Что представляют собой гибридные двигатели

Гибридный легковой автомобиль

Выполненные работы по проекту «Класс В»

Разработка и описание структуры гибридного автотранспортного средства, в которой отражены все основные компоненты систем автомобиля и установлены взаимосвязи между ними.

Результаты

Была разработана структурная схема АТС включающая все компоненты и взаимосвязь между ними, представлена в графическом виде (рис. 1).

Структура позволяет оценить функциональную целостность объекта, избегая, таким образом, возможной избыточности или недостаточности в количественном или качественном выборе различных элементов автомобиля, таких как блоки управления, датчики, исполнительные устройства и так далее.

• все составные части автомобиля, рассматриваемые при решении поставленной задачи;
• представление о наличии и типе взаимосвязей между рассматриваемыми элементами автомобиля.

Рис. 1) Структурная схема гибридного АТС.

Разработка и описание алгоритмов для обеспечения движения гибридного автотранспортного средства класса В.

Результаты

Для обеспечения движения и корректного функционирования всех систем был разработан основной алгоритм движения.

Алгоритм представляет собой замкнутую разветвленную цепь. При любом состоянии системы производится сбор данных с датчиков с последующей фильтрацией сигналов, вывод информации на панель приборов о текущем состоянии систем автомобиля, а также выполнение действий блока Диагностики и Безопасности. Последний имеет два выхода, один из которых соответствует критическому режиму работы систем автомобиля и возвращает к получению данных с датчиков.

При нормальном или аварийном режимах работы алгоритм проходит полный круг. Дальнейшие действия определяются наличием движения и его необходимостью. При прохождении полного круга осуществляется возврат к блоку получения данных.

Также были разработаны и описаны алгоритмы блоков, входящих в основной алгоритм движения, обеспечивающих безопасность, экологичность и экономию топлива.

Обзор и условия выполнения функций гибридного АТС.

Результаты

В соответствии с заданием были описаны все функции гибридного АТС, обеспечивающие функциональные возможности автомобиля: режимы работы АТС с КЭУ, требуемые характеристики управления элементов силового привода, климатические режимы, автоматические режимы, безопасность и другие. Дано описание назначений функций и условие их выполнения.

Описание команд передаваемых между блоками управления.

Результаты

Для качественной работы блоков управления в составе автомобиля, необходимо чтобы они взаимодействовали друг с другом. Взаимодействие блоков осуществляется с помощью CAN шины. При реализации данной задачи были описаны все команды блоков управления с уточнением требуемого времени выполнения команды и требуемой точности выполнения команды.

Разработка карт распределения требуемой мощности в режиме КЭУ между ДВС и электромашиной.

Результаты

Для распределения требуемой мощности в режиме КЭУ была разработана карта, по которой определяется, какую часть от требуемой мощности необходимо в данный момент взять с ДВС и электромашины.

Карта распределения мощности для режима «КЭУ».

По карте в зависимости от требуемой мощности на колесе и степени заряда АКБ рассчитывается количество мощности, которую необходимо взять с ЭД и ДВС. Впоследствии взятые с карты значения корректируются с учетом температуры компонентов и количества топлива в баке с помощью соответствующих коэффициентов.

Карта удовлетворяет следующим условиям:

• обеспечивает работу двигателя внутреннего сгорания с минимальным или близким к нему удельным расходом топлива в как можно большем количестве точек;
• обеспечивает большую интенсивность использования электромашины в тяговом режиме при высоком уровне заряда батареи и меньшую (вплоть до перехода в генераторный режим) при низком во избежание разряда батареи или полного заряда;
• обеспечивает соответствие мощности, получаемой от КЭУ на выходе, той мощности, которую требует водитель (то есть сумма мощностей с ДВС и электромашины равна требуемой мощности на колесе);
• имеет зону нулевой мощности, снимаемой с ДВС, при высоком уровне заряда батареи и малом значении требуемой мощности, что соответствует переходу в режим электромобиля (движение только на электротяге).

Создание математической модели гибридного АТС с целью изучения различных характеристик.

Результаты

В соответствии с заданием была создана модель гибридного автомобиля, позволяющая воспроизводить его движение в различных условиях по различным ездовым циклам. Модель описывает движение автомобиля с комбинированной энергетической установкой параллельного типа.

