Особенности конструкции трансмиссий гибридных автомобилей
Устройство гибридного автомобиля
Прототип автомобиля с гибридным двигателем появился еще в конце 19 столетия. Сегодня он представляет собой транспортное средство, способное при небольшой скорости не использовать топливо, а осуществлять движение за счет электрической энергии.
Гибридный двигатель – это система, состоящая из электрического и топливного двигателей. При этом, в период работы каждый может быть задействован как по отдельности, так и оба в независимых циклах.
Устройство и принцип работы
Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении авто на небольшой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок. При движении машины по трассе – в работу включается двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В случае большой нагрузки, например, при резких подъемах в гору, в работу включаются оба двигателя.
Безусловно, к плюсам такого устройства можно отнести то, что при использовании электрического двигателя, значительно сокращается расход топлива, так как он работает от постоянно восполняемой энергии аккумулятора.
Возможность, хотя бы отчасти, снизить количество выбрасываемых вредных веществ в воздух – еще один плюс гибридной системы автомобиля.
Гибриды характеризуются малой мощностью, которую помогает компенсировать ДВС.
Двигатели в гибридах могут быть как бензиновые, так и дизельные. Более того, производители газобаллонного оборудования (ГБО) разработали системы способные работать на этих автомобилях.
Пример конструкции гибрида
Устройство гибрида включает в себя:
— Двигатель внутреннего сгорания. Его устройство и размеры сконструированы таким образом, что позволяет снизить вес, вредные выбросы и расход топлива.
— Электродвигатель разработан с учетом особенностей гибрида. Его сделали не только сгенерировано работающим с топливным блоком, но и уделили особое внимание показателям мощности. Параллельно он вырабатывает энергию для подзарядки АКБ автомобиля. Может быть выполнен встроенным в силовую установку или размещаться отдельно от неё, в некоторых моделях используются сразу оба варианта.
— Трансмиссия. Работа трансмиссии гибрида фактически совпадает с ее устройством на обычных автомобилях. Но, в зависимости от вида гибридного двигателя, они могут отличаться. Коробки передач в них бывают, как гибридные с интегрированным электродвигателем, так и обычные механического и автоматического исполнения. Например, трансмиссия автомобиля Toyota устроена с разветвлением потоков мощности. Двигатель такого типа работает в режиме плавных нагрузок, что помогает значительно экономить расход топлива.
— Топливный бак. Необходим для питания топливом ДВС. Для наглядности того, что топливная система имеет ряд преимуществ, хотелось бы привести один факт в пользу этого: энергия, получаемая при сгорании 1 литра бензина сопоставима с энергией, вырабатываемой аккумулятором весом около 450 кг.
— Аккумулятор. Его главная функция – выработка достаточного уровня энергии для работы электродвигателя. В авто используется две батареи, высоковольтная и обычная на 12 (В) для питания бортовой сети. Изначально до запуска всех систем питание идет только от стандартного аккумулятора, так как для работы высоковольтной батареи и инвертора необходимо постоянное охлаждение.
-Инвертер преобразует постоянный ток высоковольтной батареи в переменный трехфазный для электродвигателя и наоборот. Также регулирует распределение энергии и управляет электродвигателем.
— Генератор. Его принцип работы такой же как у электродвигателя, но направлен на вырабатывание электрической энергии.
3 типа гибридных агрегатов
Как было уже отмечено ранее, гибридная система автомобиля представляет собой комбинирование моторов, своего рода, две разных скрещенных технологии. Технику гибридного привода характеризуют в двух направлениях – это двухтопливный или бивалентный и гибридный силовой агрегат.
Данное разделение на две комбинации силовых агрегатов определено для их классификации по разному принципу работы.
Устройство гибридного силового агрегата включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель-генератор. Таким образом, электродвигатель это и генератор энергии, и тяговый электродвигатель, и стартер для пуска ДВС.
Существует три типа гибридного силового агрегата. Главным критерием для классификации служит исполнение основной конструкции. Следовательно, выделяют: микрогибридный силовой агрегат, среднегибридный силовой агрегат и полногибридный силовой агрегат.
