Гибридные автомобили: как это было в XIX и XX веках
Mitsubishi Outlander PHEV называют первым полноприводным гибридом, а пионерами гибридизации принято считать японцев. Но мало кто помнит о том, что первый гибрид 4×4 появился аж в конце ХIХ века.
Идея гибридных автомобилей далеко не нова. Появившись в серийном варианте много лет назад, они по сей день занимают важные места на автомобильных выставках и привлекают немалые бюджеты на разработку. Гибриды разрабатывают все подряд: и Bugatti, и Tata, и даже АВТОВАЗ. Попробуем разобраться, откуда растут ноги, почему они оттуда выросли и в какую сторону они растут. И для начала, разумеется, нужно обратиться к истории.
Первые электромобили: всё гениальное просто
Есть много исторических сведений по разработке и созданию автомобилей, использовавших сочетание электричества и углеводородного топлива для передвижения. И первые из них датируются даже не двадцатым, а девятнадцатым веком! Да-да, хоть и кажется, что в те годы все только ездили верхом, ходили по балам и поголовно умирали от простуды и бубонной чумы, на самом деле уже тогда дела с техникой обстояли уже весьма серьезно.
На фото: Lohner-Porsche
Так, в конце ХIХ века Фердинанд Порше (да, тот самый, продуктивный был человек), молодой инженер, работавший тогда в компании Jacob Lohner & Co, создал совместно с ее владельцем первый в мире гибридный автомобиль. Да еще какой!
Только оцените конструкцию: бензиновый двигатель с постоянной скоростью вращал генератор, который заряжал блок аккумуляторов, которые, в свою очередь, питали электромоторы, установленные непосредственно на передних колесах. Никаких сложных трансмиссий, редукторов, приводных валов, передач, ремней, цепей. Это даже не Toyota Prius! Это лучше! Здесь тебе и гибридный привод, и мотор-колеса, и минимальные потери энергии, и высоченный КПД… А на дворе, повторимся, стоял ХIХ век.
Модель, логично названная Lohner-Porsche, была достаточно популярной по меркам того времени, ее тираж составил более 300 экземпляров. К слову, первый автомобиль с приводом 4х4 мало того что был изобретен на рубеже ХIХ и ХХ веков, так еще и был гибридным. Как вы, наверное, догадались, Порше и Лонер просто добавили еще пару мотор-колес к первоначальной конструкции – вот и всё, постоянный полный привод готов! Так что Mitsubishi Outlander PHEV, который сами японцы называют революционным – это, как говорится, хорошо забытое старое.
Несколько лет спустя свое видение электромобиля предложил бельгийский производитель немецкого происхождения Генри Пипер. В его вариации ведущую роль играл бензиновый двигатель, которому при движении в гору или при большой нагрузке помогал электромотор. Схема куда более несовершенная, но отказать ей в праве на жизнь тоже нельзя.
На фото: Mitsubishi Outlander PHEV
А еще несколько лет спустя американец по фамилии Пайпер (просто совпадение, ничего личного) запатентовал очередной электромобиль, в котором снова лидировал двигатель на жидком топливе, а его электрический компаньон лишь помогал ему в разгоне и для достижения максимальной скорости в 40 километров в час. Но…
Но тут пришел Генри Форд. Генри Форд, который взял и наладил массовое производство дешевых бензиновых автомобилей. Разумеется, сложная схема с двумя моторами и прочими «нагромождениями» сразу стала неактуальной, да еще и электростартер вскоре изобрели вместо «кривого», так чего еще было желать простому обывателю. Этого было вполне достаточно, чтобы и тема электромобилей, и уж тем более гибридов, стала малоинтересна основной массе людей.
Второе пришествие гибридов
Забвение бензоэлектрических машин продолжалось до 60-х годов ХХ века. В том и последующем десятилетиях произошли некоторые подвижки в отношении гибридов, причем они были инициированы разными людьми.
Так, в начале шестидесятых Конгресс США объявил о том, что неплохо было бы озаботиться сокращением загрязнения окружающей среды и начать делать электромобили, ну или хотя бы гибриды. А примерно в это же время инженер Виктор Воук подумал о том же и вместе со своим коллегой, Чарли Роузеном, занялся разработкой машины с комбинированным приводом. За основу был взят Buick Skylark благодаря своему просторному моторному отсеку и другим удобствам.
