Гибридные силовые агрегаты для автомобилей

Одна из важнейших проблем, стоящих перед автомобилестроением, – создание силовых агрегатов с минимальными выбросами вредных продуктов сгорания. Исследования в этой области ведутся по разным направлениям – это и совершенствование существующих тепловых двигателей, и создание двигателей новых типов, и разработка комбинированных (гибридных) электромеханических силовых агрегатов.

Необходимость развития гибридных силовых агрегатов основана на целом ряде объективных причин.

Современные автотранспортные средства используют мощность, составляющую около 30‑50% от номинальной. При торможении теряется от 15 до 60% кинетической энергии, передаваемой автомобилю двигателем. Если эту энергию аккумулировать и потом использовать в режимах движения с перегрузкой, то можно сэкономить до 30% топлива.

Проблема экономии топлива и снижения вредного воздействия автомобиля на окружающую среду может быть успешно решена при использовании гибридных электромеханических силовых агрегатов, позволяющих, по оценке специалистов, снизить вредные выбросы в атмосферу на 90 % и более.

Существующие принципы построения силовых агрегатов
В настоящее время существуют два принципа построения гибридных силовых агрегатов – параллельный и последовательный.

В параллельной схеме механическая энергия поступает на колеса как от двигателя внутреннего сгорания двигателя, так и от электромотора. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэкономичных разгонных режимах. Несмотря на простоту реализации этой схемы, она не позволяет значительно улучшить как экологические параметры, так и эффективность использования ДВС. Незначительное улучшение этих параметров за счет повышения мощности электромотор-генератора приводит к значительному увеличению емкости аккумулятора. А следовательно – и массы силового агрегата, что не позволяет уменьшить мощность ДВС. Кроме того, стоимость такого автомобиля намного превышает стоимость обычного автомобиля с улучшенным каталитическим нейтрализатором.

В последовательной схеме ДВС вращает генератор, работая в стационарном режиме, а колеса механически связаны только с электромотором.

Преимущества этой схемы – хорошие экологические параметры, небольшая мощность ДВС и высокая эффективность его использования.

Недостатки – большая емкость аккумуляторов и мощность электромотора, а также – сложность реализации. Это приводит к значительному увеличению стоимости и массы автомобиля.

Для уменьшения недостатков обоих схем применяют смешанную схему. По такой схеме фирма «Тойота» создала пятиместный седан «Prius».



Смешанная схема

«Prius» оснащен 1,5-литровым бензиновым двигателем мощностью 52 кВт и электродвигателем с постоянными магнитами мощностью 33 кВт. Никель-металлогидридная аккумуляторная батарея с максимальной мощностью 25 кВт и напряжением 274 В собрана из 38 модулей, каждый из которых содержит 6 батарей. Автомобиль может двигаться либо за счет ДВС, либо за счет электродвигателя, либо за счет их обоих одновременно. Выбор источника осуществляется электронным блоком в зависимости от частоты вращения и нагрузки в трансмиссии автомобиля. Разделение потока мощности ДВС на передний мост и генератор осуществляет планетарный редуктор. Автомобиль оснащен регенерируемой тормозной системой.

Однако это техническое решение только усредняет как достоинства, так и недостатки обоих схем. Из‑за трансмиссии двигателю приходится работать в неэкономичных разгонных режимах. Большая масса силового агрегата (почти полторы тонны) ухудшает топливную экономичность, а небольшая мощность снижает максимальную скорость и динамику по сравнению с обычными 1,5-литровыми автомобилями.

Таким образом, существующие схемы гибридных силовых агрегатов не позволяют создать серьезную конкуренцию обычным силовым агрегатам. Поэтому необходимо было разработать новую схему гибридного силового агрегата, обладающего достоинствами как параллельной, так и последовательной схем.

У этой задачи оказалось простое и эффективное решение.



