Цена на бензине снова подскочила. Вы смотрите на заправочный пистолет, проводите мысленные расчеты и задаетесь вопросом, не пора ли навсегда отказаться от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Возможно, вам приходит в голову мысль об обмене вашего повседневного автомобиля на электромобиль с подключаемым зарядным устройством (BEV). Но страх перед недостатком запаса хода реальность. Вы хотите эффективности. Вы хотите снизить выбросы. Вы не хотите быть привязанными к зарядной станции на три часа после поездки.
На сцену выходит гибридный автомобиль.
Это промежуточный вариант. Но что именно происходит под капотом, чтобы выжать 20 или 30 дополнительных миль на галлон бензина? Означает ли лучшая экономия топлива автоматически меньший углеродный след? И какое место в этом уравнении занимает подключаемый гибрид?
Мы разбираем механику бензиново-электрического гибрида. Мы рассмотрим, как эти системы объединяют источники энергии и как можно управлять таким автомобилем для максимизации эффективности.
Бензиновый привод против электрического
Гибрид — это буквально гибрид. Он берет лучшее из мира ДВС и сочетает его с электрической трансмиссией. Чтобы понять компромисс, нужно взглянуть на крайние случаи.
Бензиновый автомобиль:
1. Бензобак содержит бензин.
2. Бензин поступает в двигатель.
3. Двигатель вращает коробку передач.
4. Коробка передач вращает колеса.
Электрический автомобиль:
1. Батарея накапливает электричество.
2. Батареи питают электромотор.
3. Электромотор вращает коробку передач.
4. Коробка передач вращает колеса.
Гибрид пытается сохранить удобство заправки на бензоколонке, одновременно резко сокращая расход топлива первого варианта. Это баланс между плотностью энергии и электрическим крутящим моментом.
Анатомия бензиново-электрического гибрида
Гибриды — это не просто бензиновый двигатель с небольшой батареей, присоединенной сбоку. Это сложные системы. Вот основные компоненты, обеспечивающие эту магию.
Бензиновый двигатель
Он выглядит как стандартный двигатель, но настроен иначе. В гибридах обычно используются более мелкие двигатели — иногда четырехцилиндровые там, где в обычном автомобиле стоял бы V6. Они используют передовые технологии для более чистого и эффективного сгорания. Двигатель не всегда является основным источником тяги.
Бензобак
Здесь важна плотность энергии. Бензин обладает огромной энергоемкостью по сравнению с батареями. Чтобы накопить столько же энергии, сколько содержится всего в одном галлоне бензина, вам понадобится около 1000 фунтов (примерно 454 кг) батарейных элементов. Такой вес неприемлем для большинства легковых автомобилей. Бензобак остается основным источником энергии для дальних поездок.
Электромотор
Это не простые стартеры. Это сложные устройства, управляемые передовой электроникой. Электромотор в гибриде — это улица с двусторонним движением. Он действует как мотор, потребляя энергию от батарей для помощи при разгоне автомобиля. Но он также может действовать как генератор. Когда вы отпускаете педаль газа или нажимаете на тормоз, мотор меняет свою функцию. Он улавливает кинетическую энергию и возвращает ее обратно в батареи. Это и есть рекуперативное торможение в действии.
Генератор
Отличный от тягового электромотора, этот компонент выполняет только одну задачу — выработку электричества. Он в основном встречается в последовательных гибридных схемах. Он не вращает колеса напрямую.
Батареи
Они накапливают энергию для электромотора. В отличие от бензобака, который только отдает энергию, гибридная батарея может принимать энергию. Электромотор возвращает энергию во время замедления, а бензиновый двигатель может заряжать ее во время движения.
Коробка передач
Здесь конструкции сильно различаются. Некоторые гибриды используют обычные зубчатые коробки передач. Например, Honda Insight использует многодиапазонную автоматическую коробку. Другие, такие как Toyota Prius, используют принципиально иную архитектуру, которая непрерывно смешивает входные данные от двигателя и электромотора.
Параллельные гибриды
В параллельном гибриде оба источника энергии подключены к колесам. Бензиновый двигатель может вращать коробку передач. Электромотор может также вращать коробку передач. Они могут работать вместе.
На низких скоростях электромотор может выполнять всю работу. На высоких скоростях или при резком ускорении одновременно включаются и двигатель, и электромотор. Это простой подход. Вы получаете преимущества электрического крутящего момента без сложной последовательной схемы.
Последовательные гибриды
Последовательные гибриды работают иначе. Бензиновый двигатель никогда не приводит колеса в движение напрямую. Вместо этого он действует как удлинитель запаса хода.
Бензиновый двигатель вращает генератор. Этот генератор вырабатывает электричество. Это электричество либо заряжает батареи, либо питает электромотор, который приводит в движение трансмиссию. По сути, это электромобиль со встроенным бензиновым генератором. Такая схема позволяет двигателю постоянно работать на наиболее эффективных оборотах, независимо от скорости автомобиля, но это вносит потери эффективности в процесс преобразования энергии.
