет 160 км/ч, а расход топлива 4,6 л (4 л — Prius 2-го поколения) на 100 км. В 2004 году на Международном конкурсе в Германии силовой агрегат Toyota Prius занял первые места сразу в четырех (!) номинациях, в том числе и в самой престижной — «Лучший двигатель 2004 года».

Однако на данный момент венцом творения компании Toyota (на сегодняшний день мирового лидера в освоении гибридных технологий) является совсем другой автомобиль, о нем чуть позже.

А для начала рассмотрим схемы гибридных силовых установок.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА

В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса.

Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальная эффективность силовой установки.

ОТ СХЕМ К «НОВЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ»

По словам создателей Lexus RX400h, именно в другое измерение они перенесли езду на полноприводном автомобиле. Дабы разбавить сухие схемы практическими примерами, поговорим о новинке компании Toyota — Lexus RX400h, оснащенной последовательно-параллельной гибридной силовой установкой Hybrid Synergy Drive.

Гибридная установка Lexus RX400h сочетает в себе бензиновый V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 3,3 л, мощностью 150 кВт, 2 электромотора мощностью 200 кВт, с рабочим напряжением 650 В и высоковольтную аккумуляторную батарею напряжением 288 В.

Это всего лишь надводная часть айсберга, соединить напрямую ДВС, электромоторы и аккумулятор и добиться при этом согласованной работы невозможно. Поэтому немного углубимся во внутреннее строение Lexus RX400h.

Бензиновый двигатель нам не столь интересен, но «из песни слов не выкинешь». V-образная «шестерка» оснащена сложной компьютерной системой, осуществляющей непрерывную корректировку количества воздуха, поступающего в цилиндры. Благодаря этому удалось добиться соблюдения норм Евро-4.

Высоковольтные моторы по сути являются обратимыми машинами, т.е. могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Располагаются в передней и задней частях автомобиля и приводят в движение соответственно колеса переднего и заднего мостов.

Устройство распределения энергии — это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором. «Сердце» устройства распределения энергии — компактная планетарная передача. Она обладает малой массой и меньшим количеством движущихся частей, в сравнении с 5- или 6-ступенчатыми АКПП автомобилей класса «люкс». Применение планетарной передачи позволило снизить потери на трение и шум при работе и в то же время повысить надежность и срок службы узла.

Энергетический центр — уникальная система, управляющая созданием и распределением запасов электрической энергии, хранящейся в батарее. Основные компоненты энергетического центра: мощная высоковольтная батарея (NiMH), блок управления энергией, полупроводниковое коммутационное устройство, рекуперативная (регенеративная) тормозная система.

Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляют потоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данные устройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии с потребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующими причинами: генератор и электромоторы — машины переменного тока, в то время как аккумуляторная батарея оперирует постоянным, кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входному напряжению электромоторов.

Инвертор — блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В гибридной силовой установке Lexus RX400h предусмотрена высоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, тоже постоянный. Но поскольку она повышает напряжение, то происходит равномерный рост электрической мощности при той же величине значения тока. В результате получают более высокую производительность и повышенный крутящий момент привода электромоторов.

Рекуперативная (регенеративная) тормозная система — при торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом электроэнергия поступает на вход аккумуляторной батареи. Особо эффективную работу система показала в городских условиях, при чередовании режимов стоп — старт. Заметим, что в традиционных тормозных системах энергия, полученная при замедлении, теряется полностью.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет воедино системы активной безопасности, такие как антиблокировочная система тормозов (ABS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (EPS).

VDIM не столь «навязчива», как обычные системы управления, но намного более эффективна. При помощи высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией VDIM контролирует и сопоставляет все параметры, одновременно управляя крутящим моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения.

РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ

В этом разделе мы рассмотрим особенности работы системы при выполнении различных маневров.

Начало движения

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.

Режимы движения: начало движения

Движение в нормальном режиме

В этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов; энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.

В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

Стоит упомянуть, что при движении в нормальном режиме система автоматически переходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняется полный.

Разгон

Бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, при необходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромоторов.

Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересно сравнить эту систему с турбированным двигателем. В то время как работа последнего может сопровождаться «турбозадержками», гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительной энергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента.

Режимы движения: разгон

Торможение

Для оптимизации количества сохраняемой энергии управляемая электроникой тормозная система принимает решение о том, когда следует использовать гидравлическую систему, а когда — рекуперативное (регенеративное) торможение (оно и является приоритетным). При рекуперативном торможении передний и задний электродвигатели работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент на передней и задней осях. Вырабатываемая энергия поступает на блок управления электропитанием, а оттуда на высоковольтную аккумуляторную батарею.

