Гибридные силовые установки автомобилей реферат

Обновлено: 04.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Общие сведения о гибридных двигателях……………………. 2-3

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС………………….3

Последовательно-параллельная схема…………………. 4

8. Библиографический список……………………………………….9

На сегодняшний день существует множество силовых установок использующихся в технике. Примером такой установки является работа двигателя внутреннего сгорания в паре с генератором и электродвигателем. [1] Такая установка называется гибридом, это значит, что для привода колес используется более одного источника энергии. В данном случае эта энергия, освобождаемая при сгорании топлива и электроэнергия вырабатываемая генератором переменного тока, а он в свою очередь работает за счет двигателя. Выработанная электроэнергия накапливается в конденсаторных батареях, с них и получает энергию электродвигатель. [2]

Цели работы : Исследование работы двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя в паре.

Методы: анализ и синтез литературы, проектирование, моделирование.

Актуальность : Использование гибридных двигателей идея не новая, но очень актуальна по двум причинам 1) экономия топлива, 2) экологичность.

Был проведен анализ работы двигателя внутреннего сгорания в паре с генератором переменного тока. Было выяснено, что с генератора можно снимать достаточное количество электроэнергии для нужд автомобиля и даже для электромотора, который можно установить на авто.

Общие сведения о гибридных двигателях .

Гибридный двигатель — это система из электрического и бензинового моторов. Во время работы могут действовать и бензиновый и электрический, как вместе, так и по отдельности. Этот процесс контролирует мощный компьютер, который запускает тот мотор, что сейчас должен работать. Таким образом, при поездке по трассам запускается бензиновый двигатель, так как аккумулятора в таком темпе надолго не хватит. Если гибридный автомобиль двигается в городе, то здесь используется электродвигатель, а на подъеме или при большой нагрузке работают оба. Пока действует бензиновый двигатель, аккумулятор постепенно заряжается. Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты. [5] В этом случае были решены несколько задач:

1. снижены к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу, что положительно влияет на экологическую обстановку не только в городах, но и на Земле в целом;

2. за счёт совмещения двух видов энергии снижаются затраты при эксплуатации;

3. недостатки электродвигателя (малая мощность) компенсируются преимуществами бензинового в сторону увеличения.

По сути, такие автомобили в скоростном режиме не отличаются от бензиновых.

Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

На сегодняшний день современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.

Последовательная схема

Это наиболее простой вариант гибридного двигателя. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. (Приложение 1) Автомобиль при этом движется только на электротяге. [5]

Параллельная схема

Последовательно-параллельная схема

Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. (Приложение 3) Благодаря этому автомобиль при трогании с места и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме). На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).

Всего для Prius существует пять режимов работы. [8]

Первый режим : Начало движения, при начале движения автомобиля, используется только электрический мотор с высоким крутящим моментом питающийся исключительно от батареи. ДВС пока не работает.

Второй режим : Нормальное движение, в условиях обычной езды Prius использует электромотор в комбинации с двигателем внутреннего сгорания. Тем самым добивается максимальный КПД системы. Так же ДВС используется для подзарядки главной батареи, по мере ее разряда.

Третий режим : Экстренное ускорение, во время режима "полного ускорения" система использует для ускорения всю мощь ДВС и электромотора. Даже прекращается подзарядка основной батареи автомобиля.

Четвертый режим : Торможение, при торможении Hybrid Synergy Drive в автомобиле Prius отключает двигатель внутреннего сгорания, а сопротивление от тормозной системы преобразуется в электрическую энергию, которая передается в главную батарею автомобиля.

Пятый режим : зарядка. [10]

При остановке автомобиля ДВС автоматически заглушается.

