Реферат: Гибридные двигатели

Гибриды вчера
В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать нанескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойнымсмесеобразованием.
Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают начрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то времякак у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин,степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах16-17.
Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считатьмотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такиедвигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин(Италия, государства Южной Америки).
Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижениярасхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках.
Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный,представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то вбольшинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что даннаятехнология родилась совсем недавно. Тем не менее известная поговорка «всеновое — это хорошо забытое старое» и в этот раз сработала на 100%.
Как оказалось, «первые ласточки» появились на рубеже XIX-XX-го веков.Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов кмелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующихлет, французская Compagnie Parisiennedes Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин сгибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера WalkerVehicle Company of Chicago «гибридные»грузовики сходили до 1940 года.
Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?
На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академикЕ. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различныхтипов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намногопревзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВСпроиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те временаеще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогдапомешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности инепомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Гибриды сегодня
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает запредъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами ободновременно мощном и экономичном моторе, с другой — экологи, ужесточающиенормы токсичности. А в завершение — геологи, все настойчивее напоминающие обистощении запасов «черного золота».
Сегодня смело можно сказать: эпоха ДВС как основного источника энергии наавтомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже неопытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.
Спустя ровно 110 лет (в 1997 году) после появления первого гибридногоавтомобиля компания Toyota представила массовуюмодель Prius. Изюминка Prius — электромотор, батарею которого не надо заряжать от внешней сети. Энергия длязаряда аккумулятора вырабатывается прямо на борту автомобиля. Мощность1,5-литрового бензинового двигателя этой модели — 53 кВт (57 кВт — Prius 2-го поколения), тягового электромотора — 33 кВт (50кВт — Prius 2-го поколения). Максимальная скоростьсоставляет 160 км/ч, а расход топлива 4,6 л (4 л — Prius2-го поколения) на 100 км. В 2004 году на Международном конкурсе в Германиисиловой агрегат Toyota Priusзанял первые места сразу в четырех (!) номинациях, в том числе и в самойпрестижной — «Лучший двигатель 2004 года».
Toyota Motor Corp приступила к продаже первого седана с гибридным электро-бензиновым двигателем марки Lexusв Японии. В апреле японский автопроизводитель начнетпродавать автомобиль Lexus GS450h на зарубежныхрынках.
Второй по величине в мире автопроизводитель заявил,что стремится вдвое сократить расходы на производство гибридных двигателей ицену на них. Сейчас цены на GS450h начинаются с 6,8 миллиона иен (57950долларов), тогда как на версии с бензиновым двигателем объемом 3,5 литра онисоставляют 5,2 миллиона иен (44310 долларов), а на версии с двигателем 4,3литра — 6,3 миллиона иен (53690 долларов), сообщает Reuters.
В 2005 корпорация Toyota Motorразработала гибридный двигатель третьего поколения, совмещающий в себе бензин иэлектроэнергию. Этот двигатель меньшего размера, который позволит сократитьзатраты как на топливо, так и на производство, будет применяться на практике в2008 году.
Французский концерн PSA Peugeot/Citroenпредставил первый дизельный гибридный двигатель, состоящий из гибридногоприводного узла и двигателя HDi., то есть объединяетв себе традиционный дизель и электромотор. По словам французов, новый силовойагрегат будет отличаться очень низким расходом топлива (ниже на 20 % посравнению с бензиновым двигателем = 3,4 л на 100 км и выбросу CO2 (90 г/км)),ведь дизельный мотор потребляет меньше горючего, чем его бензиновый аналог. Приэтом полностью сохраняя высокие динамические характеристики, присущие семействудизельных двигателей типа Hdi + преимущества,свойственные гибридному приводному узлу (например, движение в режимеэлектромобиля на невысокой скорости). Однако появление гибридного дизеля насерийных машинах придется подождать — представители PSA заявили, что он пойдетв производство примерно в 2010 году.
Компания Ford выпустила второй в 2005 годуавтомобиль, работающий на гибридном двигателе. Модель MercuryMariner Hybrid поступила впродажу 11 июля. Этот автомобиль стоит $29,840, что на $4,190 дороже варианта собычным двигателем. Вместе с тем, Mercury Mariner Hybrid позволяет сэкономитьдо 50% топлива по сравнению с традиционной машиной. В 2006 году планируетсявыпустить 2 тыс. экземпляров Mercury Mariner Hybrid.
Volvo Group в марте 2006года объявила о создание гибридного двигателя для тяжёлых машин, таких, кактягачи полуприцепов и автобусы. Компания заявляет, что их разработка позволяетполучить 35% экономию топлива в условиях города с интенсивным движением. Важнаячасть новой гибридной технологии, получившая название I-SAM.

