Глава 2. Гибридные силовые установки транспортных средств

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.