Як працюють гібридні автомобілі: механіка, що забезпечує кращу паливну економічність
Ціна на бензині знову підскочила. Ви дивитеся на заправний пістолет, проводите уявні розрахунки і ставите питанням, чи не час назавжди відмовитися від двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ). Можливо, вам приходить в голову думка про обмін вашого повсякденного автомобіля на електромобіль з зарядним пристроєм (BEV), що підключається. Але страх перед нестачею запасу ходу реальність. Ви хочете ефективності. Ви хочете зменшити викиди. Ви не хочете бути прив’язаними до зарядної станції на 3:00 після поїздки.
На сцену виходить гібридний автомобіль.
Це проміжний варіант. Але що саме відбувається під капотом, щоб вичавити 20 чи 30 додаткових миль на галон бензину? Чи означає найкраща економія палива автоматично менший вуглецевий слід? І яке місце в цьому рівнянні займає гібрид, що підключається?
Ми розуміємо механіку бензиново-електричного гібрида. Ми розглянемо, як ці системи поєднують джерела енергії та як можна керувати таким автомобілем для максимізації ефективності.
Бензиновий привід проти електричного
Гібрид – це буквально гібрид. Він бере найкраще зі світу ДВС та поєднує його з електричною трансмісією. Щоб зрозуміти компроміс, треба поглянути крайні випадки.
Бензиновий автомобіль:
1. Бензобак містить бензин.
2. Бензин надходить у двигун.
3. Двигун обертає передачу.
4. Коробка передач обертає колеса.
Електричний автомобіль:
1. Батарея накопичує електрику.
2. Батареї живлять електромотор.
3. Електромотор повертає коробку передач.
4. Коробка передач обертає колеса.
Гібрид намагається зберегти зручність заправки на бензоколонці, одночасно різко скорочуючи витрату палива першого варіанта. Це баланс між щільністю енергії та електричним крутним моментом.
Анатомія бензиново-електричного гібрида
Гібриди – це не просто бензиновий двигун з невеликою батареєю, приєднаною збоку. Це складні системи. Ось основні компоненти, які забезпечують цю магію.
Бензиновий двигун
Він виглядає як стандартний двигун, але налаштований інакше. У гібридах зазвичай використовуються дрібніші двигуни – іноді чотирициліндрові там, де в звичайному автомобілі стояв би V6. Вони використовують передові технології для більш чистого та ефективного згоряння. Двигун який завжди є основним джерелом тяги.
Бензобак
Тут важлива густина енергії. Бензин має величезну енергоємність у порівнянні з батареями. Щоб накопичити стільки енергії, скільки міститься всього в одному галоні бензину, вам знадобиться близько 1000 фунтів (приблизно 454 кг) батарейних елементів. Така вага неприйнятна для більшості легкових автомобілів. Бензобак залишається основним джерелом енергії для далеких поїздок.
Електромотор
Це не прості стартери. Це складні пристрої, що керуються передовою електронікою. Електромотор у гібриді – це вулиця з двостороннім рухом. Він діє як двигун, споживаючи енергію від батарей для допомоги при розгоні автомобіля. Але він також може діяти як генератор. Коли ви відпускаєте педаль газу або натискаєте на гальмо, двигун змінює свою функцію. Він уловлює кінетичну енергію та повертає її назад у батареї. Це і є рекуперативне гальмування у дії.
Генератор
Відмінний від тягового електромотора, цей компонент виконує лише одне завдання – вироблення електрики. Він переважно зустрічається у послідовних гібридних схемах. Він не обертає колеса прямо.
Батареї
Вони нагромаджують енергію для електромотора. На відміну від бензобака, який віддає енергію, гібридна батарея може приймати енергію. Електромотор повертає енергію під час уповільнення, а бензиновий двигун може заряджати під час руху.