В гибридной трансмиссии важную роль играет планетарный механизм. Он регулирует направление потоков мощности. Колеса через дифференциал и понижающую пару шестерен жестко связаны с 30 - киловаттным синхронным мотор - генератором переменного тока и одновременно с внешней шестерней планетарной передачи. Обойма шестерен – сателлитов (водило) напрямую соединена с коленчатым валом двигателя, а центральная (солнечная) шестерня – с отдельным генератором. В зависимости от обстановки, каждое звено можно сделать неподвижным, остановив ленточным тормозом по команде управляющего контроллера.[8] (Приложение5)

Согласно результатам испытаний автомобиль выбрасывает в атмосферу в 12,5 раз меньше монооксида и в 4,7 раз меньше углеводородов, чем того требующий нормы Евро – 3. [8]

Для наглядности я сделал схему, которая позволит понять принцип работы гибридного привода. (Приложение 7) На самом деле, конструкция очень простая. Слева у нас находится бензиновый двигатель, который соединен с первым мотор - генератором. Справа у нас находится второй, тяговый мотор-генератор. Он соединен с инвертором, который в свою очередь соединяется с аккумуляторной батареей и первым мотор - генератором. По центру находится планетарная передача, которая суммирует потоки мощности слева и справа и передает момент на редуктор и главную передачу к колесам. Планетарная передача полностью заменяет коробку передач и работает по принципу бесступенчатого вариатора.

На старте работает только тяговый электродвигатель, при необходимости к нему автоматически подключается бензиновый мотор. Его запускает первый мотор-генератор, который делает это очень плавно и незаметно за счет регулирования скорости оборотов. Момент от бензинового двигателя передается на планетарную передачу, а также (!) на первый мотор-генератор, который работает в режиме генератора и выдает энергию на инвертор, который в свою очередь перенаправляет полученную энергию либо в аккумуляторую батарею для подзарядки, либо на тяговый электромотор, момент с которого через планетарную передачу передается на колеса. В результате получается замкнутый цикл, где главную роль играет тяговый электромотор, а бензиновый двигатель работает на подхвате. При торможении тяговый электромотор работает в режиме генератора и вся полученная энергия накапливается в аккумуляторе. Мощность бензинового двигателя 98 лс, а тягового электромотора 79 лс. В то же время, суммарная мощность гибридного привода составляет 136 лс. Потеря лошадиных сил обусловлена тем, что ток отдаваемый аккумуляторной батареей ограничен электроникой, и электромотор фактически работает на половину своей мощности. Зато, как показал эксперимент, степень заряженности аккумулятора абсолютно не влияет на динамические характеристики и время разгона до 100 км/ч. В полностью электрическом режиме разгон происходит очень плавно, и двигаться можно со скоростью не более 50 км/ч. На полностью заряженной батарее можно проехать примерно 1-1,5 километра.

Отдельного обзора заслуживает тормозная система. При нажатии на педаль тормоза в первую очередь гибридная силовая установка переключается в режим рекуперации энергии. Таким образом, большая часть энергии, которая на обычном автомобиле уходит на нагрев тормозных колодок и дисков, преобразуется в электричество, которое накапливается в аккумуляторе. При более сильном нажатии на педаль тормоза дополнительно начинает работать штатная тормозная система. В связи с этим существенно изменена схема работы антиблокировочной системы (ABS) и системы динамической стабилизации. ABS допускает интенсивное торможение с полной блокировкой колес и включится только после того, как автомобиль проскользит с заблокированными колесами некоторое расстояние. (Приложение 8). Я провел небольшое исследование с целью выявить реальный расход топлива. При движении на круиз -контроле по относительно ровной трассе без перепадов высот, получились вот такие значения:

1) Экономная эксплуатация. Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность . Экономия была достигнута, в том числе: 1) использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно , объёма ; 2 ) работой двигателя в оптимальном режиме (например, работа по циклу Миллера [5]); 3) его полной остановкой вместо работы на холостом ходу; 4) применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок) . Экономия топлива достигает 60% по сравнению с обычными автомобилями с дизельными двигателями, а ускорение во время начала движения увеличилось на 50%.

2) Экологическая чистота. Основные причины, стоящие за разработкой гибридной силовой установки – уменьшения количества выбросов в атмосферу, что очень актуально именно для городского транспорта. Эта система позволяет снизить выброс сажи и углеводородов на 90%, оксидов азота – на 50%. Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной стороны, снижением расхода углеводородного топлива ; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля — в частности, в пробках . С другой стороны, применение батарей меньшей, чем в электромобилях , ёмкости — и, соответственно, размеров, — снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.

