О "гибридах" вкратце
Стремительный рост цен на топливо и постоянное ужесточение экологических норм заставляет автопроизводителей искать пути сделать автомобили экономичнее. Хотя иногда новое – хорошо забыто старое. К примеру, тот же электромобиль создали еще в конце XIX века, более ста лет выполнилось и гибридной силовой установке. Последнюю, к слову, стали активно внедрять в последние годы. Наиболее популярными такие модели являются в США, Японии и Западной Европе, но в последние годы их начали продавать и в Украине. Для начала нужно определиться, что являет собой гибридный автомобиль. Из энциклопедии узнаем, что это транспортное средство с двумя или более различными двигателями. Как правило, речь идет о двигателе внутреннего сгорания (бензиновом либо дизельном) и электрическом моторе.
Поначалу гибридную силовую установку разрабатывали не для автомобилей. С конца XIX века известны дизель-электрические подводные лодки: в надводном положении они использовали двигатель внутреннего сгорания, а в подводном – электромотор. А в тепловозах использована другая схема: дизель питает генератор, который вырабатывает энергию для электромоторов, размещенных в районе колесных тележек локомотива. Именно такой механизм и использовал в 1900 году для своего автомобиля Mixte гениальный конструктор Фердинанд Порше. В каждом колесе машины он установил по 2,5-сильному электрическому двигателю, но помимо бензинового мотора изобретатель оснастил Mixte еще и аккумуляторной батареей, позволявшей проехать до 65 км. Модель получилась тяжелой (1500 кг), но могла развить 60 км/ч. Порше даже на ней выиграл ралли Эксельберга 1901 года. А в 1915 году американская компания Woods начала продажи модели Dual Power. До скорости 24 км/ч она передвигалась на электротяге, а затем подключался бензиновый двигатель. За три года выпустили около 600 Dual Power.
На те времена технология оказалась неэффективной, ведь бензин стоил копейки, а уровень развития электродвигателей и аккумуляторных батарей был очень низким. Вспомнили о гибридных силовых установках во время топливного кризиса 70-х годов. В США на Buick Skylark 1972 года установили вспомогательный электромотор мощностью 21 л. с., что помогло снизить расход топлива в загородном цикле до 7,8 л/100 км. А в 1989 году увидел мир Audi 100 Avant Duo: его передние колеса приводил 2,3-литровый 134-сильный бензиновый мотор, а задние – 12,8-сильный электродвигатель. Аккумуляторные батареи можно было подзарядить как от двигателя внутреннего сгорания, так и от бытовой сети.
Настоящий переворот состоялся в январе 1997 года, когда на японском рынке появился Toyota Prius. Его оснастили 1,5-литровой 70-сильной бензиновой "четверкой" и электромотором мощностью 44 л. с. Средний расход топлива составил всего 5,7 л/100 км. За первый год выпустили 300 седанов, но модель начала быстро наращивать популярность и в 2000 году продали 19500 автомобилей, а в апреле 2008 года увидел мир миллионный Prius. Он и поныне остается самым популярным и массовым "гибридом". За Prius последовали другие подобные модели: в 1999 году представили Honda Insight, а два года спустя – Toyota Crown и Honda Civic Hybrid. Сейчас по всему миру в производстве находятся около 50 "гибридов" разных классов: от компактных хетчбэков до полноразмерных вседорожников и пикапов.
Сейчас, в зависимости от механизма работы, выделяют несколько основных типов гибридных силовых установок. Наиболее простыми являются так называемые умеренные "гибриды" (mild hybrid). Первой скрипкой здесь служит двигатель внутреннего сгорания, а на электромотор возложена сугубо вспомогательная функция. В частности, он дает прибавку в мощности при разгоне или помогает заглушить основной двигатель при остановке, ради снижения расхода топлива, а затем снова быстро завести его. Очень часто электромотор размещен между бензиновым двигателем и трансмиссией – это, по сути, обычный стартер, но с увеличенной мощностью. Для него не нужны большие аккумуляторные батареи и, к тому же, электричество вырабатывается по средствам системы регенеративного торможения. При замедлении высвобожденная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и пополняет запас батарей. Такой автомобиль не способен передвигаться исключительно на электротяге. "Умеренными гибридами" называют Honda Civic Hybrid и CR-Z, Mercedes-Benz S400 BlueHybrid, Chevrolet Malibu Hybrid и Silverado Hybrid.