Режимы движения: рекуперативное (регенеративное) торможение

ИТОГ

Сейчас коротко о том, чего удалось добиться применением подобной гибридной установки.

К сожалению, производитель не дает пока никаких точных данных, ограничиваясь размытыми формулировками. Расход топлива 3,3-литрового мотора будет «сопоставим с седаном среднего класса», другими словами, будет лежать в пределах 5—8 л на 100 километров пробега. Если сравнить эти показатели с расходом 3-литровой «шестерки» RX300, а она потребляет в среднем 13 л на 100 километров, то получится очень неплохой результат. Двигатель RX400h соответствует нормам Евро-4 и позволяет ему разгоняться «до сотни» за 7,6 с, RX300 преодолевает этот рубеж за 9 с.

Комфорт и безопасность новой модели пока не подлежат «количественной» оценке, поэтому от комментариев мы воздержимся, тем более что RX400h появится в России не раньше, чем во второй половине 2005 года.

ГИБРИДЫ ЗАВТРА

Итак, следующий этап развития двигателей — силовая установка, работающая на самом перспективном энергоносителе — водороде. Он является самым безвредным для окружающей среды, так как в результате химической реакции в качестве «побочного продукта» образуется простая вода. Происходят такие реакции в топливных камерах — керамических ячейках. Каждая ячейка перегорожена на 2 секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую подается водород. Мембрана обладает уникальным свойством: пропускает протоны, но задерживает нейтроны. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно, благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту электроэнергию (вполне возможно с некоторыми преобразованиями) можно использовать для питания электродвигателя.

Вот и все, что мы хотели рассказать сегодня о перспективах развития силовых агрегатов автомобилей. По какому пути пойдет наука, пока загадка, но основные направления уже определены.

А ЧТО У НИХ?

Перед тем как задуматься о том, что день грядущий нам готовит, вспомним о других мировых производителях: Audi, BMW, Daimler Chrysler, Volkswagen и прочих. Почему они до сих пор, а с момента появления Prius минуло уже 8 лет, серьезно не занялись перспективными разработками?

Начнем по порядку

Audi еще в прошлом году представила прототип A2 на водородном топливе. A2-H2 разгоняется «до сотни» менее чем за 10 секунд и развивает скорость 175 км/ч. Без дополнительной заправки автомобиль может преодолеть 220 км. Максимальная мощность гибридного двигателя составляет 136 л.с. Модель работает по технологии fuel-cell — за счет преобразования водорода в электричество вследствие химической реакции с кислородом. При небыстрой езде А2 работает на обычном двигателе, а для быстрого разгона задействуется аккумулятор, который постоянно подзаряжается за счет рекуперативного (регенеративного) торможения. Но на данный момент у немецкой компании нет намерения запускать автомобиль в серийное производство — A2-H2 был сделан исключительно в исследовательских целях.

BMW обещает представить первый серийный гибрид уже через три года. По словам баварцев, это будет машина седьмой серии с двигателем, работающим на бензине и водороде. Первые образцы «водородных семерок» уже совершили пробный пробег по нескольким странам Европы, чем вызвали неподдельный интерес со стороны прессы.

BMW планирует использовать водород в двигателях внутреннего сгорания, а не в топливных камерах, как предлагают делать другие производители. Прототип BMW H2R, оснащенный именно таким двигателем (созданном на базе стандартного 12-цилиндрового агрегата от модели 760i), поставил сразу 9 мировых рекордов скорости. Разогнавшись до 302,4 км/ч, он стал самым быстрым среди бензиново-водородных гибридов.

Daimler-Chrysler, в отличие от BMW, ведет разработку гибридных двигателей, использующих энергию топливных камер. Исследования проводятся совместно с «Nippon Mitsubishi Oil», результат ожидается через 3—4 года. Тем не менее на Франкфуртском автосалоне в 2003 году были показаны два гибрида Mercedes. Первый — E200 NGT (Natural Gas Technology) может «питаться» как бензином, так и природным газом. Второй — гибрид S-класса, оснащенный бензиновым двигателем V6, мощностью 245 л.с. и двумя электродвигателями общей мощностью 55 кВт. Отметим, что «газовый» Mercedes поступил в продажу в прошлом году.

Volkswagen пока делает ставку на экономичные дизельные моторы.

Например, экспериментальный Golf с дизелем и вспомогательным электромотором по параметрам расхода топлива и динамике разгона сравним с Prius. Но под капотами «народных автомобилей» гибриды найдут место еще не скоро, слишком дорого это обойдется концерну.

Ну а пока немцы «исследуют», японцы — производят.

Ford, Nissan, Porsche — рассчитывают получить технологии гибридных установок у Toyota. GM, Honda и корейские автопроизводители разрабатывают собственные «теории гибрида».