Комбинированные энергоустановки с ДВС – наиболее реальный путь достижения высоких показателей ТС в самом ближайшем будущем. При этом удается обеспечить большую дальность пробега и сохранить существующую инфраструктуру заправки.

Гибридные силовые установки ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

Введение
1. Характеристики гибридного автомобиля
2. Последовательная схема гибридного автомобиля
3. Параллельная схема гибридного автомобиля
4. Комбинированная схема гибридного автомобиля
Заключение
Перечень использованных источников

Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy Drive, HSD. Силовая установка системы HSD представляет собой двигатель внутреннего сгорания (соединенный с водило планетарного редуктора), электродвигатель (соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора), генератор (соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора). Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы [3]. В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы: Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель. Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС.

При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи. Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности. Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность. Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля. Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора. Заключение

Гибридные автомобили считаются транспортом будущего, так как ресурсы топлива ограничены и когда придется искать альтернативный источник. Гибридный автомобиль экономит расход топлива почти в 2 раза, тем самым максимально рационально его используя[4]. Средний расход топлива гибридных автомобилей составляет 3−5 литров при смешанной езде. Вы не только бережете ресурсы топлива и своего кошелька, но так же делаете огромный вклад в экологию вашего города, уменьшив количество вредных выбросов на 30−40%. В некоторых странах уже существуют специальные дороги и трасы для автомобилей гибридов, где все участники движения чувствуют себя спокойно. Но не бывает ничего совершенного, и кроме недостатка в малой мощности, у гибридных автомобилей существует еще один недостаток.

Электрический двигатель является не только преимуществом, но и недостатком, так как во время ДТП автомобильный гибрид становится куда опаснее обычного автомобиля. Электрический двигатель может стать причиной поражения электрического тока и из такого автомобиля сложнее выбраться, так как корпус может находиться под напряжением. При поломке гибридного автомобиля ремонт обойдется вам дороже, чем у обычного автомобиля. Так же выше и цена самого автомобиля по сравнению с обычным.

Но эта сумма окупится вам в количестве затрачиваемого бензина. На сегодняшний день ведутся активные разработки в области усовершенствования гибридных автомобилей, в том числе и их безопасности. Перечень использованных источников1. Современные автомобильные технологии/ Дж. Дениелс.

Итак, перед нами технологичный прогрессивный автомобиль, в котором нивелируются недостатки и объединяются достоинства двух моторов. Но. рано хлопать в ладоши, и послушаем, что говорят скептики.

Рассмотрим подробнее, какими бывают и как устроены гибриды.

По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих авто, гибридные приводы принято разделять на три вида: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.

Схемы работы

Последовательная схема

Это - самая простая гибридная конфигурация. ДВС используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса. Это избавляет от необходимости в коробке передач и сцеплении. Для подзарядки аккумулятора также используется рекуперативное торможение. Свое название схема получила потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд последовательных преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. При этом часть энергии неизбежно теряется. Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить. При отключении ДВС электродвигатель и батарея в состоянии обеспечить необходимую мощность для движения. Поэтому они, в отличие от ДВС, должны быть более мощными, а, значит, они имеют и большую стоимость. Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому используют ее в городских автобусах и других видах городского транспорта. По такому принципу работают также большие карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.