Новая конструкция

Предлагаемая новая схема очень похожа на последовательную – ДВС занимается лишь тем, что вращает электрический генератор, работая в стационарном режиме. Однако генератор закреплен в корпусе агрегата с возможностью вращения статора и ротора. При этом ДВС механически связан с ротором генератора, а колеса со статором. Это возможно, так как частота вращения ротора равна частоте вращения ДВС (3000‑5000 оборотов в минуту), а частота вращения статора – частоте вращения ведущих колес (0‑300 оборотов). Следовательно, частота вращения ротора генератора относительно статора изменяется от 2700 до 5000 оборотов в минуту. Что позволяет передавать на колеса часть механической энергии ДВС, как в параллельной схеме, однако при этом не требуется механической трансмиссии. Количество механической энергии, переданной ДВС колесам от режима работы генератора, и в обычном режиме равно количеству механической энергии ДВС, преобразованной генератором в электрическую. То есть, изменяя нагрузку генератора, можно изменять и количество механической энергии ДВС, преобразованной генератором в электрическую, и количество механической энергии, напрямую переданной от ДВС колесам.

Таким образом, агрегат позволяет по сравнению с параллельной схемой повысить эффективность использования и экологические показатели за счет того, что ДВС работает на фиксированных оборотах, приближенных к максимальным, в экологическом режиме, а также упростить конструкцию за счет применения новой схемы подключения ДВС, электрической машины и колес.

В отличие от последовательной схемы агрегат позволяет уменьшить емкость аккумуляторов, мощность электромотора и их массу.

Недостатком же данной схемы является недостаточная эффективность использования ДВС при движении транспортного средства в городских условиях, с частыми и продолжительными остановками.



Как повысить эффективность?

Для решения этой проблемы предлагается использовать в конструкции гибрида дополнительный инерционный накопитель (маховик), механически связанный с ДВС. Это позволяет повысить эффективность использования ДВС и уменьшить емкость, а значит, и массу аккумулятора.

В случае применения этой конструкции для транспортных средств с небольшим пробегом от использования ДВС можно отказаться, но тогда вместо генератора придется использовать электромотор-генератор. В результате получается электрический силовой агрегат с нулевыми вредными выбросами.



Принцип работы нового агрегата

Работает такой силовой агрегат следующим образом.

При небольших и средних нагрузках главный электромотор-генератор работает в режиме генератора. При этом электрическая энергия поступает в аккумулятор, а механическая энергия маховика передается колесам.

При средней скорости главный электромотор-генератор работает в режиме электромагнитного тормоза. Часть механической энергии маховика передается колесам при торможении статором ротора электромотор-генератора, возникающем в результате взаимодействия их магнитных силовых полей.

В режиме разгона или движения с высокой скоростью к работе подключается дополнительный электромотор-генератор, добавляя свою мощность.

При остановке, если аккумулятор заряжен полностью, главный электромотор-генератор работает в режиме двигателя, с направлением вращения ротора, противоположным направлению вращения маховика. Электрическая энергия поступает от аккумулятора. При этом происходит накопление механической энергии в маховике. Если аккумулятор разряжен, главный электромотор-генератор работает в режиме генератора, и электрическая энергия поступает в аккумулятор. В этом режиме тормозная система транспортного средства должна блокировать колеса. При этом происходит накопление электрической энергии в аккумуляторе.

При заднем ходе дополнительный электромотор-генератор работает в режиме двигателя с противоположным направлением вращения.

При плавном торможении дополнительный электромотор-генератор работает в режиме генератора. При этом происходит рекуперации энергии. Выработанная электрическая энергия поступает на аккумулятор.

В качестве маховика лучше использовать супермаховик, изготовленный навивкой из волокон или лент на упругий центр. Удельная механическая энергия накопления такого маховика на порядок больше, чем у монолитных маховиков, к тому же он обладает свойством безопасного разрыва, не дающего осколков.

Такой силовой агрегат может оказать конкуренцию не только обычным, но и электрическим силовым агрегатам автомобилей.

Предлагаемое техническое решение охватывает более 20 конструкций гибридных силовых агрегатов, созданных путем комбинации различных типов двигателей (ДВС, газотурбинный двигатель и т. д.), источников энергии (топливный элемент, стационарный источник и источник, подключаемый через подвижный контакт), накопителей электрической (аккумулятор и конденсатор) и механической энергии (маховик), одной или нескольких электромашин, одного или нескольких ведущих колес. Особенно важно отметить возможность использования данной схемы в качестве теплового двигателя газотурбинного цикла без тяжелого и громоздкого редуктора, что позволяет повысить КПД, мощность и снизить массогабаритные показатели силового агрегата.

С. В. НИКИШИН

Источник: http://www.eprussia.ru