что такое гибридная технология
Что такое гибридное производство?
Автор Гэвин Куинлэн (Gavin Quinlan)
Технологии гибридного производства основаны на сочетании сильных сторон аддитивного производства (3D-печать) с традиционным субтрактивным (ЧПУ) производством, для создания единого процесса, где используются оба подхода одновременно.
Словом, гибридное производство сочетает в себе лучшие элементы традиционной машинной обработки и 3D-печати или аддитивного производства. Посмотрите видео, где это прдемонстрировано.
Проблемы обрабатывающих комплексов сегодня
Ни один процесс сам по себе не может решить все проблемы. В 3D-печати все еще имеются различные ограничения с точки зрения используемых материалов и точности изготовления при жестких допусках. При обработке на станках с ЧПУ, с другой стороны, сталкиваются с существенными сложностями при использовании сложной или экстремальной геометрии.
Между этим двумя технологиями существует большое поле для инноваций: широкий объем возможных решений, сочетающих сложную геометрию с точной обработкой.
Гибридные системы производства позволяют построить мост между этими технологиями путем объединения 3D-печати и ЧПУ-обработки в единую платформу, с помощью комплексного подхода.
Это новый способ взглянуть на собственное производство. Однако несколько крупных производителей станков с ЧПУ уже добавили на свое оборудование дополнительные головки для 3D-печати, а компании, изготавливающие 3D-принтеры также начали включать возможности по субтрактивному производству в свои станки.
Использование гибридного производства, скорее всего, неизбежно, так как инновации в обеих областях дают большие возможности по их сближению.
Производителям CAD не следует игнорировать новые подходы в области производства
Тем не менее, для компаний, желающих инвестировать в гибридные платформы остается одна сложность: программное обеспечение для CAD.
Многие платформы для CAD были созданы только с расчетом на ЧПУ-обработку, и только сейчас происходит их обновление или изменение для обеспечения совместимости с 3D-печатью. Тем не менее, гибридный подход, где эффективно используется потенциал традиционной обработки на станках с ЧПУ и новых способов 3D-печати требует наличие 3D CAD, которая не только просто преобразует план изготовления в производственный процесс. Следующему поколению CAD, скорее, понадобиться получать проектный замысел.
Сегодня Creo лидирует в области совместимости с различными платформами для производства, технологиями визуализации проектирования и упрощенных интерфейсов пользователя для быстрого и мощного сбора проектного замысла в различном виде. Мы смотрим вперед в будущее гибридного производства, которое все еще далеко, но приближается к нам. И оно, скорее всего, поменяет все, что мы знаем о разработке изделий.
Издается с 2007 года
Перспективы развития гибридной технологии
Несколько лет назад особо продвинутые представители мирового автопрома начали демонстрировать на автомобильных выставках необычные транспортные средства с гибридными приводами. Причинами, подтолкнувшими автопроизводителей к созданию высокотехнологичных машин, стали непрекращающийся в то время рост цен на нефть и стремление к более экологичным силовым агрегатам.
Напомню, что гибридомобиль параллельного типа – это транспортное средство, оснащенное дизельным или бензиновым двигателем, электродвигателем-генератором небольшой мощности, автоматизированной коробкой передач и увеличенным, по сравнению с традиционными машинами, блоком аккумуляторных батарей. Такая машина может приводиться в действие отдельно от автомобильного ДВС или от одного электродвигателя, или обеих силовых установок одновременно.
Важным преимуществом гибридомобиля является его заметно меньший расход топлива по сравнению с обычным автомобилем. Это происходит благодаря использованию разных приводов и возможности аккумулировать и использовать энергию торможения. При разгоне машины одновременно разгоняют дизельный двигатель и электромотор. Далее, во время движения, ее приводит в действие только дизель. При торможении электротрансмиссия переводится в режим генератора и тем самым начинает улавливать рекуперативную энергию торможения. Выработанная электроэнергия поступает в АКБ и накапливается для последующего использования. Во время остановки в транспортном потоке у машины с гибридным приводом происходит отключение основного двигателя, а после возобновления движения автомобиль начнет ускоряться только от одного электромотора. При необходимости набрать крейсерскую скорость дизель включится автоматически, а электромотор отключится.
Итак, гибридомобиль обладает сравнительно низким расходом топлива, эта экономия в различных моделях колеблется в пределах от 25 до 37% по сравнению с традиционными дизельными автомобилями, а также сокращенной на 30% эмиссией выхлопных газов.