На фото: Buick Skylark
К семидесятым годам двум инженерам удалось добиться определенных успехов, построив желаемый автомобиль, несущий под капотом небольшой двигатель Ванкеля и электромотор. Американское Агентство по защите окружающей среды, с которым они сотрудничали, до последнего одобряло проект, и он даже прошел несколько тестов. Однако внезапно Агентство заявило, что дальнейшие финансовые ассигнования прекращаются, равно как и поддержка проекта, так как имеющееся в их распоряжении оборудование не может полноценно и правильно оценивать автомобиль, имеющий более одного двигателя. Без государственной помощи дела у двух инженеров пошли хуже, и в результате у них банально кончились деньги на продолжение разработки. Проект закрылся.
Столь же печальная судьба была и у проекта General Motors 512, который, в принципе, даже сложно назвать автомобилем – микрокар на микроколесиках, малопригодный для повседневной езды по дорогам. Разрабатывавшийся примерно в то же время General Motors XP-883 куда больше походил на настоящую машину, был одним из немногих plug-in гибридов (заряжаемых от розетки) и даже использовал относительно доступные для выпуска технологии GM. Ответ: снова нет.
Правда, еще лет 20 никто так и не выдал отличных серийных автомобилей с гибридным приводом. Все ограничивалось концептами и экспериментами, коих было не очень много. В качестве примеров можно привести Volvo ECC, Volkswagen Taxi Hybrid и Audi Duo. А в 1994 году президент Toyota Акихиро Вада собрал команду инженеров и поставил перед ними конкретную задачу: разработать автомобиль, вдвое более энергоэффективный, чем все нынешние.
Всё о гибридах: как они устроены и какими бывают
Гибридные автомобили уже перестали вызывать удивление на улицах, но их конструкция до сих пор является для многих загадкой
Ответить на вопрос об устройстве современного гибрида одновременно и просто, и сложно. В общем понимании, это автомобиль, силовая установка которого состоит из электромотора и двигателя внутреннего сгорания, которые так или иначе совместными усилиями вращают колёса. Этого достаточно, чтобы объяснить любому непосвящённому, что значит загадочное слово Hybrid на кузове обычной с виду машины. Но стоит копнуть глубже — и голова идёт кругом от того, какое количество технических решений и вариантов компоновок наворотили создатели современных гибридов! Запутаться в обилии терминов и инженерных решений проще простого, но в нашем материале мы разобрались, какими вообще бывают гибриды и как они все устроены. Первый критерий, по которому можно разделить все гибридные автомобили, — насколько развита их способность двигаться на электротяге.
Микрогибриды — простейшая форма гибридной жизни
Самая примитивная форма гибридизации — это продвинутая версия системы «старт-стоп». Здесь никакие электромоторы не толкают автомобиль вперёд, и гибридной такая технология является достаточно условно, поэтому сразу выделим микрогибриды в особую категорию вне всяких классификаций. В таких автомобилях специальный мощный стартер способен не только раскручивать двигатель для запуска, но и работать как генератор при рекуперативном торможении. Собираем «бесплатное» электричество — экономим на паразитной нагрузке ДВС (у которого нет необходимости вырабатывать бортовое электричество в дополнение к основным тяговым обязанностям), а значит и расходе топлива. Подобранная буквально с дороги и сохранённая в усиленной батарее и/или специальном накопителе электроэнергия идёт потом на перезапуск двигателя внутреннего сгорания при работе системы «старт-стоп», питание климатической установки, электроприводов, светотехники и других бортовых устройств, а сэкономленное на этом топливо — на дополнительные километры пробега. Подобные технологии используют многие производители: это i-ELOOP от Mazda, e-HDI от Peugeot, Blue Drive от Hyundai и другие.
