В большинстве видов транспорта работает тот или иной двигатель, и на сегодняшний день в большинстве случаев это либо дизель, либо двигатель внутреннего сгорания, либо электродвигатель, либо турбореактивный двигатель.
Электродвигатель по своим характеристикам лучше многих других приводов, в частности он более устойчив к переменным нагрузкам, не требует сложных систем передачи, КПД двигателя значительно выше (поскольку в нем меньше механически двигающихся частей, соответственно ниже процент механического износа), кроме того электродвигатель более дешевый по сравнению со своими собратьями. Итак, с одной стороны электродвигатель – просто находка, но есть одно НО! В пределах автомобиля электричество – крайне дорогой источник энергии. Батарейки и аккумуляторы не выход, для удовлетворения нужд автомобиля потребуются поистине гигантские батарейки, которые и заряжать придется часами. Поэтому решение только одно, сделать электродвигатель не основным, а вспомогательным элементом, именно этот вывод и положил начало производства гибридов разных категорий и обращение к альтернативным видам топлива. Альтернативное топливо содержит водородсодержащее сырье, то есть на выхлопе образуется просто вода, существуют автомобили на метиловом спирте, природном газе, бензине и дизельном топливе. Чисто водородные топливные элементы являются и самыми чистыми, но их установочная стоимость не является рентабельной: стоимость водородной заправочной станции сильно превышает стоимость сегодняшней инфраструктуры заправки углеводородами (продуктами нефтепереработки и газом). Поэтому в данный момент более популярны так называемые гибридные схемы когда транспорт имеет как обычный двигатель, так и электрический.
Гибридные схемы сочетают в себе преимущества двух технологий: обычных двигателей для получения электроэнергии и электродвигателя, используемого для приведения в движение колес. Обычный двигатель (дизель, внутреннего сгорания или даже газовая турбина) работает в оптимальном равномерном режиме и заряжает аккумулятор-батарею относительно небольшой емкости (много ниже, чем в электромобилях). А электродвигатель вращает колеса, работая в нестабильном режиме, зависящем от условий движения (ускорений и торможений, подъемов, грузоподъемности и т.д.). В результате использования электропривода существенно улучшаются не только динамические характеристики транспорта, но и его экономичность и экологичность.
FedEx – первая транспортная компания, решившаяся на эксперимент по массовому внедрению гибридных двигателей. Для начала было закуплено 20 грузовиков с дизельно-электрическими двигателями, которые начали работать в нескольких городах на территории США. Эксперимент продлился до конца 2004 года и в случае, результаты эксперимента были оценены специалистами как удачные, и компания приняла решение в последующие 10 лет заменить в своем автопарке более 30 тысяч среднетоннажных грузовиков. Такие грузовики будут оборудованы новым гибридным дизельно-электрическим двигателем OptiFleet E700, разработанным компанией Eaton. Такой двигатель уменьшает расход топлива на 50% и снижает выбросы CO2 в атмосферу на 75%. Правда, гибридные грузовики будут немного дороже обычных главным образом из-за стоимости аккумулятора.
Гибридные схемы различны: они варьируются от одновременной синхронизированной компьютером работы электромотора и обычного двигателя на одном валу до полностью независимых газотурбинных двигателей, работающего на генератор и специальных электродвигателей, вмонтированных прямо в колеса. Все эти модели уже представлены на рынке. Вопрос лишь в цене, дело в том, что иметь на борту сразу несколько мощных двигателей с высоким КПД дороже, чем иметь просто один двигатель, однако надбавка в цене обеспечит лучшие ходовые характеристики, более низкий расход топлива и низкотоксичный выхлоп.
На данный момент преимущества гибридных автомобилей больше всего проявляются в тяжелых грузовиках и автобусах, в которых экономия топлива и экологические требования могут проявиться сильнее, нежели в легковых автомобилях.
Начиная с какого-то порога распространения гибридов, произойдет их лавинообразное массовое внедрение: из-за политических изменений цены топлива. Новые автомобили будут потреблять как минимум вдвое меньше топлива, следовательно, для сохранения того же уровня финансирования инфраструктуры их должно или стать вдвое больше (но тогда и инфраструктуры должно быть профинансировано больше), или же стоимость топлива должна будет увеличиться вдвое. Топливо при этом неминуемо подорожает, и для обычных автомобилей так и вообще станет непомерно дорогим.
Государство подталкивает к гибридизации транспорта и постоянным ужесточением экологических норм. Начиная с какого-то момента обеспечить требуемую государством экологическую чистоту двигателя, работающего в тяжелых условиях изменяющейся дорожной нагрузки, становится очень дорого. Выходом является использование гибридной схемы, в которой двигатель работает в постоянно оптимальном режиме, в том числе и оптимальном с точки зрения минимизации вредных выхлопов. Гибридная схема позволяет использовать также газотурбинные двигатели, которые наносят не такой значительный вред экологии.
Железнодорожники оценили гибридную схему много раньше: поскольку им всегда была нужна большая тяговая мощность, то тепловозы представляют собой да, правильно, мощные гибридные тягачи, только поставленные на рельсы.
Гибридная трансмиссия
Делитель мощности в гибридной трансмиссии направляет поток мощности туда, где она больше всего нужна. Обеспечивая максимально экономное расходование энергии, он не только направляет всю необходимую мощность, но и управляет совместной работой бензинового и электрического двигателей. Бесступенчатая трансмиссия мгновенно откликается, когда водителю нужна большая мощность. Электрический и бензиновый источники энергии
Термин «гибридный» подразумевает сочетание бензинового и электрического двигателей, которые приводят в движение RX400h. Эти два источника энергии прекрасно дополняют друг друга. Электродвигатели моментально обеспечивают дополнительную мощность, не расходуя топливо и не загрязняя окружающую среду. Бензиновый двигатель позволяет развить высокую скорость на уровне современных автомобилей.
По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих авто, гибридные приводы принято разделять на две категории: последовательный и параллельный.
В последовательном гибриде двигатель внутреннего сгорания соединения с колесами не имеет вообще, но служит в качестве генератора для зарядки батарей. Роль тяговых тут играют электромоторы, питаемые или батареями, или генератором. Если же имеем дело с параллельной схемой, то здесь к колесам «присоединен» и двигатель внутреннего сгорания (посредством коробки передач), и электромотор.
В структуре силовой установки автомобиля Toyota Prius, которую мы также рассмотрим, присутствуют элементы системы и параллельного, и последовательного привода. При разработке Prius японские инженеры поставили перед собой две задачи – заставить авто проехать дальше и снизить уровень загрязнения окружающей среды. В определенной мере им это сделать удалось.
Работа в системе позволяет каждому источнику энергии работать в оптимальном режиме, обеспечивая автомобилю прекрасные ходовые качества и топливную экономичность. Восстановление энергии
Один из источников экономии – снижение потребляемой энергии. Однако гибридные технологии Lexus позволяют возвращать энергию, которая в обычных условиях теряется безвозвратно. В частности, при торможении электродвигатели действуют как генераторы, и с подачи блока управления силовой установкой энергия движения «перекачивается» обратно в батарею высокого напряжения.
Большая производительность благодаря двум источникам энергии
Гибридная силовая установка использует в своей работе два источника энергии: 6-цилиндровый бензиновый двигатель, соединенный с генератором, и электромотор, обладающий большим крутящим моментом.