Коробка передач
Тут конструкції дуже різняться. Деякі гібриди використовують звичайні зубчасті коробки. Наприклад, Honda Insight використовує багатодіапазонну автоматичну коробку. Інші, такі як Toyota Prius, використовують принципово іншу архітектуру, яка безперервно змішує вхідні дані від двигуна та електромотора.
Паралельні гібриди
У паралельному гібриді обидва джерела енергії підключені до колес. Бензиновий двигун може обертати коробку передач. Електромотор може також обертати коробку передач. Вони можуть працювати разом.
На низьких швидкостях електродвигун може виконувати всю роботу. На високих швидкостях або різкому прискоренні одночасно включаються і двигун, і електромотор. Це найпростіший підхід. Ви отримуєте переваги електричного моменту, що крутить, без складної послідовної схеми.
Послідовні гібриди
Послідовні гібриди працюють інакше. Бензиновий двигун ніколи не приводить колеса в рух безпосередньо. Натомість він діє як подовжувач запасу ходу.
Бензиновий двигун обертає генератор. Цей генератор виробляє електрику. Ця електрика або заряджає батареї, або живить електромотор, який рухає трансмісію. По суті, це електромобіль із вбудованим бензиновим генератором. Така схема дозволяє двигуну постійно працювати на найбільш ефективних оборотах, незалежно від швидкості автомобіля, але це вносить втрати ефективності процес перетворення енергії.
Парадокс ефективності малих двигунів
Секретний інгредієнт стратегії продуктивності гібридного автомобіля полягає не просто в додаванні електрики, а в зменшенні розміру двигуна внутрішнього згоряння. Звичайному автомобілю потрібен великий, ненажерливий двигун, щоб генерувати достатній момент, що крутить, для швидкого розгону. У гібриді замість V-8 використовується компактний чотирициліндровий або навіть трициліндровий агрегат.
Чому зменшення розміру двигуна підвищує ефективність? Це зводиться до фізики та тертя. Великий двигун важкий. Щоразу, коли ви розганяєтеся або піднімаєтесь в гору, ви тягнете за собою цей зайвий метал. Всередині блоку великі поршні та колінчасті вали вимагають більше енергії для руху вгору та вниз. Більший робочий об’єм циліндрів означає, що за кожен такт упорскується більше палива. І не варто забувати про самі циліндри – кожен з них спрацьовує і спалює паливо, навіть коли автомобіль стоїть на холостому ході або котиться за інерцією.
Два однакові автомобілі, різні двигуни. На шосе при швидкості 65 миль/год обом потрібно однакова потужність підтримки швидкості. Але менший двигун витрачає менше палива просто для своєї роботи. Він працює ближче до свого максимального навантаження, де теплова ефективність найбільш висока, тоді як великий двигун працює на низьких, неефективних обертах.
Подолання розриву в потужності
Так як tiny двигун справляється з Camaro ZL1? Він не справляється. І йому не потрібне.
У традиційному автомобілі двигун розрахований на пікову продуктивність. Ви вдавлюєте педаль газу в підлогу на з’їзді з шосе, і великий V-8 реве, забезпечуючи максимальний момент, що крутить. Але сувора правда: більшість водіїв використовують цю пікову потужність менше 1% часу. Решта поїздки – це поїздки на роботу, рух у звичайному режимі та холостий хід.
Гібриди поділяють потужність та необхідність. Бензиновий двигун розрахований на середні вимоги до потужності – достатньо, щоб підтримувати рух автомобіля на шосе. Коли вам потрібно швидко злитися з потоком або подолати крутий підйом, вмикається електромотор. Він забезпечує миттєвий момент, що крутить, якого не вистачає маленькому бензиновому двигуну. Це синергія означає, що двигун ніколи не доводиться бути надмірно потужним для рідкісних подій з високим попитом.
П’ять тактик для максимізації пробігу на галоні
Крім заміни двигуна, гібриди використовують специфічні технології, щоб вичавити кожну милю з галону палива. Деякі з них – стандартні прийоми економії, інші – ексклюзивні для гібридів.