Параллельная схема

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (который должен быть обратимым, т.е. может работать в качестве генератора). Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэффективных переходных режимах. Момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор. Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему. Поэтому параллельные гибриды могут использовать меньшую аккумуляторную батарею, по сравнению с последовательными. Так как ДВС непосредственно связан с колесами, то и потери мощности значительно меньше, чем в последовательном гибриде. Подобная конструкция достаточно проста, но ее недостатком является то, что обратимая машина параллельного гибрида не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Параллельные гибриды эффективны на шоссе, но малоэффективны в городе. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС.
Приверженцем такой схемы гибридов является компания "Хонда". Их гибридная система получила название Integrated Motor Assist (Интегрированный помощник двигателя). Она предусматривает, прежде всего, создание бензинового двигателя с увеличенным кпд. И только тогда, когда двигателю становится трудно, на помощь ему должен приходить электрический мотор. В этом случае система не требует сложного и дорогостоящего силового блока управления, и, следовательно, себестоимость такого автомобиля оказывается ниже. Система IMA состоит из бензинового двигателя (который предоставляет основной ресурс мощности), электромотора, который предоставляет дополнительную мощность и дополнительной батареи для электромотора. Когда автомобиль с обычным бензиновым двигателем замедляется, его кинетическая энергия гасится сопротивлением мотора (торможение двигателем) или рассеивается в виде тепла при нагреве тормозных дисков и барабанов. Автомобиль с системой IMA начинает тормозить электромотором. Таким образом, электромотор работает как генератор, вырабатывая электричество. Сохранённая при торможении энергия запасается в батарее. И когда автомобиль вновь начнёт ускоряться, батарея отдаст всю накопленную энергию на раскрутку электромотора, который снова перейдёт на свои тяговые функции. А расход бензина уменьшится ровно настолько, сколько энергии было запасено при предыдущих торможениях. В общем, в компании Honda считают, что гибридная система должна быть максимально простой, электрический мотор выполняет лишь одну функцию — помогает двигателю внутреннего сгорания сэкономить как можно больше горючего. Honda выпускает две гибридные модели:Insight и Civic.

Последовательно-параллельная схема

Важной особенностью ДВС также является то, что он работает по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Если работа двигателя организована по циклу Отто, то на такте впуска поршень, двигаясь вниз, создает в цилиндре разрежение, благодаря которому происходит всасывание в него воздуха и топлива. При этом в режиме малых оборотов, когда дроссельная заслонка почти закрыта, появляются так наз. насосные потери. (Чтобы лучше понять, что это такое, попробуйте, например, втянуть воздух через зажатые ноздри). Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. В ходе такта выпуска, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы еще находятся под давлением, и их энергия безвозвратно теряется - это так наз. потери выпуска.

В двигателе Аткинсона на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, т.к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок. Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает по так наз. циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т.е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом, получаем лучшие экологические показатели , экономичность и больший КПД, но меньшую мощность. Но в том-то и суть, что мотор тойотовского гибрида функционирует в малонагруженных режимах, при которых этот недостаток цикла Аткинсона не играет большой роли.

К недостаткам последовательно - параллельного гибрида следует отнести более высокую стоимость, в виду того, что он нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления.

Система HSD устанавливается на хэтчбеке Toyota Prius, седан бизнес-класса Camry, внедорожника Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивном седане Lexus GS 450h и автомобиле люкс-класса — Lexus LS 600h. Ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Форд и Ниссан и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лидирует по продажам среди всех гибридов. Расход бензина в городе составляет 4 л на 100 км пробега. Это первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе. На Парижском автосалоне 2008 была представлена модель Приус plug-in hybrid.

Достоинства автомобилей с гибридной установкой

Экономная эксплуатация

Как была достигнута экономия:
- Снижением объема и мощности двигателя;
- Работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо меньшей зависимости от условий езды;
- Полная остановка работы двигателя, когда это необходимо;
- Возможность движения только на электродвигателях;
- Рекуперативное торможение с зарядкой аккумулятора.

Вся эта система до такой степени сложна, что стала возможна в полной мере только в современных условиях, с применением достаточно непростых алгоритмов работы бортового компьютера. Даже правильное и эффективное (с точки зрения безопасности) торможение управляется бортовым компьютером.

Экологическая чистота

Снижение расхода углеродного топлива, немедленно сказалось на экологической чистоте. Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей, гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила проблему утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте, и для грузовых автомобилей, ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.

Хорошие ходовые характеристики

Увеличение дальности пробега

Время - это самый ценный ресурс для человека. Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени для других больших и важных дел.