Модель движения гибридного автомобиля представлена на рисунке выше. Она включает в себя:

• блок управления гибридным автомобилем HybridCarECU, задачей которого является контроль работы большинства агрегатов и систем.
• блок Driver имитирует воздействие водителя автомобиля на органы управления.
• блок ДВС (Engine), который рассчитывает крутящий момент, снимаемый с двигателя.
• блок электромашины (GearboxED), который рассчитывает крутящий момент, снимаемый с электродвигателя.
• блок модели коробки передач со сцеплением (Gearbox), который рассчитывает требуемую передачу, частоту оборотов и крутящий момент на колесах.
• блок аккумуляторных батарей (Battery), который рассчитывает степень их заряда по мощности на электромашине, а также температуру.
• блок Inverter также служит для расчета температуры инвертора по величине передаваемой им мощности.
• блок Cardynamics описывает поведение автомобиля под действием моментов, приложенных к ведущим колесам от КЭУ и тормозной системы, а также сил сопротивления со стороны воздуха и дорожного полотна. Выходным параметром подсистемы является скорость автомобиля.

На рисунке ниже представлен результат моделирования блока Driver. На верхнем графике синий линией обозначен заданный цикл, розовой – реальная скорость автомобиля, значения практически совпадают, что говорит об адекватности модели. На нижнем графике показано воздействие водителя на педали, положительная полуось отвечает за газ, отрицательная за тормоз.

На рисунке ниже изображена нагрузка на ДВС (верхний график), и ЭД (нижний график) при отработке данного цикла, которые рассчитываются в блоке управления ECU.

Моторное масло для гибридных автомобилей

Полезные ссылки

Mobil 1™ — доказанная эффективность для гибридных автомобилей

Гибридные автомобили знакомы большинству современных автомобилистов. Однако мало кто знаком с разновидностями и принципом работы этих высокотехнологичных альтернативных силовых агрегатов, и ролью моторного масла в их функционировании.

Компания ExxonMobil регулярно проводит комплексные тесты для бесперебойной работы гибридных автомобилей. Стендовые испытания в безостановочном режиме на протяжении 80 000 км, имитирующие пробег в тяжелых условиях городского движения и автострады, показали, что масла Mobil 1™ 0W-20 и Mobil 1™ х1 5W-30 обладают великолепными эксплуатационными характеристиками, независимо от типа гибридного автомобиля, а осмотр гибридного силового агрегата показал, что моторное масло Mobil 1 обеспечивает высокую защиту от износа и возникновения отложений и шлама.

В результате испытаний инженерами ExxonMobil было выявлено, что гибридные силовые установки любой конфигурации — последовательной, параллельной и смешанной — демонстрируют более высокие эксплуатационные характеристики при использовании высокотехнологичного моторного масла Mobil 1, обеспечивающего бесперебойную работу и высокий уровень защиты двигателя.

Как работают гибридные автомобили?

Гибридные автомобили выделяются использованием нескольких источников энергии. Наиболее частым дополнительным источником энергии в гибридах является электричество. Благодаря использованию электрической энергии гибридные силовые установки в меньшей степени зависят от углеводородного топлива, позволяя его экономить и снижать вредное воздействие на окружающую среду. В современных гибридных автомобилях используется три основных компонента: двигатель внутреннего сгорания, электромотор и аккумулятор.

Гибридная технология высокоэффективна в ежедневном использовании автомобиля в городских условиях. При движении на низкой скорости гибриды могут работать исключительно за счет энергии аккумуляторного блока и электродвигателя. Рекуперативное торможение используется для подзарядки аккумуляторной батареи гибридного автомобиля, поглощая кинетическую энергию, которая возникает при инерционном движении до остановки. Кроме того, системы «старт-стоп» выключают двигатель при полной остановке автомобиля, таким образом снижая потребление энергии, расходующейся на поддержание работы двигателя на холостом ходу.

Три типа гибридных силовых установок

Силовые установки служат для передачи энергии на колеса автомобиля. Традиционные силовые установки состоят из двигателя, трансмиссии, карданного вала, подвески и колес. Для гибридных автомобилей характерно не только наличие дополнительных компонентов силового агрегата, но и возможна разная конфигурация устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная.

Последовательная — электродвигатель передает движение на колеса, получая электроэнергию от аккумулятора или генератора, приводимого в действие двигателем внутреннего сгорания.

Параллельная — электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания работают параллельно для выработки энергии, приводящей в движение колеса.

Смешанная — электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания могут независимо вырабатывать энергию для колес.