1. Рекуперативне гальмування: Уловлювання втраченої енергії
Коли ви гальмуйте, ви, по суті, викидаєте енергію, кінетична енергія перетворюється на тепло в гальмівних колодках і розсіюється в повітрі. У гібриді ця енергія не втрачається.
Система використовує рекуперативне гальмування. Коли ви відпускаєте педаль акселератора або трохи натискаєте на гальмо, електромотор змінює свою функцію. Замість споживати енергію для обертання коліс, він діє як генератор. Опір уповільнює автомобіль, одночасно заряджаючи високовольтну батарею. Ви вловлюєте енергію, яка б інакше зникла безслідно.
2. Автоматична система старт-стоп: Усунення холостого ходу
Робота на холостому ходу – це марнотратство палива. Робота не виконується, але двигун спалює бензин. Гібриди з просунутими системами старт-стоп повністю вимикають двигун, коли автомобіль зупиняється, наприклад, на червоному світлофорі або в пробці. Як тільки ви відпускаєте гальмо, електромотор або стартер вмикається, плавно перезапускаючи двигун. Бензин не спалюється, поки автомобіль стоїть на місці.
3. Зниження аеродинамічного опору
На високих швидкостях аеродинамічний опір – головний ворог. Основне завдання двигуна – не просто рухати автомобіль, а проштовхувати його крізь повітря.
Гібриди часто мають нижчу лінію даху, гладкі панелі днища та навіть закриті колісні арки. Ці дизайнерські рішення зменшують фронтальну площу та вирівнюють потік повітря. Найменший опір означає, що двигуну не потрібно так сильно працювати для підтримки швидкості, що безпосередньо покращує паливну економічність.
4. Шини з низьким опором коченню
Стандартні шини – це компроміс. Вони мають бути тихими, комфортними та забезпечувати зчеплення у дощ чи сніг. Вони створені задля ефективності. Гібридні автомобілі використовують спеціалізовані шини із низьким опором коченню. Вони жорсткіші і часто накачані до вищого тиску. Це знижує вигин боковин та тертя у плямі контакту, дозволяючи автомобілю проїхати більшу відстань за менших витрат енергії.
5. Зниження ваги
Вага – вбивця паливної економічності. Більш легкого автомобіля потрібно менше енергії для розгону і менше енергії для підйому в гору. Виробники використовують легкі матеріали, такі як алюміній, магній та композитні пластини, в кузові та шасі. Кожен скинутий фунт дає невелике, але кумулятивне збільшення пробігу на галоні.
Серцебиття Prius
Пристрій поділу потужності – це справжнє серце Toyota Prius. Його треба шанувати. Це розумна коробка передач, яка поєднує бензиновий двигун, генератор та електродвигун в один компактний вузол. Саме тут стається магія. Воно дозволяє автомобілю працювати як паралельний гібрид. Електродвигун може рухати автомобіль самостійно, бензиновий двигун також може робити це сам, або вони можуть працювати разом. Це гнучко.
Воно також діє як послідовний гібрид. Бензиновий двигун може працювати незалежно від швидкості автомобіля. Він просто заряджає батареї або забезпечує потужність колесам у міру потреби. Це ефективно.
Пристрій поділу потужності діє як безступінчаста трансмісія. Це усуває необхідність механічної або автоматичної коробки передач. Жодних перемикань. Жодної педалі зчеплення. Просто плавна передача потужності. Нарешті, оскільки пристрій розподілу потужності дозволяє генератору запускати двигун, автомобілю не потрібен стартер. Ця частина просто відсутня.
Пристрій поділу потужності є планетарним редуктором. Він складний, але елегантний. Електродвигун з’єднаний з кільцевою шестернею редуктора. Він також безпосередньо з’єднаний із диференціалом. Цей диференціал наводить колеса у рух. Таким чином, швидкість автомобіля визначається швидкістю обертання електродвигуна та кільцевої шестерні. Проста фізика. Потужні результати.