Сохранение и повторное использование энергии

Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе - невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую энергию удаётся сохранить с самыми минимальными потерями и максимально дёшево. В качестве накопителя применяются как аккумуляторы, так и специальные конденсаторы.

Обычная заправка топливом

У электромобилей пока есть один большой недостаток - необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий, и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80% ёмкости за 5-15 минут.

У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеродным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.

В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.

Недостатки автомобилей с гибридной установкой

Высокая сложность

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт автоиндустрии США говорит о том, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.

Далеко не все крупные автопроизводители смогли создать собственную гибридную систему. Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня серийная разработка — Hybrid Synergy Drive (произносится [ха?йбрид си?неджи драйв]) компанией Toyota.

Утилизация аккумуляторов

Гибридные автомобили, как и электромобили, хоть и в меньшей степени, подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. А ведь оно может быть опасным.

Высокая стоимость некоторых моделей

Естественно сложность и "нетрадиционность" создания некоторых моделей влечет за собой увеличение цены на автомобили.

Дата публикации: 27.04.2021 06:44

Пишите, звоните до 21: 00 по Москве:

©Проект-Технарь, 2010-2022
Все работы, чертежи и связанные с ними материалы принадлежат его автору и предоставляются только в ознакомительных целях.
ИНН550705958503

В наше время актуальна проблема загрязнения окружающей среды, около 40% (в крупных городах до 80%) загрязняющих выбросов в атмосферу приходятся на автомобильный транспорт. Помимо этого в транспорте используются различные эксплуатационные жидкости, утилизация которых так же причиняет вред окружающей среде (отработанные масла сжигают, или сливают на землю). Стоит отметить, что при нынешних потреблениях, нефтяных ресурсов хватит примерно на 100 лет.

Крупные производители автомобилей наблюдают разрешение данных вопросов в переходе на альтернативные источники энергии. Уменьшение работы двигателей внутреннего сгорания за счет использования совместно с ними электродвигателей (гибридные силовые узлы).

История гибридных автомобилей

Изобретение гибридных электрических транспортных средств (Hybrid Electric Vehicles, HEV) стало одним из этапов автопроизводителей по решению проблем загрязнения окружающей среды и экономией горючего. У автовладельцев, автомобили с двигателем внутреннего сгорания требуют постоянных, парой не малых, затрат на топливо, а для электрокаров требуются огромные инвестиции как для потребителя, так и для производителя. Поэтому было предложено совместить двигатель внутреннего сгорания с электродвигателем, в результате чего появились гибридные автомобили. Фердинанд Порше разработал первое транспортное средство с гибридным силовым узлом в 1900-1901 годах.

Большинство верит, что когда-нибудь “экологически чистый электрический автомобиль” заменит транспорт с ДВС, таким образом, решив проблемы связанные с загрязнением окружающей среды и истощением нефтяных ресурсов. Многие видят этот процесс так, что автомобиль будет получать энергию от батарей, которые будут перезаряжаться, но для зарядки нужна электростанция, которая будет сжигать топливо, т.е. проблема с исчезновением жидких видов топлива не решится, а место загрязнения, где ездят автомобили, поменяет местоположение источника загрязнения, переместившись в расположение электростанции. Исследователи опровергали теорию “экологически чистых электрических автомобилей” еще и тем, что производство и переработка батарей связаны с применением вредных металлов (свинец, кадмий).

Гибридное транспортное средство – это автомобиль, в котором двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор, который производит электричество для электропривода колес. Вероятно, к середине XXI века электрокары заменят автомобили с ДВС, а гибриды сыграют роль переходного периода.

Электромобиль определяется наличием тягового электропривода. Первые электрокары использовали “сырые” электродвигатели с такой же “сырой” системой управления. Электрический силовой узел, приемлемый для электромобиля, может быть, не совместим с легковым авто. (Рисунок 3)

Рис. 3. – устройство электродвигателя

Двигатели переменного тока имеют лучшую эффективность, но нуждались в преобразователе тока, получаемого от аккумулятора постоянного тока. Прототипы электрокаров, выпущенных к 2000 году в основном в Японии, применяли синхронные двигатели переменного тока. Современные электродвигатели переменного тока работают при напряжении 70-120 вольт. В основном используется односкоростной привод, способный развивать максимальный крутящий момент при нулевых оборотах. Британская компания Zytec изобрела двигатель весом 13кг, крутящий момент которого 60 Нм (Ньютон * метр), который вполне реально смонтировать в ступице колеса. Современные электроприводы не имеют щеток, большинство электрокаров используют электронное управление двигателем, основанное на высокочастотном принципе.