Производители заявляют, что микрогибридная технология позволяет экономить до 10-15% топлива
Высшая степень электрификации: гибриды типа plug-in
Но настоящие, полноценные гибриды всё-таки способны на большее, как с точки зрения экономии топлива, так и в плане тяговых возможностей. Всё потому, что их электродвигатели не только собирают электроэнергию в роли генераторов для зарядки батарей, но и вращают колёса совместно с двигателем внутреннего сгорания. Только делают это по-разному. Самые совершенные конструкции обеспечивают возможность двигаться как с помощью совместных усилий ДВС и электромотора, так и на чистой электротяге, причём достаточно продолжительное время. Для этого их батарея имеет увеличенный объём, электромотор — высокую мощность (70-100 л.с. и выше), а наряду с лючком бензобака в кузове имеется и порт для подключения электрического шнура для зарядки от обычной розетки. Это решение получило общераспространённое обозначение plug-in (плаг-ин) и по своей сути представляет собой промежуточное звено между традиционными автомобилями и электрическими
Всё потому, что благодаря в разы более объёмной, чем у обычных гибридов, батарее «плагины» могут преодолевать на электротяге без единой вспышки в цилиндрах ДВС до 50 километров. Это вполне приличная по городским меркам дистанция, безвредно для окружающей среды повторять которую можно снова и снова при условии регулярной «дозаправки» батарей из розетки. Но усреднённый показатель с учётом условий движения и разницы в технических характеристиках — около 25-30 км. Что тоже, впрочем, немало. Ведь способность полноценно передвигаться на электричестве в коротких городских поездках является серьёзным конкурентным преимуществом перед другими, более простыми гибридами, которые едва ли доедут на электротяге до следующего светофора!
Меньшая степень электрификации: полные и умеренные гибриды
Гибридные автомобили, которые не умеют заряжаться от розетки, также делятся на подвиды: это полные и так называемые умеренные (mild в англоязычных источниках). Первые благодаря большему объёму батарей, большей мощности электромотора способны двигаться исключительно на электротяге обычно в пределах 2-4 километров, а вторые используют слабенький электромотор только в качестве помощника для ДВС и «на батарейках» (ввиду их скромного объёма и общей примитивной конструкции системы) не способны проехать и метра. При этом умеренные гибриды запасают энергию только посредством рекуперативного торможения, а полные ещё и с помощью двигателя внутреннего сгорания, соединённого, как правило, с отдельным генератором.
Типичный представитель класса умеренных гибридов — Honda Civic Hybrid, CR-Z и все остальные «Хонды», использующие фирменную технологию IMA (Integrated Motor Assist). Умеренными гибридами также являются американцы Buick LaCrosse, Chevrolet Malibu и Impala, BMW ActiveHybrid 7. А ещё умеренным гибридом является… гиперкар Ferrari LaFerrari! Ему ни к чему чистая электрическая тяга, а вот дополнительная мощность в 163 л.с. в дополнение к бензиновым 800 будет очень кстати!
Идеологически умеренные гибриды ближе к классу микрогибридов и часто понимаются как единое целое. Хотя различие между ними всё же есть: в отличие от умеренных, микрогибриды неспособны поддержать бензиновый двигатель своей тягой. Полные же гибриды концептуально стремятся к классу «плагинов» и кратковременно способны произвести на неподготовленного человека примерно такое же впечатление — могут ведь ехать бесшумно! Однако реальное использование чётко обозначает пропасть между потребительскими качествами первых и вторых, если, конечно, использовать преимущество зарядки от розетки гибрида типа plug-in.
Все гибриды также делятся на подвиды в зависимости от того, какой двигатель непосредственно вращает колёса. Здесь мы переходим ко второму основному критерию классификации гибридных машин — компоновке.