Механічним серцем гібридної системи Toyota є пристрій поділу потужності (power split device) – планетарний редуктор, який керує потоком енергії між двигуном, генератором та тяговим електродвигуном. Це не традиційна трансмісія з перемиканням передач. Натомість це механізм безступінчастої трансмісії (CVT), де сонячна шестерня з’єднана з генератором, а водило сателітів пов’язане з бензиновим двигуном. Коронна шестерня? Вона з’єднана з вихідним валом, який зрештою приводить колеса в рух.
Оскільки ці три компоненти механічно жорстко пов’язані, вони можуть рухатися незалежно друг від друга. Швидкість обертання коронної шестерні дорівнює сумі швидкостей двох інших. Вони мають постійно узгоджувати свої рухи. Якщо одна з них прискорюється, решта має змінити швидкість обертання, щоб зберегти фізичну коректність роботи системи. Саме так система регулює вихідну швидкість без використання традиційного зчеплення чи коробки передач.
Коли ви натискаєте на педаль акселератора зі стоянки, бензиновий двигун залишається вимкненим. Всю роботу виконують електродвигун та акумуляторна батарея. Електродвигун з’єднаний з коронною шестернею, тому він починає обертатися негайно, штовхаючи автомобіль уперед. Але в чому хитрість: водило сателітів, прикріплене до двигуна, нерухомо. Двигун ще не працює.
Оскільки коронна шестерня обертається, а водило сателітів зафіксовано на місці, сателіти змушені обертатись навколо своїх власних осей. Це обертання приводить у рух сонячну шестерню. Сонячна шестерня з’єднана із генератором. Таким чином, при розгоні в електричному режимі генератор починає набирати обертів. Він ще виробляє електрику для зарядки батареї; він просто обертається, щоб підтримувати відключення двигуна. Генератор обертається з такою швидкістю, яка необхідна для компенсації руху коронної шестерні щодо водила сателітів. Це тримає вал двигуна абсолютно нерухомим. Це елегантний механічний трюк.
Коли вмикається двигун
Цей режим руху лише електрикою триває до швидкості близько 40 миль/ч (64 км/ч). У цей момент система вирішує підключити бензиновий двигун. Генератор раптово змінює швидкість обертання. Ця зміна порушує баланс планетарного редуктора. Сила, що передається через шестерні, тепер змушує обертатися води сателітів.
Водило сателітів жорстко пов’язане з колінчастим валом двигуна. Тому як тільки воно починає обертатися, двигун запускається. Перехід відбувається плавно, тому що двигун уже обертається трансмісією до моменту його запуску. Для розкручування двигуна не потрібен стартер; гібридна система виконує функцію стартера.
Після того, як двигун вийшов на холостий хід і запрацював, він стабілізується на постійній швидкості. Генератор постійно змінює свою швидкість, щоб відповідати потребам тягового електродвигуна і коліс. Це дозволяє двигуну працювати в найбільш ефективному діапазоні обертів, незалежно від того, наскільки швидко їде автомобіль. Генератор варіює свою швидкість, щоб синхронізувати вихідну потужність із електродвигуном, забезпечуючи відсутність необхідності перевантажувати двигун або різко підвищувати оберти.
Якщо ви сильно натиснете на педаль акселератора, електродвигун візьме додатковий струм із високовольтної батареї для забезпечення додаткового моменту, що крутить. Але як тільки ви досягнете швидкості руху по автомагістралі, автомобіль працюватиме на суміші бензину та електрики. Вся електроенергія, використовувана цьому етапі, виробляється генератором, який обертається двигуном. Батарея діє як буфер, накопичуючи енергію при гальмуванні та віддаючи її під час розгону.
Скільки кінських сил вам дійсно потрібно?