Микрогибридный силовой агрегат
Концептуальная особенность данного типа привода заключается в его электрической части, которая необходима только для выполнения функции «старт-стоп». При этом, часть выработанной кинетической энергии повторно используется как электроэнергия (процесс рекуперации).
Привод исключительно за счет работы электрической тяги не возможен. Рабочие характеристики 12-вольтного аккумулятора гибрида с наполнителем из стекловолокна приспособлены к частым пускам двигателя. Также для накопления энергии от рекуперации может использоваться накопитель в виде электрохимического конденсатора.
Микрогибрид от компании Mazda
Среднегибридный силовой агрегат
Электрический привод помогает работе двигателя внутреннего сгорания. При этом, движение гибрида лишь за счет электротяги не осуществляется. У данного типа гибридного мотора электрическая энергия регенерируется при торможении, а затем накапливается в высоковольтной аккумуляторной батарее.
Устройство высоковольтной АКБ гибрида и всех его электрических частей отвечает необходимому уровню напряжения, что позволяет вырабатывать достаточно высокую мощность. В итоге, благодаря поддержке ДВС электродвигателем, его работа характеризуется максимальной эффективностью.
Полногибридный силовой агрегат
Работа двух моторов: электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, в данном типе комбинируется между собой. Полногибридный тип позволяет машине двигаться только за счет электрической тяги и достаточно большое расстояние. При определенных условиях силовой агрегат функционирует как среднегибридный.
В этих автомобилях устанавливаются достаточно мощный электродвигатель и высоковольтные АКБ большего объема, что и позволяет им выдавать такие характеристики. Основой подзарядки батареи выступает также процесс рекуперации энергии.
Функция «старт-стоп» реализована для двигателя внутреннего сгорания, который запускается только при необходимости. А разъединение ДВС с электродвигателем осуществляется за счет установленного сцепления между ними, поэтому они могут функционировать независимо друг от друга.
Схемы взаимодействия работы электродвигателя и ДВС
Автомобили-гибриды сконструированы по трем схемам взаимодействия двигателей. Рассмотрим каждую из них.
Последовательная схема взаимодействия
Данный принцип устройства представляет собой самый простой вариант автомобильного двигателя-гибрида. Его схема работы такая: крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания идет к генератору. Затем генератор вырабатывает необходимое для работы электричество и передает его в аккумулятор. Дополнительно подзаряд аккумулятора осуществляется и путем процесса рекуперации кинетической энергии. В этой схеме движение автомобиля осуществляется лишь за счет электрической тяги.
Данная схема характеризуется последовательным преобразованием энергии, т.е. энергия, поступающая от сгораемого топлива в двигателе внутреннего сгорания, превращается в механическую, далее трансформируется в электрическую за счет генератора, и затем вновь преобразуется в механическую энергию.
Положительные стороны последовательной схемы:
Отрицательные стороны последовательной схемы:
Самый яркий представитель гибридного автомобиля с последовательной схемой взаимодействия Chevrolet Volt
Если говорить о самом подходящем варианте движения автомобиля с последовательной схемой взаимодействия, то это городской трафик с частыми остановками, когда постоянно в работу включается система рекуперации энергии.
Параллельная схема взаимодействия
Такое название эта схема получила потому что, двигатели авто работают постоянно вместе. Принцип работы данного типа взаимодействия двух модулей происходит за счет электроники авто, электродвигателя и ДВС. Оба двигателя соединены с коробкой передач по средствам планетарной передачи.
Чисто на электрической энергии такие гибриды способны ехать не продолжительное время, при этом ДВС отключается от трансмиссии сцеплением.
Блок управления распределяет крутящий момент от обоих двигателей в зависимости от режима движения автомобиля. Двигателю внутреннего сгорания отведена более важная роль, а электродвигатель запускается при необходимости дополнительной тяги, например, когда авто резко ускоряется. При торможении или плавном движении электромотор работает как генератор электроэнергии.
Электромотор внедрен в коробку передач BMW 530E iPerformance
Существуют модификации с электродвигателем отдельно от ДВС, они представляют собой сложную систему, но в тоже время эффективную. Этот модуль состоит из двух электромоторов, тягового соединенного через планетарную передачу со вторым, который служит генератором и стартером.
В такой схеме ДВС не связан напрямую с колесами, что позволяет постоянно передавать часть момента генератору и подзаряжать батарею.
Силовая установка параллельного гибрида с независимыми электромоторами
Положительные стороны параллельной схемы:
Так как основная работа отведена ДВС, то не возникает необходимости в установке мощной высоковольтной батареи. Двигатель внутреннего сгорания напрямую связан с ведущими колесами, поэтому потери энергии значительно меньше.
Отрицательные стороны параллельной схемы:
Самый главный минус данной схемы – это больший расход топлива в сравнении с другими схемами взаимодействия двигателей. Получается, что сэкономить на городском трафике не получится, наиболее удачным вариантом будет движение по трассе.
Последовательно-параллельная схема взаимодействия
Уже само название этой схемы указывает на то, что данный тип – это вариант совмещения двух ранее рассмотренных схем: последовательной и параллельной. Движение автомобиля на низкой скорости и его старт с места осуществляется только за счет силы электрической части. ДВС поддерживает работу генератора авто, как при последовательной схеме взаимодействия. Передача крутящего момента от ДВС на колеса происходит при движении на большой скорости.
При высоких нагрузках, требующих повышенной мощности, генератор автомобиля может не выдать нужное количество энергии, и в таком случае электродвигатель питается дополнительно от аккумулятора, как при параллельной схеме взаимодействия.
В данной схеме предусмотрен дополнительный генератор, он подзаряжает АКБ. Электродвигатель необходим только для привода ведущих колес и для обеспечения рекуперативного торможения.
Часть крутящего момента, переходящая от двигателя внутреннего сгорания, уходит на ведущие колеса, а некоторая его часть – для работы генератора, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает АКБ.
За направление крутящего момента на колеса, генератор или электродвигатель и его соотношении отвечает планетарный механизм – распределитель мощности. Регулировкой подачи мощности из генератора и батареи занимается электронный блок управления автомобиля.
Также эта технология применяется и на гибридных полноприводных авто. На передней оси установлен ДВС с электродвигателем по параллельной схеме, а на задней только электродвигатель имеющий связь с ДВС по последовательной схеме.
Полноприводный гибрид от компании Mitsubishi
Положительные стороны последовательно-параллельной схемы:
Не сложно догадаться, что неоспоримым плюсом данной схемы гибрида является его большая экономичность топлива в сочетании с хорошими мощностными характеристиками. Ценители природы оценят ее экологичность.
Отрицательные стороны последовательно-параллельной схемы:
Среди отрицательного – это более сложная конструкция по сравнению с предыдущими схемами, и как следствие, большая цена. Поскольку необходим дополнительный генератор, емкая АКБ и сложная электронная схема управления.
Заключение
Мы рассмотрели все типы гибридов и схемы их взаимодействия, но в целом существует множество видов, которые сложно отнести к одной из них, поскольку с течением времени технологии все больше смешиваются и дорабатываются.
На одних используют гидромуфты с редуктором вместо планетарной передачи, на других экспериментируют с задним расположением ДВС или вообще разносят по двум осям ДВС и электродвигатель. Конструкторы не останавливаются на достигнутом и все больше развивают это направление.
Как устроена гибридная трансмиссия?
Кажется, что только гибридные автомобили, которые работают на бензине или дизеле и одновременно используют электричество, могут соответствовать экологическим нормам, которые в странах Европы постоянно ужесточаются. Производители непрерывно совершенствуют двигатели и вынуждены заниматься модернизацией трансмиссий как одного из главных элементов общего устройства автомобиля.
Шасси Toyota Prius
Коробка передач никогда не строилась и не переоборудовалась отдельно от мотора — каждая трансмиссия строится под конкретные внешние скоростные характеристики определенного двигателя. Чтобы поддерживать малообъемный двигатель в зоне оптимальных рабочих оборотов, была создана многоступенчатая КП.
С того момента, как в автомобиль стали устанавливать два рабочих двигателя (ДВС и электромотор), пришлось модернизировать и элементы трансмиссии, переводя их работу на два источника энергии.
Классы гибридных трансмиссий
Гибридные трансмиссии классифицируются по принципу подключения:
Особенности последовательной гибридной трансмиссии
В данной схеме трансмиссии электрический мотор передает энергию на главные ведущие колеса, мотор (чаще всего бензиновый) передает свой КПД на генератор. Главной особенностью параллельной трансмиссии является то, что электромотор может обеспечить максимальную мощность (в своих пределах) в любой момент. С помощью электромотора намного легче привести в движение транспорт огромной массы с большой силой инерции.
Устройство последовательной гибридной трансмиссии
Топливный ДВС запускает генератор, энергия которого заряжает аккумулятор и в дальнейшем переходит на электродвигатель, который обеспечивает крутящий момент и передает его на колеса. В таком рабочем цикле из трансмиссии исключаются коробка передач и блок сцепления. Энергия рекуперативного торможения не переходит в тепло, а направляется для дополнительного питания аккумуляторной батареи.
Гибридная трансмиссия последовательного типа позволяет использовать ДВС очень малой мощности, а в режиме «город» при езде на минимальной скорости и с частыми остановками ДВС возможно отключить полностью. Последовательная схема трансмиссии широко используется в городском транспорте и самосвалах, где аккумуляторы имеют максимальную емкость и большой объем при скромных объемах и минимальной мощности ДВС.
Chevrolet Volt оборудован последовательной гибридной системой
Chevrolet Volt, построенный General Motors в 2010 году, использует в своем силовом блоке последовательную гибридную трансмиссию. Это скорее электромобиль, чем классический бензиновый хэтчбек. Используя только электромотор, автомобиль может преодолеть расстояние до 65 км. Если использовать турбированный мотор, дальность поездки на одной батарее превысит 1020 км.
Под капотом у Chevrolet Volt
Особенности параллельной гибридной трансмиссии
Эта трансмиссия остается к 2019 году наиболее технологичной. В системе используются основные элементы коробки передач. Электрический блок устанавливается в параллельных гибридах между коробкой и двигателем внутреннего сгорания.
Устройство гибридной трансмиссии параллельного типа
Подключение электромотора осуществляется через использование нескольких схем. В качестве первой гибридной трансмиссии можно рассматривать 8-ступенчатую коробку-автомат с двойным сцеплением от производителя ZF. Ведущие оси получают крутящий момент как от ДВС, так и от электромотора, который также исполняет работу генератора.
zf_8-скоростная трансмиссия с двойным сцеплением
Работа трансмиссии с параллельной схемой подключения контролируется и управляется электронным модулем. В автомобиле с параллельной гибридной трансмиссией необходимо использовать и стандартную трансмиссию в переходных режимах движения авто. Крутящий момент, которые передают два мотора, распределятся в зависимости от условий передвижения. При старте, во время ускорения к ДВС подключается электродвигатель, во время торможения и при стабильной скорости электродвигатель выполняет функции генератора.
В Audi Q5 используется параллельный тип трансмиссии
[stextbox автомобилях с параллельной трансмиссией используется аккумулятор средней емкости при стандартном объеме и мощности топливного мотора. Параллельные трансмиссии малоэффективны при езде по городским улицам, но показывают отличную динамику на трассах.[/stextbox]
Первая популярная трансмиссия параллельного гибридного типа сконструирована инженерами корпорации «Хонда». Система интегрированного помощника ДВС (Integrated Motor Assist) позволяет увеличить КПД главного мотора на 40%, при этом количество отработанного топлива в атмосферу практически не снижается, экологические показатели автомобиля остаются на низком уровне.
Honda IMA
В блок IMA входит бензиновый мотор в качестве главного силового блока, электрический мотор, дополнительная батарея для электромотора. Во время торможения происходит перенаправление энергии на электромотор, который используется и как генератор — энергия не переходит в тепло, а сохраняется в батарее, во время ускорения электроэнергия перенаправится в электромотор для начала его работы. Данный тип трансмиссии, используется компанией при комплектации Honda Civic и Honda Insight.
Тип средние гибриды
Классификация гибридных параллельных трансмиссий начинается с определения роли электрического мотора во всем силовом блоке авто. Если электромотор используется только как помощник ДВС, например, как в Honda Insight, трансмиссию относят к классу «умеренный гибрид». Мощность электромотора в гибридной трансмиссии среднего класса не превышает 60 кВТ.