Парадокс эффективности малых двигателей
Секретный ингредиент стратегии производительности гибридного автомобиля заключается не просто в добавлении электричества, а в уменьшении размера двигателя внутреннего сгорания. Обычному автомобилю нужен большой, прожорливый двигатель, чтобы генерировать достаточный крутящий момент для быстрого разгона. В гибриде вместо V-8 используется компактный четырехцилиндровый или даже трехцилиндровый агрегат.
Почему уменьшение размера двигателя повышает эффективность? Это сводится к физике и трению. Большой двигатель тяжел. Каждый раз, когда вы разгоняетесь или поднимаетесь в гору, вы тащите за собой этот лишний металл. Внутри блока крупные поршни и коленчатые валы требуют больше энергии для движения вверх и вниз. Больший рабочий объем цилиндров означает, что за каждый такт впрыскивается больше топлива. И не стоит забывать о самих цилиндрах — каждый из них срабатывает и сжигает топливо, даже когда автомобиль стоит на холостом ходу или катится по инерции.
Два одинаковых автомобиля, разные двигатели. На шоссе при скорости 65 миль/ч обоим требуется одинаковая мощность для поддержания скорости. Но меньший двигатель расходует меньше топлива просто для собственной работы. Он работает ближе к своей максимальной нагрузке, где тепловая эффективность наиболее высока, в то время как большой двигатель работает на низких, неэффективных оборотах.
Преодоление разрыва в мощности
Так как крошечный двигатель справляется с Camaro ZL1? Он не справляется. И ему не нужно.
В традиционном автомобиле двигатель рассчитан на пиковую производительность. Вы вдавливаете педаль газа в пол на съезде с шоссе, и большой V-8 ревёт, обеспечивая максимальный крутящий момент. Но вот суровая правда: большинство водителей используют эту пиковую мощность менее 1% времени. Остальная часть поездки — это поездки на работу, движение в обычном режиме и холостой ход.
Гибриды разделяют мощность и необходимость. Бензиновый двигатель рассчитан на средние требования к мощности — достаточно, чтобы поддерживать движение автомобиля на шоссе. Когда вам нужно быстро слиться с потоком или преодолеть крутой подъем, включается электромотор. Он обеспечивает мгновенный крутящий момент, которого не хватает маленькому бензиновому двигателю. Это синергия означает, что двигателю никогда не приходится быть избыточно мощным для редких событий с высоким спросом.
Пять тактик для максимизации пробега на галлоне
Помимо замены двигателя, гибриды используют специфические технологии, чтобы выжать каждую милю из галлона топлива. Некоторые из них — стандартные приемы экономии, другие — эксклюзивны для гибридов.
1. Рекуперативное торможение: Улавливание потерянной энергии
Когда вы тормозите, вы, по сути, выбрасываете энергию кинетическая энергия превращается в тепло в тормозных колодках и рассеивается в воздухе. В гибриде эта энергия не теряется.
Система использует рекуперативное торможение. Когда вы отпускаете педаль акселератора или слегка нажимаете на тормоз, электромотор меняет свою функцию. Вместо того чтобы потреблять энергию для вращения колес, он действует как генератор. Сопротивление замедляет автомобиль, одновременно заряжая высоковольтную батарею. Вы улавливаете энергию, которая иначе исчезла бы бесследно.
2. Автоматическая система старт-стоп: Устранение холостого хода
Работа на холостом ходу — это расточительство топлива. Работа не выполняется, но двигатель сжигает бензин. Гибриды с продвинутыми системами старт-стоп полностью выключают двигатель, когда автомобиль останавливается — например, на красном светофоре или в пробке. Как только вы отпускаете тормоз, электромотор или стартер включается, плавно перезапуская двигатель. Бензин не сжигается, пока автомобиль стоит на месте.
3. Снижение аэродинамического сопротивления
На высоких скоростях аэродинамическое сопротивление — главный враг. Основная задача двигателя — не просто двигать автомобиль, а проталкивать его сквозь воздух.
Гибриды часто имеют более низкую линию крыши, гладкие панели днища и даже закрытые колесные арки. Эти дизайнерские решения уменьшают фронтальную площадь и выравнивают поток воздуха. Меньшее сопротивление означает, что двигателю не нужно так сильно работать для поддержания скорости, что напрямую улучшает топливную экономичность.
4. Шины с низким сопротивлением качению
Стандартные шины — это компромисс. Они должны быть тихими, комфортными и обеспечивать сцепление в дождь или снег. Они не созданы для эффективности. Гибридные автомобили используют специализированные шины с низким сопротивлением качению. Они более жесткие и часто накачаны до более высокого давления. Это снижает изгиб боковин и трение в пятне контакта, позволяя автомобилю проехать большее расстояние при меньших затратах энергии.