Первый гибридный дизель/электрический легкий военный грузовик корпорация GM выпустила в 2003 году. В 2004-м появился гибридный фургон Mercedes-Benz (Sprinter). Позднее американские корпорации International Truck and Engine Corp. и Eaton Corp. выпустили концепт коммунального автомобиля с гибридным приводом. Гибридная тема за последние годы получила довольно широкое распространение. Опытные образцы с комбинированным приводом создали и выпустили подавляющее большинство мировых автопроизводителей. Многие начали серийный выпуск. В 2009 году в мире было выпущено 6934 гибридных коммерческих автомобиля и автобуса. На фоне сотен тысяч это, вроде как, выглядит маргинально, но специалисты говорят, что автогибриды будут доминирующей темой в мировом автомобилизме к 2020 году. К такому выводу пришли аналитики американской исследовательской компании Frost & Sullivan. В своем недавнем исследовании они утверждают, что гибридная технология станет ведущей в сегменте рынка, связанного с альтернативными приводами.
Это, в частности, касается городских автобусов, а также среднетоннажных развозных и тяжелых коммунальных грузовиков. Директор по глобальному прогнозированию Frost & Sullivan Сандип Кар видит главную причину растущей популярности гибридомобилей в том, что для их массового развития не требуется значительных инфраструктурных преобразований, по сравнению с другими альтернативными направлениями.
«У правительств сегодня просто нет денег для масштабных инфраструктурных преобразований, которые необходимы для широкого распространения тех же электромобилей или транспортных средств, работающих на сжатом или сжиженном природном газе», – отметил Сандип Кар. «Это делает гибридные машины идеальным транспортом ближайшего будущего», – добавил он. Компания Frost & Sullivan прогнозирует, что объемы производства транспортных средств, оснащенных гибридными приводами, к 2020 году достигнут 300 000 штук. Это, понятно, в несколько десятков раз превосходит сегодняшние 9000 машин. Ее аналитики также оптимистичны в оценках будущих периодов, по их прикидкам, к 2020 году 59% городских автобусов в Северной Америке будут оснащены гибридной системой, а доля тяжелых коммерческих гибридомобилей составит 15% от общего количества. По другим альтернативным направлениям Frost & Sullivan прогнозирует следующее: только 12% автобусов и 4% грузовиков будет оснащено полным электроприводом, а газовыми будут только от 7% автобусов и 8% коммерческих автомобилей. Оптимистично оценивают глобальный рынок гибридного коммерческого транспорта исследователи компании NextGen Research. По их мнению, в 2013 году общее количество выпускаемых в мире гибридов достигнет 27 000 единиц.
В том, что в США занялись анализом мирового рынка гибридов, нет ничего удивительного, ведь сегодня половина всего глобального производства и продаж гибридомобилей происходит в Северной Америке. А кто же будет номером два? «Если вы думали, что вторым по величине рынком для гибридомобилей и электротранспортных средств будет Европа, то вам дается еще одна попытка», – подчеркнул Кар. «Китай, несомненно, станет вторым по величине рынком за пределами США», – добавил он.
Китайские автопроизводители и поставщики высокотехнологичных компонентов гибридных трансмиссий постепенно двигаются вперед и в скором времени смогут превратиться в ведущих мировых поставщиков данной техники.
«Тем не менее, в краткосрочной и среднесрочной перспективах, американские компании, такие как Eaton Corp., BAE Systems и Allison Transmission, останутся лидер ами мирового рынка в производстве гибридных модулей», – подчеркнул Сандип Кар.
Рассматривая причины, почему гибриды станут популярными у потребителей в ближайшее время, аналитики указали на три основные фактора. Это повышающаяся урбанизация, увеличение интенсивности грузоперевозок и связанные с этим проблемы дорожных заторов, а также сохраняющаяся высокая стоимость топлива. Однако гибриды не являются идеальным решением для всех транспортных задач. К примеру, в дальнобойном сегменте никто пока что не ожидает прорыва. Тут можно вспомнить, как компания Peterbilt создала гибридный седельный тягач Peterbilt Hybrid Model 386, который оснащался мотором Cummins ISX мощностью 400 л. с., электродвигателем Eaton, 10-скоростной автоматизированной коробкой передач Fuller UltraShift и четырьмя литий/ионными аккумуляторами. Но опытная эксплуатация гибридного прототипа продемонстрировала лишь 8,5%-ную экономию топлива.