Из чего состоит гибридный автомобиль?
Любое транспортное средство, которое имеет два или более источников энергии,достаточной для движения можно назвать гибридным.
— Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — Гибридная машина имеет привычный бензиновый двигатель. Хотя современные высокиетехнологии позволяют делать его меньшим по габаритам, более экологичными экономичным.
— Топливный бак — Здесь хранится топливо длядвигателя. Бензин обладает большим энергетическим запасом, нежели электрическиебатареи. Для примера, батареи весом 450 кг отдадут столько же энергии, сколькои 3,5 кг бензина.
— Электромотор — Очень «продвинутый»элемент. Современная электроника делает его и мотором и генераторомодновременно. Например, когда это необходимо, энергия берется из электрическихбатарей и ускоряет автомобиль. Но тормозя машину, двигатель переходит в режимгенератора и восстанавливает энергию.
— Генератор — Схож с электромотором, но работаеттолько в режиме запасания энергии (используется, главным образом, в серийныхгибридных автомобилях).
— Батареи — Источник энергии для электромотора, вотличии бензинового ДВС, электромотор может не только «брать»энергию, но и запасать её в батареях.
— Трансмиссия — Функции те же, что и у трансмиссии натрадиционных автомобилях с ДВС. Некоторые гибридные машины (Honda,например) имеют стандартную трансмиссию, другие же ( ToyotaPrius) оснащаются радикально новой.
<img src="/cache/referats/26756/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1031">
Схема работы гибридного двигателя

Последовательная схема. В данном случае ДВС приводит вдвижение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питаетэлектродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называютпотому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя рядпреобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую,вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяетиспользовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазонемаксимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количествоэнергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.
Параллельная схема. Здесь ведущие колеса приводятся вдвижение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий отдвух источников, распределяется в соответствии с условиями движения.Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора(например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимуюмашину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь,вращает ведущие колеса.
Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так какобратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить вдвижение колеса и заряжать батарею.
Последовательно — параллельная схема. Уже по названиюможно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, взависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя илиодновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости,система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатыватьэлектроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальнаяэффективность силовой установки.

