Главная
Статьи
Форум
Гибриды и циклы

По материалам Авторевю

КРУГОВОРОТ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДЕ

Пол между сиденьями совершенно гладкий, посадка — нечто среднее между обычной легковой и минивэнской. Удобно.
Заведем двигатель? А вот и не выйдет — ключ дальше позиции включенного зажигания не повернется. Теперь всем будет распоряжаться электронный контроллер.
Окошко комбинации приборов с крупными светящимися цифрами перемещено в центр, под самую кромку лобового стекла — как подсчитали тойотовцы, это на четверть сокращает время считывания информации в движении.

А на самом видном месте центральной консоли расположен уже ставший в Японии обыденной вещью экран навигационной системы — такие здесь стоят в каждом втором автомобиле. Впрочем, сейчас на прямоугольном дисплее крупно высвечивается схема энергообмена гибридной силовой установки, которая будет иллюстрировать изменение энергообмена во время движения автомобиля.
Сначала нажимаем на тормоз — иначе не тронуться с места. Переводим расположенный на американский (да и на японский тоже — здесь царит засилье "автоматов") манер на руле селектор трансмиссии в положение Drive, нажимаем на педаль газа. И Prius с выключенным двигателем бесшумно трогается с места — пока только на батареях и электромоторе. Точно так же он ездит задним ходом.

На цифровом дисплее комбинации приборов высвечиваются текущая скорость, километраж пробега, режим трансмиссии (P—R—N—D—B) и уровень топлива в баке. А на экран навигационной системы можно вывести схему энергообмена силовой установки, степень зарядки батарей и температуру воздуха за бортом

Никакого переключения передач — просто электродвигатель вращается в другую сторону. Причем усилитель рулевого управления уже наготове — он с электроприводом и услужливо включается при каждом повороте баранки. А при движении по прямой он выключен, что позволяет экономить энергию.
Разогнались до скорости 16 км/ч — и вдруг сам по себе запустился двигатель! Ощущение очень необычное — только что ты ехал на электромобиле, а теперь из-под капота доносится привычный автомобильный шум. Сразу переключилась схема на дисплее — крутящий момент от двигателя пошел на колеса и на генератор, а от него к электромотору и опять на колеса.
Как же так: ни сцепления, ни коробки передач нет, а двигатель во время движения то стоит, то набирает обороты? Дело в том, что хитро рассчитанная комбинация планетарной передачи, электромотора и генератора работает как бесступенчатая трансмиссия, как электромеханический вариатор. Собственно, для этого и понадобился отдельный генератор — иначе пришлось бы городить огород с "автоматом" или, по последней моде, с клиноременным вариатором. А это дополнительный вес и механические потери...
Поедем побыстрее? Педаль в пол. Гибрид "задумался", словно автомобиль с обычным "автоматом", через секунду-полторы взревел двигателем — и Prius с ростом оборотов мотора начал бодренько набирать скорость. В режиме малых и средних нагрузок мы ехали, частично или полностью используя только 58 лошадиных сил двигателя. Просто треть его энергии переводилась в электричество и через электромотор снова суммировалась с основным потоком. А теперь, при интенсивном разгоне, к нему на помощь приходит энергия от батарей, и общая мощность силового агрегата (двигатель плюс свободная часть мощности электромотора) составляет 88 лошадиных сил — вполне терпимо для такого автомобиля! Конечно, спортивного азарта ждать не приходится, но к концу прямика скоростного кольца на дисплее спидометра запрыгали немаленькие цифры: 125, 130 км/ч...
Близится поворот. Сбрасываем газ, и Prius начинает потихоньку снижать скорость. Да не просто так, а с пользой для дела: электромотор переключился в режим генератора и рекуперирует энергию — закачивает ее обратно в подсаженные во время старта и разгона батареи. Нажимаем на упругую тормозную педаль — электроника включает режим рекуперации на полную 30-киловаттную катушку, а оставшуюся долю энергии интенсивного торможения оставляет пропадать зря, рассеиваясь в виде тепла от вентилируемых дисков обычной гидравлической тормозной системы.
Ничего не поделаешь — всех денег не заработаешь, всей энергии не соберешь.
Ну вот, японцы машут флажками, зазывая на "пит-стоп". Приехали. Увы, короткий тест-драйв окончен. Тормозим до полной остановки, и мотор сразу же глохнет — чего понапрасну бензин-то тратить? Но тут электроника спохватывается: батюшки, а батареи-то полупустые, всю энергию высосали эти журналисты со своими разгонами "в пол". И двигатель вновь сам собой запускается, подзаряжая уставшие аккумуляторы.