Існує величезний розрив між потужністю, вказаною на шильдику автомобіля, та потужністю, фактично необхідною для підтримки швидкості на шосе. Більшість роботи, яку виконує автомобіль на дорозі, використовує лише малу частку від його загальної вихідної потужності.
Коли ви рухаєтеся рівною дорогою зі швидкістю 60 миль/год (96,6 км/год), ваш двигун долає три основні сили:
- Аеродинамічний опір. Опір повітря збільшується пропорційно квадрату швидкості. Подолання опору повітря потребує потужності.
- Механічне тертя. Сюди входить опір коченню шин, тертя в трансмісії, осях та гальмівних супортах.
- Навантаження від допоміжних пристроїв. Компресор кондиціонера, насос гідропідсилювача керма та електричні системи споживають енергію від двигуна.
Для більшості сучасних седанів подолання цих сил на швидкості 60 миль/год потребує менше 20 кінських сил. То чому ж виробники виробляють двигуни потужністю 200 кінських сил? Тому що вам потрібний запас потужності для обгону, злиття з потоком на шосе або розгону на перехрестях. Момент, коли ви «підлогу» (floor it), — це єдиний час, коли ви використовуєте потужність, близьку до максимальної. У переважній більшості випадків водіння ви використовуєте лише невеликий відсоток доступної потужності.
Саме цей розрив у ефективності робить гібриди такими привабливими. Вони використовують електродвигун для задоволення потреб на низьких швидкостях при високому моменті, що крутить, що в іншому випадку призвело б до марнотратної витрати палива.
Поради щодо економії палива в гібриді: Водіння заради ефективності
Бажання швидкого розгону є ворогом паливної економічності. Ви, мабуть, помічали це в автосалонах. Автомобіль з меншим, менш потужним двигуном часто має кращі показники витрати палива у місті та на трасі, ніж ідентична модель з турбованим або більшим двигуном. Великий потенціал потужності означає, що спалюється більше палива для створення цього потенціалу, навіть якщо ви не користуєтеся ним.
Щоб отримати максимальну економічність від гібрида, вам не потрібний новий автомобіль. Вам просто потрібні інші звички. Принципи ті ж, що і для будь-якого бензинового автомобіля, але гібридна система посилює вигоду від їх дотримання.
Їдьте повільніше
Аеродинамічний опір – головний фактор ефективності на трасі. Сила опору повітря різко зростає із збільшенням швидкості. При швидкості 70 миль/год (113 км/год) опір приблизно вдвічі більше, ніж за 50 миль/ч (81 км/год). Подвоєння опору не подвоює потрібну потужність, але значно збільшує її. Зниження швидкості навіть на 5–10 миль/год може дати вимірний приріст економії палива (миль на галон).
Підтримуйте постійну швидкість
Щоразу, коли ви розганяєтеся, ви витрачаєте енергію збільшення кінетичної енергії. При гальмуванні ця енергія розсіюється як тепла. У гібриді рекуперативне гальмування повертає частину цієї енергії, але не всю. Підтримуючи постійну швидкість, ви мінімізуєте втрати енергії на цикли гальмування та розгону. Круїз-контроль допомагає, але ваша нога часто справляється краще. Передбачайте рух потоку і тримайте педаль рівно.
Уникайте різких зупинок
Тут гібриди особливо добрі. При плавному гальмуванні електродвигун працює як генератор. Він чинить опір обертанню коліс, уповільнюючи автомобіль і перетворюючи кінетичну енергію назад в електрику, яка надходить у батарею. Чим сильніше і швидше ви гальмуйте, тим більше навантаження посідає механічні гальма. Механічні гальма перетворюють цю енергію на тепло і повністю її втрачають.
Якщо ви даєте електродвигуну час уповільнити автомобіль, він відновлює більше енергії. Це вірно і для бензинових автомобілів, але ефект більш виражений у гібридах, оскільки відновлена енергія використовується для наступного розгону. Плавні дії педалі – це не лише питання комфорту. Це питання ефективності.
Джерела
–