От схем к «Новым измерениям»
По словам создателей Lexus RX400h, именно в другоеизмерение они перенесли езду на полноприводномавтомобиле. Дабы разбавить сухие схемы практическими примерами, поговорим оновинке компании Toyota — LexusRX400h, оснащенной последовательно-параллельной гибридной силовой установкой Hybrid Synergy Drive.
Гибридная установка Lexus RX400h сочетает в себебензиновый V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 3,3 л, мощностью 150кВт, 2 электромотора мощностью 200 кВт, с рабочим напряжением 650 В ивысоковольтную аккумуляторную батарею напряжением 288 В.
Это всего лишь надводная часть айсберга, соединить напрямую ДВС, электромоторыи аккумулятор и добиться при этом согласованной работы невозможно. Поэтомунемного углубимся во внутреннее строение LexusRX400h.
Бензиновый двигатель нам не столь интересен, но «из песни слов невыкинешь». V-образная «шестерка» оснащена сложной компьютернойсистемой, осуществляющей непрерывную корректировку количества воздуха,поступающего в цилиндры. Благодаря этому удалось добиться соблюдения нормЕвро-4.
Высоковольтные моторы по сути являются обратимыми машинами, т.е. могут работатькак в двигательном, так и в генераторном режиме. Располагаются в передней изадней частях автомобиля и приводят в движение соответственно колеса переднегои заднего мостов.
<img src="/cache/referats/26756/image004.jpg" align=«left» v:shapes="_x0000_s1028">
Энергетический центр — уникальная система, управляющая созданием ираспределением запасов электрической энергии, хранящейся в батарее. Основныекомпоненты энергетического центра: мощная высоковольтная батарея (NiMH), блок управления энергией, полупроводниковоекоммутационное устройство, рекуперативная (регенеративная) тормозная система.
Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляютпотоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данныеустройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии спотребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующимипричинами: генератор и электромоторы — машины переменного тока, в то время какаккумуляторная батарея оперирует постоянным, кроме того, выходное напряжениебатареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входномунапряжению электромоторов.
Инвертор — блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторнойбатареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В гибриднойсиловой установке Lexus RX400h предусмотренавысоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, тожепостоянный. Но поскольку она повышает напряжение, то происходит равномерныйрост электрической мощности при той же величине значения тока. В результатеполучают более высокую производительность и повышенный крутящий момент приводаэлектромоторов.
Рекуперативная (регенеративная) тормозная система — при торможении системапереводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом электроэнергияпоступает на вход аккумуляторной батареи. Особо эффективную работу системапоказала в городских условиях, при чередовании режимов стоп — старт. Заметим,что в традиционных тормозных системах энергия, полученная при замедлении,теряется полностью.
Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяетвоедино системы активной безопасности, такие как антиблокировочнаясистема тормозов (ABS), антипробуксовочная система(TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилительруля (EPS).
VDIM не столь «навязчива», как обычные системы управления, но намногоболее эффективна. При помощи высокоскоростной технологии управления двигателем,тормозами и трансмиссией VDIM контролирует и сопоставляет все параметры,одновременно управляя крутящим моментом переднего и заднего электромоторов всоответствии с условиями движения.

Режимы движения
В этом разделе мы рассмотрим особенности работы системы при выполненииразличных маневров. <img src="/cache/referats/26756/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">
Начало движения
Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор.При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блокуправления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию наэлектромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.
Движение в нормальномрежиме
В этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов;энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическимгенератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генераторосуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.
В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергииконтролируется электронным блоком управления.
Стоит упомянуть, что при движении в нормальном режиме система автоматическипереходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняетсяполный.
Разгон
Бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, принеобходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает отэлектромоторов.
Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересносравнить эту систему с турбированным двигателем. В товремя как работа последнего может сопровождаться "турбозадержками",гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительнойэнергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента. <img src="/cache/referats/26756/image007.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">
Торможение
Для оптимизации количества сохраняемой энергии управляемая электроникойтормозная система принимает решение о том, когда следует использоватьгидравлическую систему, а когда — рекуперативное (регенеративное) торможение(оно и является приоритетным). При рекуперативном торможении передний и заднийэлектродвигатели работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент напередней и задней осях. Вырабатываемая энергия поступает на блок управленияэлектропитанием, а оттуда на высоковольтную аккумуляторную батарею. <img src="/cache/referats/26756/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Плюсы и минусы гибрида
К достоинствам гибридного автомобиля можно отнести то,что ДВС гораздо меньше, по сравнению с обычным автомобилем, и при этом болееэффективен. Но как же может такой «малыш» уживаться на дороге сосвоими более мощными собратьями?
Давайте сравним Chevrolet Camaroс его огромной V-образной «восьмеркой» с нашей гибридной машиной, сеё маленьким ДВС и электромотором. Мощности движка Camaroвполне достаточно (и даже более чем достаточно!), для того, чтобы справиться слюбой дорожной ситуацией. Мотора же нашего гибрида достаточно для движения поровной дороге, но как только нужно въехать на склон или просто проехаться«с ветерком» ему требуется помощь. «Руку помощи» онполучает от электромотора с его батареями. Эта система и предоставляетнеобходимую добавку энергии.
Недостатки. Чтобы машина стала привлекательной длячеловека, она должна удовлетворять определенным минимальным требованиям.Автомобиль должен:
— Ехать по крайней мере 400 км. без дозаправки.
— Заправка не должна быть сложной и долгой.
— Подходить для езды при плотном дорожном движении.