Еще одна американская корпорация Daimler Trucks North America LLC (DTNA) совсем недавно разработала свой первый гибридный магистральный тягач Freightliner Cascadia. Тяжеловоз оборудован параллельным гибридным приводом, который включает дизельный двигатель Detroit Diesel DD 15 (EPA – 2010) мощностью 440 кВт с крутящим моментом 2778 Нм, стандартную механическую коробку передач, электротрансмиссию с функцией генератора, разработанную японскими конструкторами из Daimler Trucks Global Hybrid Center, и мощный блок литий/ионных аккумуляторных батарей. Особенностью этого гибридного грузовика является использование обычной КП и электротрансмиссии, агрегатированной со второй приводной осью задней тележки, что обеспечивает надежность работы всего транспортного средства и более низкую стоимость, по сравнению с Peterbilt Hybrid Model 386.
В этом сегменте американцы оказались не одни, первый европейский гибридный тяжелый грузовик Mercedes-Benz Axor BlueTec Hybrid, нацеленный на рынок дальнобойщиков, два года назад создали конструкторы Daimler Trucks. Автомобиль оснащен 7,2-литровым дизельным двигателем OM 926 мощностью 326 л. с., 12-скоростной автоматической трансмиссией Mercedes PowerShift и 60-сильным электромотором с функцией генератора Eaton (США). Испытания показали, что «дальнобойный гибрид» из Европы достиг экономии в 6-10% топлива, в сравнении с аналогичным тягачом Axor 1833 с дизельным двигателем.
Резюмируя дальнобойные гибридные проекты, можно отметить, что магистральный автопоезд пока что не может достичь экономии топлива, сопоставимой с показателями развозного автомобиля. Ведь большую часть времени дальнобойщики проводят на длинных перегонах, где им постоянно необходима максимальная мощность основного силового агрегата, и там не так много участков «разгон-торможение». Именно поэтому все, чего сумели достичь гибридные тяжеловозы, это экономия топлива в пределах 8,5-10%, и то, благодаря движению по холмистым участкам, там, где гибридная трансмиссия может что-нибудь поднакопить. В противовес этому у развозных гибридных транспортных средств, работающих в основном в городах с частыми разгонами и торможениями, экономия топлива достигает 25-35%.
То есть можно утверждать, что гибридные коммерческие автомобили начнут по-настоящему развиваться лишь в определенных сегментах рынка, таких как развозные грузовики, фургоны, автобусы и коммунальные тяжеловозы, используемые на коротких маршрутах возле и внутри больших городов. «Гибриды отлично демонстрируют свои преимущества на перегруженных улицах мегаполисов, там, где им приходится очень часто разгоняться и тормозить», – поясняет Кар. «Спроса на гибриды в сегменте дальнемагистральных перевозок не будет вообще, что может стать большим препятствием для крупномасштабного производства и проникновения на развитые авторынки, такие как США», – добавляет он.
Еще один аспект гибридизации – это сохранение грузоподъемности транспортного средства. Ведь снаряженная масса грузовика, как ни странно, не уменьшается, когда к основному ДВС добавляют электротрансмиссию с внушительным блоком аккумуляторных батарей. Поэтому при проектировании гибридных коммерческих автомобилей всегда нужно найти компромисс между экономичностью и оптимизацией снаряженной массы.
Кстати, упоминавшиеся ДВС/электрические гибридные приводы могут регенерировать лишь 25% энергии торможения и накапливать ее в АКБ.
Этот малый процент обусловлен невозможностью установить более емкие батареи, так как резко уменьшится грузоподъемность машины, а также значительно вырастет ее цена из-за дополнительного высокотехнологичного узла.
По этой причине вместо традиционных комбинированных конструкций, автопроизводители недавно стали внедрять необычные проекты гибридных транспортных средств.
Так, корпорация EATON запустила в серийное производство аккумулирующую гидравлическую систему Hydraulic Launch Assist (HLA), которая может быть встроена в шасси грузового автомобиля, благодаря чему он станет гибридным транспортным средством. Как и другие автогибриды, параллельная дизель/гидравлическая система HLA регенерирует энергию торможения в сумматоре (гидроаккумулятор), после чего сохраненная мощность используется для ускорения машины. Гидро-гибридная технология Eaton может улавливать около 75% кинетической энергии торможения, что выглядит куда привлекательнее, чем 25%, регенерированные дизель/электрическими гибридами. Продолжая перечислять преимущества HLA, надо отметить, что гидроузлы системы можно вмонтировать в стандартное автомобильное шасси, к тому же цена встраиваемых компонентов будет намного дешевле, чем различные альтернативные ДВС/электрические приводы. Этим уже воспользовалась фирма Peterbilt Motors Company, выпустившая тяжелый мусоровоз Model 320 Hybrid.
Дорожные испытания коммунального грузовика показали, что мусоровоз Peterbilt Model 320 Hybrid потребляет на 30% меньше топлива и выделяет на 40% меньше вредных отработанных газов. Кроме этого, применение регенеративной тормозной системы способствует тому, что дизель/гидравлический гибрид почти не истирает тормозные колодки, а это, в свою очередь, ведет к снижению (более чем в два раза) затрат на техническое обслуживание всего транспортного средства. Генеральный директор компании Peterbilt Motors Company Билл Джэксон сказал: «Тестируя Model 320 Hybrid, мы убедились, что гидрогибрид HLA является идеальным экологичным муниципальным транспортом, который позволяет добиться высокой эффективности благодаря невысокой стоимости, 30%-ной экономии топлива и сокращению затрат на техническое обслуживание. Гидравлическая технология доказала свою высокую надежность при работе транспортного средства с интенсивностью 800-1200 остановок в течение дня. Исходя из стоимости, необходимой для покупки гидрогибрида, и его экономичных способностей, можно подсчитать срок окупаемости грузовика, оснащенного системой HLA. Он составит примерно 2-3 года».
Группа исследователей из Швеции разработала ДВС/воздушную автогибридную систему, которая работает подобно гидравлической технологии, но аккумулирует в баллонах сжатый воздух. Предполагается, что это будет гораздо дешевле при серийной реализации и экономически более эффективным решением. Скандинавские ученые подсчитали экономию топлива на своих опытных образцах – она достигала 60%.
Заслуживает внимания и механическая гибридная технология KERS (Kinetic Energy Recovery System – система регенерации кинетической энергии), разработанная британской компанией Torotrak plc, принадлежащая американской корпорации Allison Transmission. Англичане говорят, что их новейший гибридный привод с полнотороидальным сцеплением уже был опробован на одном из городских автобусов и показал 30%-ную экономию топлива. Дизель/механическая гибридная система представляет собой колесо-маховик с механической аккумулирующей системой (по типу, если кто помнит, детской игрушки с инерционным механизмом), связанной через бесступенчато-регулируемую трансмиссию (CVT) с основной цепью привода. Трансмиссия CVT включает два главных элемента: полно-тороидальный фрикционный привод или вариатор и эпициклический редуктор. Все эти элементы адаптируют и корректируют большую разницу между скоростями вращения маховика и выходного вала коробки передач, разрешая при этом движение механической энергии в любом направлении.
В итоге механический накопитель энергии торможения Torotrak получился довольно компактным узлом с небольшой собственной массой, его можно установить по желанию автовладельца в стандартное транспортное средство и, самое главное, дополнительный узел обойдется покупателю не так дорого, как сегодня стоят дизель/электрические гибридомобили, и он, конечно, даст ожидаемую экономию топлива.
Говоря про гибриды в автомобильном транспорте, можно констатировать, что новомодная тема добралась и до производителей строительной техники, которые также активно ищут варианты создания менее «прожорливых» механизмов.
Пионером в этом направлении стала компания Volvo Construction Equipment, создавшая гибридный колесный погрузчик Volvo L220F Hybrid с параллельным дизель/электрическим приводом. Эта строительная машина оснащается: дизельным двигателем Volvo D12; системой ISG (Integrated Starter Generator), которая сочетает в себе свойства электромотора и генератора; стандартной гидростатической трансмиссией и блоком аккумуляторных батарей.
Упомянутая система ISG отключает основной двигатель, как только он начинает работать без нагрузки, и очень быстро запускает его, когда мощность становится востребованной. Никаких скачков между этими режимами работы погрузчика никто не может заметить, так как плавность обеспечивает гибридная система ISG. Она мгновенно переключается в режим электромотора с мощностью 50кВт и, питаясь электроэнергией от блока АКБ, выполняет все функции машины. Но как только нагрузка на трансмиссию начинает возрастать, электроника «пробуждает» дизель, так что оператор даже не заметит, когда основной двигатель погрузчика «работал», а когда «отдыхал». Экономия топлива у погрузчика от применения инновационной системы ISG достигает 25% по сравнению с дизельным аналогом Volvo L220F.
Два года назад французская компания Mecalac Ahlmann получила золотую медаль выставки Intermat-2009 за инновационную модель экскаватора Mecalac 12MTX Hybrid. Землеройная машина с эксплуатационной массой 9 тонн комплектуется основным двигателем Deutz мощностью 51кВт, а для привода гидросистемы механизма применяется электромотор-генератор Heinzmann мощностью 15/30 кВт. По предварительным оценкам, гибридный экскаватор будет сжигать на 25% меньше топлива, чем обычный чисто дизельный землекоп. Серийное производство экскаватора Mecalac 12MTX Hybrid началось в этом году.
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.