Энергия, получаемая только от электричества и только от бензина, позволяет смешанной конструкции обеспечивать наиболее эффективную эксплуатацию с точки зрения экономии топлива среди упомянутых разновидностей силовых агрегатов. Смешанная схема устройства может функционировать как последовательный силовой агрегат на низких скоростях, а затем обращаться к выработке энергии из бензина при движении на высоких скоростях. Многофункциональная смешанная конструкция потребляет меньше топлива и обеспечивает оптимальную эффективность.

Ищите подходящие продукты для вашего гибридного автомобиля в рекомендованных* точках продаж и на сервисных станциях Mobil 1 Центр SM .

* Список точек продаж, доступный на сайте по ссылке, не является исчерпывающим, регулярно обновляется и содержит точки продаж, где оригинальность продукции Mobil постоянно проверяется.

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:

1. Работа двигателя внутреннего сгорания осуществляется на неизменных оборотах.
2. Не возникает необходимости в двигателе с большой мощностью и потреблением топлива.
3. Коробка передач, как и сцепление здесь не нужны.
4. Электрическая энергия высоковольтной АКБ гибрида позволяет двигаться автомобилю с заглушенным ДВС.

Отрицательные стороны последовательной схемы:

1. На этапах преобразования энергии происходит ее потеря.
2. Габариты и стоимость АКБ достаточно высокие.

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.

Мягкие гибриды

Volvo Cars всегда стремится добиться совершенства. Мы разрабатываем технологии электрификации, включая электромобили, подключаемые гибриды и сегодня мы предлагаем технологии мягких гибридов, которые обеспечивают превосходные ездовые качества и позволяют повысить эффективность расхода топлива.

Новое поколение гибридных технологий

Мягкие гибриды представляют собой более эффективное решение, обеспечивающее снижение нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, тем самым сокращая расход топлива и улучшая ездовые характеристики автомобиля. Мягкая гибридная технология включает электромотор, батарею 48 В, преобразователь 12 В/48 В и традиционный двигатель внутреннего сгорания. Электромотор выполняет функцию стартера, облегчающего работу двигателя. Он также работает как генератор, позволяя использовать энергию торможения, которая передается на батарею 48 В. Такая схема использования электроэнергии обеспечивает более уверенные ускорения автомобиля.

Часто задаваемые вопросы

Мягкий гибрид также считается электромобилем. Мягкие гибриды используют двигатель внутреннего сгорания и электромотор, что позволяет сократить вредные выбросы и повысить топливную экономичность. Электромотор получает энергию от батареи 48 В, которая генерируется в процессе торможения. Эта энергия используется в качестве дополнительной, поддерживая двигатель внутреннего сгорания в процессе трогания с места и ускорений.

Нет. Электромотор усиливает тягу двигателя внутреннего сгорания и сокращает, оказываемую на него нагрузку.

Мягкий гибрид позволяет сократить расход топлива и снизить вредные выбросы. Мягкие гибриды обходятся дешевле по сравнению с полными гибридными моделями или подключаемыми гибридами.

Мягкий гибрид использует электромотор для поддержки двигателя внутреннего сгорания. Полный гибрид оснащен более мощным электродвигателем и батареей по сравнению с мягким гибридом. Полный гибрид может обеспечивать движение автомобиля на электротяге на коротких расстояниях. Заряд батареи осуществляется от двигателя или за счет рекуперации энергии торможения. Подключаемый гибрид заряжается напрямую от сети в доме или на общественной станции зарядки. Подключаемый гибрид обладает большим запасом хода на электроэнергии за счет более мощной батареи и электродвигателя. Подключаемый гибрид может использоваться большинством людей для поездок только на электроэнергии до работы и обратно.

Это зависит от расстояния, которое вам необходимо проезжать ежедневно, а также от требуемого вам уровня электрификации вашего автомобиля. Все гибридные модели предлагают экономию расхода топлива и снижение выбросов, а во многих странах владельцы гибридных автомобилей платят меньше дорожных сборов. Многие страны сегодня предлагают различные стимулы при покупке автомобилей с системами электрификации. Более подробную информацию вам может предоставить ваш дилер Volvo.

Да. Volvo предлагает возможности лизинга и новую услугу подписки, которая называется Care by Volvo. Эта программа позволит вам оценить преимущества электромобиля. В настоящее время мы предлагаем подключаемые гибридные модели, а в скором времени мы предложим в нашем модельном ряду мягкие гибриды.