Умеренные гибриды ещё и едут более чем умеренно, так как электродвигатели там применяются слабые (10-20 кВт), максимальный запас электроэнергии ничтожен, а масса выше, чем у не гибридных версий той же модели. Впрочем, то же самое, только в чуть меньшей степени, можно сказать и про большинство полных гибридов. Взять хотя бы наши впечатления от теста гибридного Nissan Pathfinder нового поколения
Компоновка: последовательные гибриды
В случае, когда двигатель внутреннего сгорания в принципе не вращает колёса механическим способом, гибрид представляет собой по сути электромобиль с бортовым генератором электричества, роль которого и исполняет ДВС. Такие гибриды принято именовать последовательными. Эта схема отличается простотой, так как нет необходимости сооружать сложную трансмиссию — электромоторы вращают колёса через единственную главную передачу, которая служит для формирования нужного крутящего момента. Но класс последовательных гибридов сегодня представлен единичными моделями, так как эффективность подобного решения неоднозначна. Ведь энергию сгорания топлива приходится преобразовывать сначала в механическую, потом механическую в электрическую, а в конце электрическую — в работу непосредственно на колёсах
Поэтому функционирующий по такой схеме гибрид должен обязательно иметь хорошо развитые электрические способности. Ярким представителем этого класса электромобилей-гибридов был более не выпускаемый седан Fisker Karma, а из современников упомянем, прежде всего, Chevrolet Volt и BMW i3. Volt способен проезжать на электротяге 80 километров (благодаря тому, что он относится к категории подзаряжаемых гибридов plug-in), а если систему будет подпитывать генерирующий электричество 1,5-литровый ДВС, то непрерывный пробег увеличится до 676 км. Для электромобиля BMW i3 бензиновый двигатель — вообще опция, с которой чисто электрический запас хода в 160 км превращается в гибридный 300-километровый.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором между ДВС и трансмиссией
Но если вышеупомянутая схема по своей сути ближе к электромобилю, то такие автомобили, как Porsche Panamera S E-Hybrid и Cayenne S E-Hybrid, Volkswagen Golf GTE и Passat GTE, Mercedes-Benz S 500 e и С 350 e, BMW X5 xDrive40e и другие сочетают в себе привычные нам свойства бензиновых машин и способность проехать получасовой маршрут на электричестве. Для того, чтобы сохранить все «бензиновые» преимущества, мощные моторы таких машин имеют жёсткую связь с колёсами. Электродвигатель не нарушает привычную компоновку этих моделей, потому как встроен в коробку передач, и при необходимости мощности ДВС и электромотора суммируются. Эта схема называется параллельной, так как моторы обоих типов работают одновременно. В зависимости от выбранного водителем режима, бензиновый мотор может либо вращать колёса совместно с электродвигателем, либо последний будет работать в качестве генератора и запасать электричество в батарее на будущее. Чисто электрический режим реализован посредством сцепления между трансмиссией и ДВС: если оно разомкнуто, то электромотор вращает колёса в одиночку.
Компоновка: параллельные гибриды с электромотором отдельно от ДВС и трансмиссии
Отдельно стоит достаточно обширная и одновременно разношёрстная группа гибридных автомобилей, у которых один или несколько электромоторов не сблокированы с коробкой передач и двигателем, а вынесены на периферию. Первопроходцем в таких решениях стала компания Toyota со своей технологией HSD (Hybrid Synergy Drive), которая лежит в основе подавляющего большинства бензиново-электрических Toyota и Lexus. Это очень сложная и достаточно эффективная конструкция: помимо батареи и обслуживающей систему электрики, она состоит из двигателя внутреннего сгорания и двух электромоторов, объединённых посредством планетарной передачи. Планетарная передача — это механическая конструкция из нескольких шестерён и осей, которая объединяет, разделяет и преобразует крутящий момент от нескольких источников.
Один из электромоторов системы служит стартером и генератором, а второй является тяговым и рекуперирующим электричество при замедлении. Благодаря особенностям планетарного механизма, ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора. Для подробного разбора устройства гибридной установки Toyota потребуется отдельный большой материал, а в рамках этого общего нужно понимать главное: традиционная трансмиссия здесь заменяется планетарной передачей и контролирующей силовые модули (ДВС и два электромотора-генератора) электроникой — в зависимости от потребностей водителя, тяговый электромотор выдаёт определённую мощность отдельно или совместно с двигателем внутреннего сгорания, а избыточная тяга последнего средствами планетарного механизма идёт на вращение второго мотора-генератора и, соответственно, зарядку основной батареи.