Гибридные силовые узлы

Для увеличения ограниченного запаса хода в электромобиле рассмотрено использование небольшого двигателя внутреннего сгорания, который заряжает, с помощью генератора, АКБ во время движения, который в свою очередь питает электродвигатель. Так же ДВС может работать в режиме большей экономичности и меньшей токсичности выхлопных газов большую часть времени (или выключаться), дополнительная мощность берется от энергетического буфера. Т.е. за счет меньшего ДВС расход топлива и выброс загрязняющих веществ значительно уменьшаются, при этом цена на гибридный автомобиль примерно такая же, как и на автомобиль с ДВС. (Рисунок 6)

Гибридные автомобили делятся на два вида: последовательный, в котором вся энергия переводится в электричество, и параллельный, в котором первичный двигатель соединяется с ведущими колесами механически через трансмиссию, а поток энергии передается параллельно.

При последовательном типе все соединения, кроме привода от тягового двигателя к ведущим колесам, электрические, т.е. каждый узел располагается в наиболее удобном месте. Параллельный тип – электродвигатель легче и меньше. В последовательном гибриде электродвигателю необходимо развивать полную движущую силу, а в параллельном достаточно 30% этой силы.

Какое то время считалось, что раз гибридный автомобиль оснащен двумя силовыми агрегатами, то и цена на него должна быть выше, чем на автомобиль с одним двигателем. Но проведя детальный анализ, выяснилось, что за счет экономичности гибридный автомобиль может конкурировать с автомобилями, оснащенными только двигателем внутреннего сгорания, в финансовом плане. Эти разработки позволили освоить серийное производство и продажу гибридных автомобилей Toyota Prius и Honda Insight. (Рисунок 4)

Рис. 4. – Гибридный двигатель Toyota Prius

4-дверный седан Prius снабжен гибридной системой Toyota (THS) и интегрированным приводом, который объединяет высокоэффективный 1,5-литровый двигатель внутреннего сгорания и электромотор, приводимый через оригинальный разделитель мощности и бесступенчатую трансмиссию, с управляющей системой, которая гарантирует максимально возможное использование всей доступной энергии.

Для работы автомобиля требуется вполовину меньше топлива, по сравнению с обычным автомобилем такого же размера и мощности, а значит, и выделяется в атмосферу в два раза меньше СО2 Другие выбросы (НС, СО и NOx), как утверждает производитель, уменьшены на 90%. Выходная мощность 1,5-литрового двигателя Prius, который никогда не превышает 4000 об/мин, составляет 58 л.с., в то время как электромотор может добавить дополнительные 40 л.с. (и соответствующий крутящий момент) для спринтерского ускорения.

Топливные элементы
Топливный элемент - продукт наиболее изощренной технологической мысли, который обеспечит долгосрочный ответ на проблему вредных выбросов в атмосферу и исчерпания нефтяных запасов. (Рисунок 5) Кислород и водород заполняют противоположные стороны реактива, и с помощью катализатора они образуют воду, в процессе этой реакции производится электрический ток.

Рис. 5. – Топливный элемент

Разработано несколько типов топливных элементов, но только один подходил для применения в автомобилях, это протонно-обменная мембрана (Proton Exchange Membrane или “PEM”), который способен работать при температуре -80°С. Такой топливный элемент в конце 90-х был больших размеров, дорогим и малоэффективным. К 1999 году компании Daimler Chrysler, Ford, General Motors, Honda, Toyota и другие, представили автомобили на топливных элементах, с удовлетворяющей работоспособностью и поведением, но цена на них по-прежнему была высока.