Обычные автомашины с ДВС удовлетворяют всем трех правилам, но вредны дляокружающей среды и обладают большим расходом топлива. С другой стороны,электромобиль не ухудшает экологическую обстановку, но путь между дозаправкамисоставляет всего 80-150 км. Причем процедура заправки сложна и довольнодлительна.
Желание автомобилиста нажать «газ в пол» является причиной пониженнойэффективности наших автомобилей. Наверное, все замечали, что чем меньшемощность двигателя, тем он экономичнее.
Примечательно то, что большинству из нас нужна лишь малая часть многочисленных«лошадей» нашей машины. Допустим, вы несетесь по трассе со скоростью100км/ч. При этом энергия, вырабатываемая двигателем, тратится на:
— Преодоление аэродинамического сопротивления.
— Преодоление сил трения (колес о дорогу, трансмиссии, валов, тормозов и т.п.)
— Дополнительное электрооборудование (фары, кондиционер, подсветка и т.п.)
Большинству машин для выполнение этих действий достаточно 20(!) л.с. Так зачемже тогда вам нужен двигатель мощностью 200 (300) л.с? «Газ в пол» — единственный случай, когда машине нужны все лошадиные силы её мотора.

Производители и цены на гибридные двигатели
<img src="/cache/referats/26756/image010.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1033">«TOYOTA» —
Toyota Highlander Hybrid $33,030
Toyota Highlander Hybrid Limited $37,890
Toyota Prius $21,725
«HONDA» —
Honda Accord Hybrid от $30,990
Honda Civic Hybrid от $21,850
«LEXUS» —
Lexus RX 330 Hybrid $49,060
"Ford" —
Mercury Mariner Hybrid $29,840

<img src="/cache/referats/26756/image012.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1035">Гибридызавтра
Итак, следующий этап развития двигателей — силовая установка, работающая насамом перспективном энергоносителе — водороде. Он является самым безвредным дляокружающей среды, так как в результате химической реакции в качестве«побочного продукта» образуется простая вода. Происходят такие реакциив топливных камерах — керамических ячейках. Каждая ячейка перегорожена на 2секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платиновогокатализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую подается водород.Мембрана обладает уникальным свойством: пропускает протоны, но задерживаетнейтроны. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают вреакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывнойхарактер, но в топливной камере протекает спокойно, благодаря тому, что идет нево всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранныемембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создаваяэлектрический ток. Дальше эту электроэнергию (вполне возможно с некоторымипреобразованиями) можно использовать для питания электродвигателя.
Daimler-Chrysler, в отличие от BMW, ведет разработкугибридных двигателей, использующих энергию топливных камер. Исследованияпроводятся совместно с "Nippon Mitsubishi Oil", результатожидается через 3-4 года. Тем не менее на Франкфуртскомавтосалоне в 2003 году были показаны два гибрида Mercedes.Первый — E200 NGT (Natural GasTechnology) может «питаться» как бензином,так и природным газом. Второй — гибрид S-класса, оснащенный бензиновым двигателемV6, мощностью 245 л.с. и двумя электродвигателями общей мощностью 55 кВт.
А недавно немецкий автомобилестроительный концерн DaimlerChryslerAG и североамериканский автомобилестроительный концерн GeneralMotors подписали меморандум о совместной разработкегибридных силовых агрегатов. Об этом сообщается в материалах компании. Компаниибудут совместно разрабатывать силовой агрегат, который будет использоваться намоделях General Motors, Chrysler Group и Mercedes Car Group.
DaimlerChrysler и General Motors займутся разработкой принципиального новогоагрегата, который будет использовать электродвигатель не только на низкихскоростях, но и на высоких, а кроме того значительно повысит крутящий моментдвигателя. При этом, у разрабатываемого агрегата, по сравнению с сегодняшнимисерийными гибридными двигателями, значительно улучшится экономичность и экологичность автомобиля.
Ранее General Motorsзаявлял о том, что в 2007 г. начнет производство внедорожниковChevrolet Tahoe и GNC Yukon, оснащенных гибридными агрегатами. Mercedes Car Groupпланирует начать оснащение гибридными двигателями своих представительскихавтомобилей. Chrysler Groupпланирует использовать данные силовые агрегаты на внедорожниках.
Также General Motorsсовместно с Пентагоном разработала гибридную дизель-электрическую силовуюустановку, которая имеет ряд преимуществ по отношению к традиционным дизельнымдвигателям. Основными достоинствами гибридного двигателя являются экономичность(стоимость одного галлона горючего при доставке на поле боя может достигать 400долларов), надежность (при выходе из строя дизеля можно добраться до базы нааккумуляторах). Еще одним ключевым достоинством нового автомобиля является то,что он, в отличие от своего дизельного прототипа, способен двигатьсяпрактически бесшумно. Кроме того, такая машина может обеспечить электроэнергиейнебольшой командный пункт. Пентагон уже провел испытания нового двигателя,установив его на внедорожники HUMVEE.
Почему же до сих пор другие знаменитые производители авто, а с момента появленияPrius минуло уже 8 лет, серьезно не занялисьперспективными разработками?