Однако не одна только Toyota решилась на инженерные извращения в области гибридов. Несколько более простую схему разнесённых ДВС и электромоторов используют Volvo и Peugeot для создания гибридных полноприводников. Идея проста и одновременно красива: переднюю ось пусть приводит турбодизель (ещё одно экзотическое решение в мире питающихся обычно бензином гибридов), а заднюю — электродвигатель. При необходимости (или по принуждению водителя) включения полного привода гибрид начинает работать как последовательно-параллельный: ДВС одновременно вращает через обычную автоматическую коробку передач переднюю ось и питает через генератор электромотор, который крутит колёса задней оси. В чистом же электрорежиме автомобиль является заднеприводным. Volvo V60 Plug-In Hybrid ещё и оказалась самой дальнобойной в электрическом плане за всю историю наших тестов гибридов — за счёт ёмкой батареи и хорошо отлаженных алгоритмов универсал покрыл на электротяге 46 километров!
Нечто подобное, только наоборот, изобрели в BMW, когда проектировали футуристичный суперкар i8. У него бензиновая установка с автоматической коробкой передач и электромотором-генератором находится сзади, а тяговый электродвигатель — на передней оси. Система работает таким образом, что гибридное купе может быть либо переднеприводно-электрическим, либо полноприводно-гибридным. Переход на задний привод невозможен по той причине, что в случае опустошения батареи ДВС, по задумке инженеров, начинает работать одновременно в режиме вращения колёс задней оси и питания переднего электродвигателя через второй мотор-генератор — это всё та же последовательно-параллельная схема. Интересной особенностью BMW i8 является то, что передний электродвигатель вращает «ось» через двухступенчатую коробку передач, что позволяет достигать на одной только электрической тяге скорости 120 км/ч.
Гибридное будущее однозначно за конструкциями типа plug-in, потому что именно они дают реальную экономию топлива. К тому же, большинство «плагинов» — это два автомобиля в одном: бесшумный и плавный электрический плюс бензиновый со взрывной динамикой, которую обеспечивает увесистый электрический «буст». Однако для полноценного использования такого автомобиля владелец должен иметь возможность обеспечить его зарядной инфраструктурой. В противном случае проще остановиться на обычном полном гибриде, не имеющем функционала подключения к розетке — пусть его пробег на электричестве и ничтожен в сравнении с «плагинами», но и весит вся конструкция меньше, и стоит дешевле. Смысл в вымирающих умеренных гибридах, которые неспособны двигаться без участия ДВС, практически отсутствует — эффект от применения электротяги здесь едва ли оправдывает лишнюю массу и более высокую стоимость в сравнении с негибридными версиями. Есть будущее и у микрогибридов: отношение затрат к достигаемому с помощью этой технологии эффекту выглядит выгодным. Что касается механической схемы, то это больше вопрос настройки: конечного пользователя не должно волновать как и с помощью чего распределяются потоки мощности и энергии в недрах автомобиля — индустрия знает примеры как отличной, так и не слишком идеальной работы любой из известных схем.
Гибридные автомобили: от истории до перспектив
Перед тем, как отправиться в прошлое нам необходимо дать определение гибридному автомобилю, чтобы знать, что искать.
Гибридный автомобиль – это средство передвижения, которое использует для привода ведущих колёс разнородную энергию. Довольно часто понятие гибридного автомобиля включает в себя следующую схему: «двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатель (ТЭД)».
Самые первые гибридные автомобили (если такой агрегат можно было назвать автомобилем) появились ещё в середине девятнадцатого века. Эти неуклюжие, примитивные конструкции развивали скорость не более 10 километров\час (чуть больше средней скорости человека). Основным источником энергии, которая приводила в движение это чудо инженерной мысли, была паровая установка.
Первая версия гибрида, который использовал электрическую энергию в качестве двигательной силы, появилась в 1839 году. Разработал эту модель основатель электромобилестроения Роберт Андерсон. Правда изобретение первого гибридного электромобиля так и осталось незамеченным широкой общественностью и вскоре о нём забыли.
Достоинства и недостатки гибридных автомобилей
Достоинства:
Экономия в эксплуатации гибридов. Это одно из ключевых преимуществ гибридных автомобилей. Чтобы найти «золотую середину» между экономией топлива и техническими характеристиками проводятся испытания моделей. То есть, сохранить мощность, скорость, ускорение и при этом довести показатель использования топлива до минимальных значений – это и есть основная цель разработки и последующих модификаций гибридной установки.