В 1994 году, компания Daimler Chrysler продемонстрировала модель

NECAR 1, это был минивен, в котором все пространство занимал экспериментальный силовой узел, поэтому в нем было только место для водителя. Через два года компания представила NECAR II, созданный на базе минивена V-класса, имеющий 6 пассажирских мест, силовая установка была расположена под полом, в задней части автомобиля. К 1999 году в автомобиле NECAR 4 А-класса, вся система топливных элементов размещалась под полом, присутствовал багажник и 4 пассажирских места.
В теории топливные элементы должны производить только воду и электричество. Потенциальные проблемы, связанные с преобразованием топлива в водород, необходимый для топливного элемента. Использование сжиженного или сжатого водорода, делает неудобной заправку автомобиля.

Самый простой способ, использование бензина, но он должен отличаться от нынешнего, не этилированный, без добавок и примеси. Так же в скором времени бензин станет очень дорогим из за проблемы истощения нефтяных запасов, более того, этот способ не решит проблему с выбросами СО ₂ .

Топливные баки можно заполнить метанолом, так же как и бензиновые, но для этого потребуется совершенно новая система заправочных станции, которые уже постепенно начинают заменять бензиновые. Водород может сделать топливную систему проще, но появятся вопросы: как хранится, передается и распределяется топливо. Потенциально топливные элементы очень эффективны. ДВС работающий циклами расширения и сжатия, не может иметь эффективность более 50% при преобразование тепловой энергии в механическую. Особенно выгодными топливные элементы будут при низких нагрузках, при которых ДВС теряет свою эффективность.

Рынок гибридных автомобилей

Гибридные автомобили отлично подходят для водителей, которые хотят экономить на бензине и которых волнуют выбросы углекислого газа в атмосферу. Гибриды сочетают в себе электродвигатель с бензиновым двигателем, переключаясь с одного источника питания на другой в зависимости от необходимости . (Рисунок 6)

Рис. 6. – Рынок гибридных автомобилей

1. Toyota Camry hybrid.

Негибридный Сamry от Toyota был самым продаваемым автомобилем Америки в 2016 году. Да и по данным автосалона Кардекс в России автомобиль также пользовался популярностью. Тем не менее гибридный вариант не менее хорош. На самом деле гибридная Camry появилась еще в 2006 году.

2. Chevrolet Malibu hybrid.

Chevy Malibu имеет целый ряд технических преимуществ, например, 4G LTE WiFi.

3. Toyota RAV4 hybrid.

Гибридная версия является единственной, которая поставляется с полным приводом. А еще внедорожник называют убийцей Camry и пророчат последней свержение с пьедестала, несмотря на то, что это два разных автомобиля.

4. Hyundai Sonata hybrid.

Данный автомобиль входит в 10 лучших седанов в аналогичном сегменте. В планах марки – завоевать лидерство среди гибридов в 2020 году.

5. Kia Optima hybrid.

Автомобиль оснащен функциями обеспечения безопасности, такими как помощь при торможении, помощь при старте другими системами.

6. Гибрид Kia Niro.

Niro — второй кроссовер в этом списке вместе с Toyota RAV4. В то время как традиционный RAV4 является одним из самых популярных компактных внедорожников, Niro отстает от конкурентов, таких как Nissan Rogue и Ford Escape. Тем не менее, Niro имеет большой багажник.

7. Honda Accord hybrid.

Accord Hybrid – самый мощный гибридный автомобиль в этом списке. Он немного дороже, чем другие автомобили, но он того стоит.

8. Hyundai Ioniq hybrid.

Ioniq — первый автомобиль Hyundai на гибридном рынке, и автомобиль очень успешный.

9. Toyota Prius hybrid.

Prius давно завоевав гибридный рынок, даже когда на ринг вышли другие конкуренты. То, что действительно отличает его, — это его потрясающие характеристики и надежность.