Старт, движение с малой скоростью

Малые и средние нагрузки

Полная нагрузка

Рекуперативное торможение

При старте и движении до скорости 16 км/ч задействованы только электромотор и батареи. На малых и средних нагрузках запускается двигатель, причем его крутящий момент раздваивается — 70% попадает к колесам напрямую, а 30% ответвляется планетарной передачей и через генератор и электромотор тоже идет на колеса. При интенсивном разгоне электромотор помимо трети энергии от двигателя получает дополнительное питание от батарей. А во время торможения двигатель глушится, а электромотор работает в рекуперативном режиме — как генератор (На снимках - линии красного цвета обозначают поток крутящего момента, остальные линии - поток электроэнергии)

ПЕРВЫЕ ЛАСТОЧКИ

Итак, свершилось — полетели по дорогам первые гибридные и электроласточки. В декабре Toyota будет выпускать Prius по тысяче штук в месяц и торговать ими по цене чуть более $18000, пока только на внутреннем, японском рынке. В Европе и даже в экологически озабоченной Калифорнии этот гибрид купить будет нельзя. Кстати, не будь в Японии государственных льгот и дотаций на производство экологически более чистых транспортных средств, Prius стоил бы дороже — в основном из-за батарей и мощного управляющего контроллера, цены на которые все еще очень высоки.
Так чем же хорош гибридный Prius? Судя по заводским данным, гибкое управление экономичным двигателем, электромотором и батареями позволяет выбрасывать в атмосферу на 90% меньше несгоревших углеводородов НС и окислов азота NOx и наполовину снизить выбросы углекислого газа СО2 — это по сравнению с аналогичным автомобилем с 1,5-литровым двигателем. А средний расход топлива тойотовцы обещают вообще фантастический — 3,8 л/100 км!
Самое удивительное, что при всей своей "гибридности" Prius по совокупности качеств активной безопасности ничуть не уступает многим обычным автомобилям. У него отменное реактивное действие на руле (электроусилитель — это класс!), эффективные тормоза с информативной педалью, заслуживающие высшей похвалы. Правда, электронная педаль акселератора совершенно неинформативна — словно управляешь не двигателем, а неким реостатом. Впрочем, так оно и есть.
Конечно, максимальная скорость и динамика этого гибрида ниже, чем у 1,5-литровых аналогов, а масса больше: все-таки полторы тонны — это многовато. Точных динамических показателей тойотовцы не приводят, но судя по ощущениям, это 140—150 км/ч "максималки" и 15 секунд до сотни.
Что ж, лиха беда начало. Если гибриды будут столь "автомобильными", то с ними можно будет ужиться. А то, что мы с вами оказались в "переходном периоде" от обычных машин к электромобилям, уже очевидно.

ЧТО ТАКОЕ ЦИКЛ АТКИНСОНА

Такт сжатия в цикле Аткинсона

1. Поршень идет вверх, но впускной клапан открыт, и часть горючей смеси вытесняется обратно во впускной коллектор
2. Закрытие впускного клапана и начало сжатия происходят намного позже

Как известно тем автомобилистам, которые честно посещали теоретические занятия в автошколе, обычный бензиновый четырехтактный двигатель работает по рабочему циклу Отто. Те процессы, что происходят при этом в цилиндрах во время впуска горючей смеси, ее сжатия, расширения продуктов воспламенения и выпуска отработавших газов, обычно отражаются на так называемой индикаторной диаграмме. Это зависимость давления в цилиндре от его текущего объема во время всех четырех тактов рабочего процесса. Индикаторная диаграмма цикла Отто приведена на нашем рисунке красным цветом (конечно, несколько схематично).
Как разобраться в этой путанице линий? Поставьте карандаш в самую верхнюю точку диаграммы, активизируйте свое техническое воображение и представьте себе цилиндр двигателя. Сейчас там начало рабочего хода. Поршень дошел до верхней рабочей точки (ВМТ), смесь бензина и воздуха уже сгорела и образовала раскаленные газы. Соответственно, давление подскочило до максимума.
Что происходит дальше? Газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Проследуем за ним и поведем карандаш вправо и вниз — это увеличивается объем над поршнем и одновременно падает давление газов. Кривая уткнулась вправо и резко скакнула вниз — поршень пришел в нижнюю мертвую точку (НМТ), закончился рабочий ход и открылся выпускной клапан, выпуская на волю отработавшие газы.

Индикаторные диаграммы

У них, правда, осталось кое-какое остаточное давление, но мы использовать его, увы, не можем — это потери выпуска, которые только создают лишний рык в глушителе.
Теперь ведем карандаш горизонтально влево — это поршень идет вверх, вытесняя отработавшие газы. Дошли до упора, скакнули вниз — это в ВМТ закрылся выпускной клапан (не будем морочить друг другу голову перекрытием клапанов) и открылся впускной, сообщая цилиндр с впускным коллектором. Идем горизонтально вправо — это такт впуска, поршень перемещается вниз и всасывает свежую горючую смесь. Причем если педаль газа сейчас не нажата до упора, то дроссельная заслонка прикрыта и создает сопротивление на впуске, заставляя двигатель тратить энергию на так называемые насосные потери.
Дошли вправо до НМТ — закрылся впускной клапан. Отправились влево и вверх на такт сжатия, при котором увеличивается давление в надпоршневом объеме. Дошли до ВМТ, между электродами свечи проскочила искра. Вспышка! Кривая вместе с давлением в камере сгорания резко подпрыгивает вверх, и... мы оказываемся в той точке начала рабочего хода, откуда и начинали свое путешествие по индикаторной диаграмме. Все. Круг, то есть цикл Отто, замкнулся.
Так работают все четырехтактные двигатели. Но многие пытались и пытаются усовершенствовать их рабочий процесс. Британский инженер Джеймс Аткинсон еще до войны придумал свой цикл, который немного отличается от цикла Отто — его индикаторная диаграмма отмечена зеленым цветом. В чем же отличие?
Во-первых, объем камеры сгорания такого мотора (при том же рабочем объеме) меньше, и соответственно, выше степень сжатия. Поэтому самая верхняя точка на индикаторной диаграмме располагается левее, в области меньшего надпоршневого объема. И степень расширения (то же самое, что и степень сжатия, только наоборот) тоже больше — а значит, мы эффективнее, на большем ходе поршня используем энергию отработавших газов и имеем меньшие потери выпуска (это отражено меньшей ступенькой справа).
Дальше все то же самое — идут такты выпуска и впуска. Почему линия впуска проходит выше, то есть при меньшем разрежении во впускном коллекторе, мы объясним позже.
Теперь, если бы все происходило в соответствии с циклом Отто и впускной клапан закрылся бы в НМТ (еще раз повторим, что рассматриваем вещи упрощенно), то кривая сжатия прошла бы вверху, и давление в конце такта оказалось бы чрезмерным — ведь степень сжатия у нас больше! После искры последовала бы не вспышка смеси, а детонационный взрыв — и двигатель, не проработав и часа, почил бы в бозе.
Но не таков был британский инженер Джеймс Аткинсон! Он решил продлить фазу впуска — поршень доходит до НМТ и идет вверх, а впускной клапан меж тем остается открытым примерно до половины полного хода поршня. Часть свежей горючей смеси при этом выталкивается обратно во впускной коллектор, что повышает там давление — вернее, уменьшает разрежение. Это позволяет на малых и средних нагрузках больше открывать дроссельную заслонку. Вот почему линия впуска на диаграмме цикла Аткинсона проходит выше, и насосные потери двигателя оказываются ниже, чем в цикле Отто.
Так что такт сжатия, когда закрывается впускной клапан, начинается при меньшем надпоршневом объеме, что и иллюстрирует зеленая линия сжатия, начинающаяся с половины нижней горизонтальной линии впуска.
Казалось бы, чего проще: сделай повыше степень сжатия, измени профиль впускных кулачков, и дело в шляпе — двигатель с циклом Аткинсона готов! Но дело в том, что для достижения хороших динамических показателей во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя надо компенсировать выталкивание горючей смеси во время продленного впускного цикла, применяя наддув, в данном случае — механический нагнетатель. А его привод отбирает у мотора львиную долю той энергии, что удается отыграть на насосных и выпускных потерях. Применение цикла Аткинсона на безнаддувном двигателе гибрида Toyota Prius стало возможным благодаря тому, что он работает в облегченном режиме.
Кстати, сразу после второй мировой войны американец Ральф Миллер, экспериментируя с судовыми двигателями с впрыском природного газа, видоизменил цикл Аткинсона, закрывая впускной клапан не позже, а раньше НМТ — при этом тоже снижались насосные потери. Но эффективность цикла Миллера оказалась ниже, и какого-либо применения на автомобильных моторах он не получил. А двигатель Miller Cycle автомобиля Mazda Xedos 9 на самом деле работает по циклу Аткинсона и снабжен спиральным механическим нагнетателем типа Lysholm.
Кстати, при работе по этим циклам благодаря тому, что степень расширения оказывается выше, чем степень сжатия, еще и снижается термонагруженность двигателя. Поэтому циклы Миллера и Аткинсона называют циклами с высокой степенью расширения или циклами с внутренним охлаждением.

Л. ГОЛОВАНОВ
Фото автора, М. Кадакова и фирмы Toyota



Более 2000 руководств
по ремонту и техническому обслуживанию
автомобилей различных марок
 








Рейтинг@Mail.ru