Экологически безвредная эксплуатация. Возможность сократить выброс вредных веществ в атмосферу до минимальных количеств, полная остановка двигателя во время стоянки, небольшие размеры аккумуляторных батарей (меньше утилизировать) – все эти свойства способствуют улучшению экологической обстановки, особенно в крупных мегаполисах.
Отличные ходовые характеристики. Использование, в необходимых случаях, сразу двух двигателей (ДВС и электромотора) позволяет достигнуть нужной мощности, без установки более сильного бензинового мотора. Например, при движении по наклонной плоскости на гибриде работают сразу два двигателя, создавая при этом необходимую мощность для передвижения. Довольно часто гибридные установки используют во внедорожниках и спортивных карах.
Дальность пробега. Решение извечной проблемы электромобиля в дальности хода на одной зарядке в гибриде достигнуто. Заправка бензином или дизельным топливом происходит в несколько раз реже, так как ДВС используется в основном для поддержания работы генератора энергии. Словом, как тут не вспомнить название первого гибридного автомобиля Порше «Всегда живой».
Заправка обычным топливом. В отличие от электромобилей, которые необходимо заряжать значительное время: в домашних условиях – 6-8 часов, а на специальных станциях источником большого напряжения (50 кВт) – 15-20 минут, гибриды заправляются углеродным топливом, на самой обычной АЗС. Это большой плюс гибридов, так как после быстрой заправки бензином или дизтопливом можно сразу продолжать движение.
80/20. Этот золотой принцип заложен и в эксплуатации гибридных автомобилей в городском цикле. Так 80 процентов времени гибрид работает как электромобиль и только 20 % как ДВС.
К недостаткам гибридных автомобилей можно отнести следующие качества:
Сложность гибридной установки. Гибридные установки гораздо сложнее в ремонте и производстве, чем автомобили на ДВС.
Утилизация аккумуляторных элементов.
Достаточно высокая стоимость моделей. Сложность производства гибридов и их непростой ремонт влечёт за собой увеличение стоимости на автомобили с гибридной установкой.
Производители гибридных автомобилей
Конечно же, первая компания — производитель гибридов, которая добилась серийного выпуска своих моделей – это Toyota. В модельном ряде японской компании шесть разновидностей гибридов: Toyota Prius, Lexus RX 400h, Toyota Highlander, минивэн Toyota Estima Hybrid, Toyota Crown, автобус Coaster. В будущем планируют пополнить парк гибридов такие модели как Toyota Camry Hybrid и Lexus GS 450h.
Далее в рейтинге следует Honda. Её модельный ряд гораздо скромнее и насчитывает всего три гибрида: Accord Hybrid, Insight и Civic Hybrid. Основным отличием от гибрида Toyota – последовательное включение ТЭД в силовую схему автомобиля.
Европейский коллега по гибридному цеху Ford может похвастаться только двумя моделями: Escape Hybrid и Mercury Mariner Hybrid.
Audi выпускает гибрид-внедорожник Q7.
DaimlerChrysle планирует производить Direc Hybrid, Blueteс Hybrid.
General Motors выпускает гибриды: Chevrolet Silverado, GMC Sierra Hybrid, Opel Astra Diesel Hybrid.
Mazda: Mazda Demio.
Renault: Renault Kangoo.
Nissan: Altima Hybrid.
Перспективы гибридных автомобилей
Гибридизация автомобильного парка происходит везде по-разному и с различной скоростью. Обуславливается это тем, что Европа ещё в середине прошлого века перешла на дешевые дизельные модели и не спешит пока выкидывать деньги (причем немалые) за гибридную установку. В Америке гибридов гораздо больше потому, что японский производитель насыщает в, первую очередь, авторынок США. В Японии, Китае и Корее гибридизация идёт семимильными шагами, так как количество проживающих в этих странах людей достаточно большое и экономное использование топлива становиться приоритетной задачей. И, конечно же, наличие в Японии крупнейших производителей гибридных моделей, таких как Toyota и Honda только способствует популярности данного вида транспорта.
В целом, несомненно, когда гибридные автомобили станут гораздо дешевле и доступнее, тогда можно будет говорить о серьезной конкуренции их с автомобилями на ДВС.