Итак:
Audi еще в прошлом году представила прототип A2 наводородном топливе. A2-H2 разгоняется «до сотни» менее чем за 10секунд и развивает скорость 175 км/ч. Без дополнительной заправки автомобильможет преодолеть 220 км. Максимальная мощность гибридного двигателя составляет136 л.с. Модель работает по технологии fuel-cell — засчет преобразования водорода в электричество вследствие химической реакции скислородом. При небыстрой езде А2 работает на обычном двигателе, а для быстрогоразгона задействуется аккумулятор, который постоянно подзаряжается за счетрекуперативного (регенеративного) торможения. Но на данный момент у немецкойкомпании нет намерения запускать автомобиль в серийное производство — A2-H2 былсделан исключительно в исследовательских целях.
BMW обещает представить первый серийный гибрид уже через три года. По словамбаварцев, это будет машина седьмой серии с двигателем, работающим на бензине иводороде. Первые образцы «водородных семерок» уже совершили пробныйпробег по нескольким странам Европы, чем вызвали неподдельный интерес состороны прессы.
BMW планирует использовать водород в двигателях внутреннего сгорания, а не втопливных камерах, как предлагают делать другие производители. Прототип BMWH2R, оснащенный именно таким двигателем (созданном на базе стандартного12-цилиндрового агрегата от модели 760i), поставил сразу 9 мировых рекордовскорости. Разогнавшись до 302,4 км/ч, он стал самым быстрым среди бензиново-водородныхгибридов.
Volkswagen пока делает ставку на экономичныедизельные моторы.
Например, экспериментальный Golf с дизелем ивспомогательным электромотором по параметрам расхода топлива и динамике разгонасравним с Prius. Но под капотами «народныхавтомобилей» гибриды найдут место еще не скоро, слишком дорого этообойдется концерну.
Ну а пока немцы «исследуют», японцы — производят.
Ford, Nissan, Porsche — рассчитывают получить технологии гибридныхустановок у Toyota. GM, Hondaи корейские автопроизводители разрабатываютсобственные «теории гибрида».

Вывод:
Гибридные двигатели позволят обеспечить рост производства, и вместе с темотодвинуть проблему истощения земных ресурсов на какое-то время. Также решитсяпроблема загрязнения окружающей среды. Расход топлива самого экономичногогибридного двигателя в мире в плане топлива — 2,8 литра бензина на 100 км.Двигатель соответствует нормам Евро-4 и позволяет ему разгоняться «досотни» за 7,6 с.