Преимущества гибридных автомобилей

Главным преимуществом является экономная эксплуатация. В гибридах уравновешены все технические показатели, но при этом сохранены полезные параметры обычного автомобиля: мощность, скорость, способность к быстрому разгону и множество других важных характеристик. Гибридные автомобили способны накапливать энергию, в том числе не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения и заряжать ею аккумуляторные батареи.

Снижение расхода углеродного топлива положительно сказывается на экологической чистоте, а применение аккумуляторных батарей гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снижает проблему утилизации использованных аккумуляторов. В гибридных автомобилях нет необходимости устанавливать двигатель из расчета пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу одновременно включаются электро- и обычный двигатель (а в некоторых моделях еще и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме.

Одно из самых ценных преимуществ эксплуатации гибридных автомобилей — экономия времени. Снижение количества заездов на заправочные станции позволяет автовладельцу осуществить другие важные дела.

У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс этот долгий и требует специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом, для длительных и дальних поездок электромобили непригодны. У гибридных автомобилей этот недостаток устранен. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо.

Недостатки гибридных автомобилей

Опыт США показывает, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой.

Далеко не все крупные автопроизводители смогли создать собственную гибридную систему. Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридных автомобилей, Mitsubishi изначально не пыталась их создать, а сконцентрировала все усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачными на сегодняшний день являются разработки компании Toyota.

Японская аналитическая компания Yano Research Institute провела исследование, результатом которого стал прогноз на 16-кратный рост рынка гибридных автомобилей в течение десяти лет – с 0,32 млн. единиц в 2005 г. до 5,37 млн. в 2015 г. Распространению этого типа автомобилей способствует растущее общественное давление, требующее снижения уровня воздействия на окружающую среду. Предполагается, что рынок будет расти на 28% в год и к 2015 г. достигнет 500 тыс. единиц.

Рис. 7. – Устройство гибридного автомобиля

Авторы статей, которые были взяты для этой работы, в довольно простой для восприятия форме рассматривают такие актуальные проблемы автотранспорта, как топливная экономия, переход от бензиновых и дизельных двигателей на альтернативные источники питания. С более высоким КПД и меньшим уровнем выброса.

В электромобильное будущее я не особенно верю . При современном уровне технологий электромобиль дорог, имеет весьма среднюю автономность и категорически не годится для дальних и быстрых путешествий за пределы дальности его тяговой батареи. Возникает вопрос: а нужно ли идти на такие жертвы ради полной электрификации, если эквивалентный расход топлива уже достижим на гибридных авто? Прогресс в области создания аккумуляторов когда-нибудь позволит сделать идеальный электромобиль, но на это уйдет гораздо больше времени, чем думают современные зеленые экстремисты. Их политика скорее ведет к выбрасыванию огромных ресурсов на ветер и уж точно не способствует снижению антропогенной нагрузки на планету.

Себестоимость гибридов – тайна за семью печатями, редко когда в каких-то публикациях всплывет истинная цена компонентов машины без маркетинговых надбавок. А конечному потребителю по большому счету все равно, сколько это стоит в производстве. Важно только, за сколько эту технологию можно купить, сколько она стоит в эксплуатации и насколько надежна и удобна. Сейчас гибриды неожиданно получили преимущество перед дизельными моторами, хотя недавно еще в Европе слегка от них отставали. И думаю, это преимущество производители реализуют максимально. Просто потому, что вкладываться в совершенствование дизелей рискованно, а больше доступных технологий нет. И им приходится выбирать между электромобилями и гибридами.

Список используемой литературы:

1. Лайкер Джеффри К. Дао Toyota 14 принципов менеджмента ведущей компании мира, М.: Альпина Паблишерз, 2011. - 398 с.

2. Пасько А.В. Современные стратегии развития транснациональных корпораций на мировом рынке легковых автомобилей (на примере шведской компании Volvo), 2011. - 140 с.

3. Кузнецов М.Ю. Анализ экономических предпосылок для разработки государственной стратегии развития отечественной автомобильной промышленности. // Инвестиции и инновации. № 1 - 2009.

4. Дэниэлс Д. Современные автомобильные технологии. -М.: АСТ, 2003. -224 с.

Читайте также: