Гибридные силовые установки

Идея запасать кинетическую энергию автомобиля для последующего использования и экономии топлива не нова. С электрическими, пневматическими и гидравлическими системами рекуперации энергии конструкторы экспериментировали еще на заре автомобильной эры.

Сложность конструкции, большие габариты и проблемы с управлением помешали их распространению. Гибридные силовые установки прижились лишь в "супертяжёлом весе". Размеры дизель-электрических локомотивов вполне позволяют разместить дизельный и электрические двигатели вместе с мощными аккумуляторами, а эффект от экономии топлива хорошо заметен. В подводных лодках использование электропривода позволяет двигаться под водой, не расходуя кислород, и к тому же очень тихо.

В легковом и грузовом автотранспорте до последнего времени лишь небольшая часть энергии движения автомобиля использовалась для обеспечения потребностей бортовой электроники и подзарядки аккумулятора. Изменения начались лишь на рубеже XX и XXI веков с появлением массовых гибридных легковых автомобилей.

Такие машины уже прочно закрепились в производственных программах ведущих автопроизводителей. Пока гибриды остаются экзотикой, однако и экспериментальными транспортными средствами их уже не назовешь. Пионер гибридостроения компания Toyota в 2006 году отрапортовала о том, что продажи гибридной модели Prius, впервые появившейся на рынке на рубеже XXI века, перевалили за полмиллиона штук.

Главными рынками сбыта гибридов стали США и Япония, но и в других регионах мира дело не стоит на месте. Гибридные модели Lexus можно приобрести и в России. Как правило, в таких машинах имеется экономичный бензиновый двигатель относительно небольшой мощности, электромотор, мощная батарея и система рекуперативного или динамического торможения, при торможении преобразующая кинетическую энергию автомобиля в электричество. Аналогичные тормозные системы широко используются в электротранспорте, например, в электровозах и троллейбусах, причем в качестве генератора может использоваться непосредственно тяговый электродвигатель.

Главные преимущества гибридных машин - это экономия топлива и сокращение выбросов вредных веществ в атмосферу. Впрочем, в случае легковых автомобилей не меньшую роль играет престиж и желание энтузиастов приобрести последнюю техническую новинку. Экономический эффект от покупки гибридов не столь очевиден - такие машины стоят дороже автомобилей с традиционным двигателем, их сложнее обслуживать, и окупить разницу экономией на топливе можно не быстрее, чем за несколько лет даже с учетом подорожания бензина. Смягчить этот эффект призваны льготы, вводимые властями некоторых стран, озабоченных охраной природы и зависимостью от иностранных источников нефти.

По всей видимости, сочетание государственной поддержки и развитие технологий со временем сделают гибридную технику привлекательной и с экономической точки зрения. Особенно это важно для тяжелой автотехники.

Первые гибридные приводы появились в ней достаточно давно. В карьерных самосвалах грузоподъемностью в сотни тонн (например, в самых тяжелых БелАЗах) каждое колесо приводится в движение собственным электродвигателем. Эти двигатели работают от генератора, питаемого мощным дизелем, а кроме того могут использоваться как динамические тормоза, заряжая аккумулятор. От него, в свою очередь, могут питаться вспомогательные электроприводы, а иногда и тяговые двигатели.

Но в не столь тяжелых грузовиках, автобусах, экскаваторах гибридная схема применения не нашла. Главная причина кроется в усложнении конструкции, снижении грузоподъемности и повышении цены. Но совершенствование аккумуляторов, гибридных приводов и управляющих систем постепенно меняет ситуацию.

Пока гибридные грузовики, автобусы, тракторы и экскаваторы, используются только в основном в различного рода экспериментальных программах. Тем не менее, разработки идут полным ходом, и в течение ближайших лет должны появиться не только экспериментальные, но и серийные модели.

В них применяются разные схемы. В одном случае, как в карьерных самосвалах, электродвигатель может быть соединен с двигателем внутреннего сгорания последовательно. ДВС обеспечивает энергией генератор, который, в свою очередь, обеспечивает энергией электродвигатель, приводящий машину в движение. При параллельном включении двигателей, как в Toyota Prius и Lexus, вращение ведущих колес может обеспечивать двигатель внутреннего сгорания, электромотор или оба двигателя одновременно. В последнем случае, например, электродвигатель может обеспечивать дополнительный крутящий момент, если мощности ДВС оказывается недостаточно.

Параллельное включение двигателя внутреннего сгорания и электромотора используется, например, в экспериментальных грузовиках и автобусах компании Volvo. При поддержке шведского правительства она планирует сначала испытать, а затем и выпускать серийно машины, которые при езде с частыми остановками и разгонами (это оптимальный режим при использовании систем рекуперации энергии) смогут экономить до 35% топлива.

В случае успеха экспериментальные машины станут основой для городских автобусов, развозных грузовиков и другой подобной техники. Подобные работы ведут и другие производители, включая MAN, DAF, Renault и др. А американская компания Peterbilt наряду с электрическими гибридами разрабатывает и гидравлические, в которых кинетическая энергия при торможении преобразуется не в электричество в аккумуляторе, а в давление гидравлической жидкости. В дальнейшем энергия гидропривода используется при начале движения машины, что также позволяет экономить топливо, расход которого при отправлении выше, чем рабочем режиме.

Ведутся работы и по внедрению гибридных приводов в строительной технике, например, в экскаваторах. В этом случае для зарядки аккумуляторов энергию торможения использовать смысла нет -- строительная техника двигается на короткие расстояния и медленно. Однако резервы энергии все же есть, например, можно использовать энергию, пропадающую при опускании ковша.

При высокой нагрузке запасенное электричество поступает на электромотор, подавая дополнительную мощность на гидравлические насосы. Если же нагрузка на гидросистему невелика, электродвигатель работает как генератор, используя избыток мощности дизеля для зарядки аккумулятора. Дизель при этом может постоянно работать в оптимальном режиме, что обеспечивает экономию топлива по сравнению с режимом переменной нагрузки. Наконец, наличие вспомогательного электропривода позволяет уменьшить рабочий объем и мощность дизеля, что также положительно сказывается на топливной экономичности.

Прототип такого гибридного экскаватора уже построен и испытывается компаниями New Holland и Kobelco. Как ожидается, машины с говорящим названием Hybrid будет расходовать примерно на 40% меньше топлива, чем дизельный экскаватор такого же класса.

Компания Komatsu продвинулась в гибридостроении еще дальше и осенью планирует начать продажи своего гибридного экскаватора в Японии и на международном рынке. В экскаваторе используется комбинация дизеля, электродвигателя и вспомогательного электрогенератора. При малом отборе мощности насосом гидросистемы, избыток энергии дизеля идет на подзарядку батареи. Если же насосу не хватает мощности дизеля, в дело включается вспомогательный электродвигатель. В результате обеспечивается экономия топлива до 30%, цена же на гибрид (около 100000 долларов США) на 20% превышает цену дизельного аналога. К 2010 году Komatsu планирует продать около 1500 гибридных экскаваторов.