Одну из своих последних инноваций в области гибридных трансмиссий использовала корпорация БМВ при создании модели BMW ActiveHybrid 7. Седан комплектуется КП в единственном исполнении – 8-миступенчатый «автомат».
Система полный гибрид
Lexus RX 400h оснащается системой “полный гибрид”
Если электродвигатель используется для передачи крутящего момента на колеса, применяется термин «полный гибрид» — такая трансмиссия использована в модели Lexus RX 400h. Автомобиль может передвигаться при помощи и ДВС, и энергии электродвигателя. В коробке передач отсутствует гидротрансформатор. Впервые в Европе схему полного параллельного гибрида установили в 1998 на комплектацию Audi Duo.
Сегодня большинство мировых производителей используют схему «полный гибрид» на Mercury Mariner, Kia Optima, Ford Escape/ C-Max/ Fusion, Lincoln MKZ и др.
Микрогибрид
Трансмиссия авто, где генератор имеет дополнительные функции, часто называют классом «микрогибрид». Это автомобили, которые имеют систему старт/стоп, электромотор не передает свою энергию для движения колес. Микрогибридная схема позволяет только резко глушить мотор во время коротких остановок. Система запускается стартером, в автомобиле используется стандартная КП с встроенным импульсным насосом для скоростной подачи давления в масляные каналы КП.
Схема последовательно-параллельная
Смешанный тип гибридной трансмиссии исключает использование традиционной коробки передач. Совместная работа электродвигателя и ДВС происходит через использование планетарной передачи. Топливный мотор передает крутящий момент на колеса совместно с электромотором, одновременно происходит и работа генератора. Автоматическая регулировка оборотов осуществляется через электронный блок управления.
Планетарная передача
Такой тип бесступенчатой трансмиссии ECVT широко используется компанией Toyota в последнем модельном ряду Toyota Prius. Инженеры компании создали свою уникальную схему гибридной трансмиссии HSD. В схему устройства включили делитель мощности (планетарную передачу) и отдельный генератор.
При таком типе гибрида электромотор работает большую часть времени, топливный мотор использует для работы цикл Аткинсона, в то время как большинство ДВС работают по принципу Отто. Ноу-хау японских инженеров приобрели компании Форд и Ниссан для установки на свои полногибридные модели.
Достоинства и недостатки
На сегодняшний день все автомобили с гибридной трансмиссией имеют высокую стоимость и не входят в средний ценовой сегмент. Так же дорого стоит их диагностика и ремонт. Это главный недостаток автомобилей, которые используют два силовых мотора.
[stextbox аккумуляторных батарей — второй недостаток гибридных комплектаций.[/stextbox]
Активисты «зеленого движения» США и экологи считают, что польза для экологии, которую принесут гибридные автомобили, абсолютно условна. Утилизация одного аккумулятора приносит вред окружающей среде, сравнимый с годовым выбросом простого бензинового двигателя. Технологией экологической утилизации занимаются только в нескольких странах.
[stextbox достоинствам можно отнести высокие экологические показатели сегмента «полный гибрид» и стабильную экономию топлива до 30 % на всех автомобилях с данным типом трансмиссий.[/stextbox]
Toyota Prius Plug-in Hybrid
Электромоторы даже минимальной мощности обеспечивают плавный и надежный запуск ДВС в любую погоду. Динамичные характеристики автомобиля также остаются на высоте, при необходимости увеличить тяговые показатели к ДВС подключается электродвигатель, автомобиль получает максимальное ускорение за короткое время.
Пробег на одном заряде увеличивается на 40%. За счет экономии топлива и использования электромотора водители реже заправляются.
Смогут ли гибридные трансмиссии полностью вытеснить традиционные, пока не ясно. При всех выгодах использования смежного электромотора у разработки остаются многочисленные недостатки, в первую очередь — высокая цена и сложность схемы. В 2018 компания Porsche отказалась самостоятельно производить гибриды любой схемы. Представители Mitsubishi считают, что гибридные установки — это переходной этап, и концентрируют интеллектуальную инженерную базу корпорации на создание электромобиля.