Особенностью полных "гибридов" (full hybrids) является возросшая роль электромотора – он способен в одиночку передвигать автомобиль, пусть нередко запас хода в таком режиме не слишком большой. Существует несколько типов полных "гибридов". Параллельная силовая установка подразумевает независимую друг от друга работу двух двигателей, каждый из которых отдельно подключен к трансмиссии. Они способны одновременно передавать тягу к ведущим колесам. Электромотор здесь помимо основной функции также служит стартером, как и в умеренных "гибридах", но еще исполняет роль генератора – питает током усилитель руля или кондиционер. Электроэнергию для него хранят никель-металлогидридные либо литий-ионные аккумуляторы. Параллельным "гибридом" является Honda Insight первого поколения, а вот его наследник получил упрощенную силовую установку умеренного типа.
Наибольшей популярностью сейчас пользуются полные параллельно-последовательные "гибриды". Наиболее яркий представитель этого типа – Toyota Prius, также к нему относят Lexus CT2500h, RX450h и LS600h, Nissan Altima Hybrid, Toyota Highlander Hybrid. Особенность их силовых установок состоит в том, что бензиновый и электрический двигатели соединены планетарной передачей, что позволяет им взаимодействовать. То есть, электроника способна распределять процент мощности и крутящего момента, поступающий от них к ведущим колесам. В электрическом режиме 100% тяги направляется от электромотора, а при равномерном движении на автостраде колеса вращает только двигатель внутреннего сгорания. При разгоне задействованы оба мотора: например, бензиновый дает 60% тяги, а электрический – 40%. Электромотор здесь выполнен отдельно от генератора, а потому его функция – привести в движение автомобиль.
Наконец, четвертый тип – последовательная гибридная силовая установка. Она во многом повторяет разработку Фердинанда Порше, но в наши дни не слишком распространена на автомобилях. Ее используют в Chevrolet Volt и Opel Ampera, на очереди – Fisker Karma. В ней на первое место выходит электрический мотор – он все время передает тягу на ведущую ось. Заряда аккумуляторов Volt и Ampera достаточно, чтобы проехать 40-80 км, а затем подключается бензиновый мотор-генератор. Он не соединен с колесами, а работает на постоянных оборотах и вырабатывает электричество. Запаса топлива хватит для пробега в 530 км, а при надобности батарею можно подзарядить и от домашней 220-вольтной сети.
К последовательным "гибридам" иногда относят и Honda FCX Clarity. Схема работы его привода такая же, но вместо бензинового двигателя установлены водородные топливные ячейки. Их преимущество – полное отсутствие вредных веществ в выхлопе, ведь он состоит из водяного пара.
Естественно, главным достоинством гибридных силовых установок является снижение расхода топлива и уровня токсичности выхлопа. К тому же, электрический двигатель обладает большим крутящим моментом на низких оборотах, что обеспечивает лучшие тяговые характеристики и динамику разгона. Для лучшей эффективности силовой установки бензиновый двигатель может работать по циклу Аткинсона – с увеличенными тактами впуска и рабочего хода. Это делает его экономичнее и "чище".
Но не обошлось и без слабых сторон. Пожалуй, главная из них – высокая стоимость компонентов гибридного привода. Поэтому многие европейские производители менее активно развивают подобные системы, а сконцентрировались на усовершенствовании турбодизелей малого объема. В результате, появились модели вроде Volkswagen Polo BlueMotion со средним расходом топлива в 3,3 л/100 км и гораздо меньшей ценой. Вот почему две трети "гибридов" продаются в США, где дизельные легковые модели традиционно не пользуются популярностью.
Также нужно учитывать, что не все так хорошо и с экологической точки зрения. Ведь при производстве тех же аккумуляторов заводы выбрасывают в воздух огромное количество вредных веществ. Да и сами по себе батареи очень токсичны, а после завершения строка службы (а это около 100 тыс. км) их нужно как-то утилизировать. Кроме того, затруднена эксплуатация "гибридов" в сильные морозы, ведь известно, что при низких температурах аккумуляторы имеют свойство быстро разряжаться.
Но все эти недостатки можно назвать "детскими болезнями", ведь автомобили с гибридной силовой установкой начали активно развивать только в последние 15 лет. И их прогресс – налицо: за это время в мире выпустили свыше 3 миллионов "гибридов" и эта цифра продолжает расти.