5. Снижение веса
Вес — убийца топливной экономичности. Более легкому автомобилю требуется меньше энергии для разгона и меньше энергии для подъема в гору. Производители используют легкие материалы, такие как алюминий, магний и композитные пластины, в кузове и шасси. Каждый сброшенный фунт дает небольшое, но кумулятивное увеличение пробега на галлоне.
Сердцебиение Prius
Устройство разделения мощности — это настоящее сердце Toyota Prius. Его нужно уважать. Это умная коробка передач, которая объединяет бензиновый двигатель, генератор и электродвигатель в один компактный узел. Именно здесь происходит магия. Оно позволяет автомобилю работать как параллельный гибрид. Электродвигатель может приводить автомобиль в движение самостоятельно, бензиновый двигатель также может делать это сам, или они могут работать вместе. Это гибко.
Оно также действует как последовательный гибрид. Бензиновый двигатель может работать независимо от скорости автомобиля. Он просто заряжает батареи или обеспечивает мощность колесам по мере необходимости. Это эффективно.
Устройство разделения мощности также действует как бесступенчатая трансмиссия. Это устраняет необходимость в механической или автоматической коробке передач. Никаких переключений. Никакой педали сцепления. Просто плавная передача мощности. Наконец, поскольку устройство разделения мощности позволяет генератору запускать двигатель, автомобилю не нужен стартер. Эта часть просто отсутствует.
Устройство разделения мощности представляет собой планетарный редуктор. Он сложен, но элегантен. Электродвигатель соединен с кольцевой шестерней редуктора. Он также напрямую соединен с дифференциалом. Этот дифференциал приводит колеса в движение. Таким образом, скорость автомобиля определяется скоростью вращения электродвигателя и кольцевой шестерни. Простая физика. Мощные результаты.
Механическим сердцем гибридной системы Toyota является устройство разделения мощности (power split device) — планетарный редуктор, который управляет потоком энергии между двигателем, генератором и тяговым электродвигателем. Это не традиционная трансмиссия с переключением передач. Вместо этого это механизм бесступенчатой трансмиссии (CVT), где солнечная шестерня соединена с генератором, а водило сателлитов связано с бензиновым двигателем. Коронная шестерня? Она соединена с выходным валом, который в конечном итоге приводит колеса в движение.
Поскольку эти три компонента механически жестко связаны, они не могут двигаться независимо друг от друга. Скорость вращения коронной шестерни равна сумме скоростей двух других. Они должны постоянно согласовывать свои движения. Если одна из них ускоряется, остальные должны изменить скорость вращения, чтобы сохранить физическую корректность работы системы. Именно так система регулирует выходную скорость без использования традиционного сцепления или коробки передач.
Когда вы нажимаете на педаль акселератора со стоянки, бензиновый двигатель остается выключенным. Всю работу выполняют электродвигатель и аккумуляторная батарея. Электродвигатель соединен с коронной шестерней, поэтому он начинает вращаться немедленно, толкая автомобиль вперед. Но вот в чем хитрость: водило сателлитов, прикрепленное к двигателю, неподвижно. Двигатель еще не работает.
Поскольку коронная шестерня вращается, а водило сателлитов зафиксировано на месте, сателлиты вынуждены вращаться вокруг своих собственных осей. Это вращение приводит в движение солнечную шестерню. Солнечная шестерня соединена с генератором. Таким образом, при разгоне в электрическом режиме генератор начинает набирать обороты. Он еще не вырабатывает электричество для зарядки батареи; он просто вращается, чтобы поддерживать отключение двигателя. Генератор вращается с точно такой скоростью, которая необходима для компенсации движения коронной шестерни относительно водила сателлитов. Это держит вал двигателя абсолютно неподвижным. Это элегантный механический трюк.
Когда включается двигатель
Этот режим движения только на электричестве длится до скорости около 40 миль/ч (64 км/ч). В этот момент система принимает решение подключить бензиновый двигатель. Генератор внезапно меняет скорость вращения. Это изменение нарушает баланс планетарного редуктора. Сила, передаваемая через шестерни, теперь заставляет вращаться водило сателлитов.
Водило сателлитов жестко связано с коленчатым валом двигателя. Поэтому, как только оно начинает вращаться, двигатель запускается. Переход происходит плавно, потому что двигатель уже вращается трансмиссией до момента его запуска. Для раскрутки двигателя не нужен стартер; гибридная система выполняет функцию стартера.
