Гибридная трансмиссия

Перемещение на собственном автомобиле буквально с каждым днем становится все дороже и дороже. Мировые запасы нефти заканчиваются, и в дальнейшем нефтепродукты будут только дорожать и никак иначе. Кроме того, экологи без устали  напоминают о глобальном потеплении и винят в этом по большей части автомобильные двигатели внутреннего сгорания, которые, по их мнению, являются массовым источником углекислого газа, создающего "парниковый эффект". И сегодня это уже не просто заголовки в газетах. В 1997 году главами 161-го государства был подписан Киотский протокол, в котором страны обязываются сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов в 2008–2012 годах по сравнению с 1990 годом.

Как альтернативу углеводородным двигателям рассматривают электромоторы. Их экологичность почти ни у кого не вызывает вопросов и кроме того, для вырабатывания электричества нет необходимости сжигать нефтепродукты. Ведь на сегодняшний день 90% энергии человек получает как раз в результате горения различных веществ. Из них 70% – нефтепродукты, 20% – уголь и газ. Причем, последние также имеют ограниченные запасы.

По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электродвигатели имеют больший КПД, меньший вес, одинаковый крутящий момент, доступный во всем диапазоне оборотов, а значит нет необходимости в изменении передаточного отношения, то есть в коробке передач.

Однако с использованием  электромоторов есть свои сложности. Для автономного, независимого существования автомобилей, требуемое количество электро-энергии необходимо хранить в батареях. Последние имеют большой вес и от-нимают долю полезного объема. Заряда недорогих батарей хватает на небольшие расстояния (в лучшем случае на 200 км), и то при соответствующих климатических условиях: в холодных странах аккумуляторы садятся гораздо быстрее, чем в жарких, а также значительную долю отбирают электроприборы, служащие для обогрева салона. Кроме того, процесс подзарядки долгий и специализированных мест для этого пока нет. Батареи, заряд которых позволяет проехать автомобилю большие расстояния, стоят намного дороже, и здесь счет идет уже на сотни тысяч долларов, что делает такую затею невыгодной.
И все же от идеи использования электротяги некоторые автомобильные компании не отказались. Ими были приняты компромиссные решения – двигатели внутреннего сгорания под капотами автомобилей не тронули, но добавили электромоторы. Такие автомобили называются гибридными (от лат. hibrida – помесь).

Первый проект гибридного автомобиля был изобретен Фердинандом Порше еще в 1900 году. Его модель Lohner-Porsche имела бензиновый двигатель, а в ступицы колес были вмонтированы электромоторы. В то время развитие этого проекта из-за высокой стоимости производства дальше экспериментального образца не пошло.

Под капотами современных "гибридов" скрываются: двигатель внутреннего сгорания, электромотор-генератор, планетарный механизм и тяговый электродвигатель. Двигатель внутреннего сгорания вращает генератор, а тот либо заряжает батареи, либо приводит в действие тяговый электродвигатель.

На сегодня существует два типа гибридных силовых установок – последовательная и параллельная. В первом случае ведущие колеса приводятся в движение за счет тяговых электромоторов, а двигатель внутреннего сгорания только вращает генератор. Во втором варианте колеса могут приводиться в движение как двигателем внутреннего сгорания, так и электромотором. В таком случае "гибридно-совместный привод", состоящий из электромотора-генератора, планетарного механизма и тягового электромотора плавно перераспределяет мощность между узлами, выполняя заодно задачи бесступенчатой трансмиссии. На данный момент почти все гибриды строятся именно по такой схеме.
Некоторые полноприводные автомобили не имеют сложных дифференциалов и раздаточных коробок, вместо них на задний мост устанавливается дополнительный тяговый электромотор, который включается при необходимости.

Алгоритм работы гибридной трансмиссии следующий. Повернув ключ, под капотом нельзя услышать звуков работающего двигателя, но можно смело давить на педаль акселератора. В зависимости от силы и скорости нажатия, автомобиль может начинать движение только при помощи тяги электромоторов, получающих энергию от аккумуляторных батарей, либо, для достижения максимальных динамических характеристик, подключается двигатель внутреннего сгорания. В таком случае мощность суммируется. При достижении скорости, составляющей примерно 40–50 км/ч, тяговые усилия создает только двигатель внутреннего сгорания. Электродвигатель в таком случае может ему лишь помогать.