После того как двигатель вышел на холостой ход и заработал, он стабилизируется на постоянной скорости. Генератор теперь постоянно изменяет свою скорость, чтобы соответствовать потребностям тягового электродвигателя и колес. Это позволяет двигателю работать в наиболее эффективном диапазоне оборотов, независимо от того, насколько быстро едет автомобиль. Генератор варьирует свою скорость, чтобы синхронизировать выходную мощность с электродвигателем, обеспечивая отсутствие необходимости перегружать двигатель или резко повышать обороты.
Если вы сильно нажмете на педаль акселератора, электродвигатель возьмет дополнительный ток из высоковольтной батареи для обеспечения дополнительного крутящего момента. Но как только вы достигнете скорости движения по автомагистрали, автомобиль будет работать на смеси бензина и электричества. Вся электроэнергия, используемая на этом этапе, вырабатывается генератором, который вращается двигателем. Батарея действует как буфер, накапливая энергию при торможении и отдавая ее при разгоне.
Сколько лошадиных сил вам действительно нужно?
Существует огромный разрыв между мощностью, указанной на шильдике автомобиля, и мощностью, фактически необходимой для поддержания скорости на шоссе. Большая часть работы, которую выполняет автомобиль на дороге, использует лишь малую долю от его общей выходной мощности.
Когда вы движетесь по ровной дороге со скоростью 60 миль/ч (96,6 км/ч), ваш двигатель преодолевает три основные силы:
- Аэродинамическое сопротивление. Сопротивление воздуха увеличивается пропорционально квадрату скорости. Преодоление сопротивления воздуха требует мощности.
- Механическое трение. Сюда входит сопротивление качению шин, трение в трансмиссии, осях и тормозных суппортах.
- Нагрузка от вспомогательных устройств. Компрессор кондиционера, насос гидроусилителя руля и электрические системы потребляют энергию от двигателя.
Для большинства современных седанов преодоление этих сил на скорости 60 миль/ч требует менее 20 лошадиных сил. Так почему же производители создают двигатели мощностью 200 лошадиных сил? Потому что вам нужен запас мощности для обгона, слияния с потоком на шоссе или разгона на перекрестках. Момент, когда вы «в пол» (floor it), — это единственное время, когда вы используете мощность, близкую к максимальной. В подавляющем большинстве случаев вождения вы используете лишь небольшой процент от доступной мощности.
Именно этот разрыв в эффективности делает гибриды такими привлекательными. Они используют электродвигатель для удовлетворения потребностей на низких скоростях при высоком крутящем моменте, что в противном случае привело бы к расточительному расходу топлива.
Советы по экономии топлива в гибриде: Вождение ради эффективности
Желание быстрого разгона является врагом топливной экономичности. Вы, вероятно, замечали это в автосалонах. Автомобиль с меньшим, менее мощным двигателем часто имеет лучшие показатели расхода топлива в городе и на трассе, чем идентичная модель с турбированным или более крупным двигателем. Большой потенциал мощности означает, что сжигается больше топлива для создания этого потенциала, даже если вы им не пользуетесь.
Чтобы получить максимальную экономичность от гибрида, вам не нужен новый автомобиль. Вам просто нужны другие привычки. Принципы те же, что и для любого бензинового автомобиля, но гибридная система усиливает выгоду от их соблюдения.
Езжайте медленнее
Аэродинамическое сопротивление — главный фактор эффективности на трассе. Сила сопротивления воздуха резко возрастает с увеличением скорости. При скорости 70 миль/ч (113 км/ч) сопротивление примерно в два раза больше, чем при 50 миль/ч (81 км/ч). Удвоение сопротивления не удваивает требуемую мощность, но значительно увеличивает ее. Снижение скорости даже на 5–10 миль/ч может дать измеримый прирост в экономии топлива (миль на галлон).
Поддерживайте постоянную скорость
Каждый раз, когда вы разгоняетесь, вы тратите энергию на увеличение кинетической энергии. При торможении эта энергия рассеивается в виде тепла. В гибриде рекуперативное торможение возвращает часть этой энергии, но не всю. Поддерживая постоянную скорость, вы минимизируете потери энергии на циклы торможения и разгона. Круиз-контроль помогает, но ваша нога часто справляется лучше. Предвосхищайте движение потока и держите педаль ровно.
Избегайте резких остановок
Здесь гибриды особенно хороши. При плавном торможении электродвигатель работает как генератор. Он сопротивляется вращению колес, замедляя автомобиль и преобразуя кинетическую энергию обратно в электричество, которое поступает в батарею. Чем сильнее и быстрее вы тормозите, тем больше нагрузки приходится на механические тормоза. Механические тормоза превращают эту энергию в тепло и полностью ее теряют.
Если вы даете электродвигателю время замедлить автомобиль, он восстанавливает больше энергии. Это верно и для бензиновых автомобилей, но эффект более выражен в гибридах, поскольку восстановленная энергия напрямую используется для следующего разгона. Плавные действия педали — это не только вопрос комфорта. Это вопрос эффективности.
Источники
—