Во время торможения двигатель внутреннего сгорания "глохнет", а электромотор работает как генератор, преобразуя кинетическую энергию в электрическую. Или же, как называют этот процесс – рекуперация. В этот момент происходит подзарядка батарей. Помимо использования энергии торможения для повторного применения, для владельцев это еще означает и больший срок эксплуатации тормозных колодок.

Во время остановки двигатель внутреннего сгорания автоматически выключается, в целях экономии топлива.

В случае, когда заряда тяговой батареи недостаточно, автомобиль приводится в движение только за счет двигателя внутреннего сгорания.
Грубо говоря, гибридные автомобили обладают преимуществами как бензиновых, так и электромобилей. Расход топлива снижается примерно на 25%, а выброс вредных веществ в атмосферу – на 90%. Экономия топлива достигается за счет снижения рабочего объема (мощности) двигателя внутреннего сгорания, его работы в равномерном, оптимальном режиме и паузами, когда он не работает вообще. 

КПД гибридной установки находится где-то посередине между показателями двигателей внутреннего сгорания и электромоторов. Максимальный крутящий момент – во всем диапазоне оборотов, отсутствует КПП, и, самое главное, – есть возможность рекуперации энергии. Также гибриды лишены одного из главных недостатков электромобилей – зарядка аккумулятора, когда необходим специальный пункт. Подзарядка их батарей производится за счет двигателя внутреннего сгорания.

Однако "гибрид" наиболее выгоден при езде в условиях постоянных остановок и стартов, а точнее, в городе, где не требуется больших мощностей, и основную долю тяги создают бесшумные электромоторы. В этом случае, автомобиль примерно 80% времени находится в режиме электромобиля. Используя гибридный автомобиль в таких режимах, его владельцу доступны все преимущества электромобиля, без его главного недостатка – небольшого пробега на одной зарядке. А вот на трассе такой автомобиль ничуть не отличается от других, так как здесь тягу создает только двигатель внутреннего сгорания.
Конечно, не обошлось и без других минусов. Главным образом – очень сложная конструкция привода, что приводит к увеличению цены на автомобиль, и к последующему более дорогому обслуживанию.

Кроме того, такие автомобили боятся воды, так как ее попадание может привести к короткому замыканию батареи. Поэтому форсировать брод на гибридном вседорожнике нежелательно. "Гибриды" не любят большие паузы в работе. Двухнедельный простой может обернуться для владельца севшей батареей. Привычного стартера здесь нет, его роль играет электромотор-генератор, а с "толкача" машину также не завести, поэтому поездка на подзарядку на эвакуаторе гарантирована.

Тем не менее, "гибридизация" настолько становится последнее время популярной, что некоторые фирмы предлагают переоборудовать обычные автомобили в гибридные самостоятельно. Так,  без особых изменений конструкции и всего за несколько часов, при помощи набора специальных деталей, компания Poulsen hybrid предлагает клиентам из обычного автомобиля сделать экономичный "гибрид". Вспомогательная система состоит из свинцовой батареи и внешних дисковых электромоторов, которые устанавливаются на колеса, каждый мощностью 7 л. с. При движении электромоторы помогают штатному двигателю, установленному на автомобиле. Учитывая, что на скорости 90–100 км/ч тратится всего 10–15 л. с., они могут обеспечивать 80% необходимой энергии. Во время тестов расход топлива автомобилей, оборудованных такой системой составил 2,0–2,5 литра на 100 км пробега.

И все же, пока что такие автомобили пользуются популярностью в основном в Японии и США. Во-первых, в этих странах подходящий климат, а во-вторых, государства поощряют владельцев таких автомобилей различного рода льготами. Поэтому сегодня быть может в других странах покупать такую машину и не совсем выгодно, но не стоит забывать о том, что нефть дорожает с каждым днем и будущее все равно за автомобилями, которые в меньшей доле используют углеводороды в качестве источника энергии.