Гибридные автомобили
Гибридный автомобиль – это автомобиль, который использует обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), функционирующий на бензине, либо дизельном топливе, и альтернативный источник в виде электродвигателя, а также высоковольтную аккумуляторную батарею, которая питает электродвигатель.
Современный рынок автомобилей предлагает большой выбор гибридных автомобилей.
Преимущества гибридных автомобилей:
Расход топлива у гибридных автомобилей до 30 % ниже по сравнению с обычными автомобилями, оснащенными ДВС. Сжигание меньшего количества топлива одновременно позволило снизить уровень токсичных выбросов в атмосферу.
Однако большим недостатком гибридных автомобилей является их большая стоимость. Еще одним недостатком можно назвать возможный критический разряд аккумуляторной батареи и его быстрый выход из строя при больших перепадах температуры.
Электромобили
Одними из основных узлов электромобиля являются электродвигатель и аккумуляторная батарея.
Достоинством электродвигателя являются:
- высокий коэффициент полезного действия – до 97%;
- высокий крутящий момент;
- компактность и малый вес;
- экологичность;
- возможность регулирования скорости вращения;
- способность функционировать в режиме генератора;
- возможность рекуперации электроэнергии при торможении.
Что касается недостатков электродвигателя, то по отзывам специалистов, их нет. Если в качестве электродвигателя на автомобиль установить асинхронный (синхронный) электродвигатель, то это позволит практически полностью исключить техническое обслуживание электродвигателя в течении назначенного безопасного ресурса эксплуатации автомобиля.
Аккумуляторная батарея состоит из нескольких тысяч литий-ионных аккумуляторных батареек, которые размещаются в полу автомобиля, а также позади сидений.
Рынок электромобилей во всем мире сегодня переживает бурный рост. За последнее время на автомобильном рынке произошли поистине революционные изменения, и 2019 год можно назвать переломным.
Лидером производства электромобилей является американская компания Tesla, Илон Маск возглавил совет директоров компании.
Таким образом, электромобили имеют много преимуществ перед автомобилями с ДВС, у них в несколько раз выше коэффициент полезного действия (КПД), они более экономичны, не загрязняют воздух выхлопными газами, имеют большую надежность, из-за относительно небольшого количества деталей, не издают никакого шума.
Илон Маск поставил задачу на выпуск миллиона машин к концу 2020 года и уже выполнил эту задачу.
Силовая гибридная установка
Автомобили Tesla, без сомнения, превосходят конкурентов в сфере электрического транспорта, но некоторые типичные недостатки они всё же имеют. В частности это касается сильной потери заряда во время даже небольшого простоя автомобиля и быстрой разрядки при низких температурах, а как поведут себя электрокары на заснеженных дорогах, и на весеннее - осеннем бездорожье, а утилизация аккумуляторных батарей?
В Российской Федерации с её жесткими климатическими условиями, а также неразвитостью инфраструктуры зарядных станций, массовое заполнение рынка электромобилями и автомобилями на водородных топливных элементах, в ближайшие 10 – 15 лет мало вероятно.
В электромобиле аккумуляторная батарея сегодня является уязвимым, дорогостоящим и относительно недолговечным, то есть самым проблемным элементом электромобиля. Масса аккумуляторной батареи превышает массу ДВС. Оптимальная рабочая температура например, литий-ионной аккумуляторной батареи, находится в диапазоне от +15°С до +35°С, а при отрицательных температурах ёмкость аккумуляторной батареи падает, и её нужно дополнительно подогревать, а так же охлаждать при температуре свыше +40°С…+60°С, на это расходуется электроэнергия, сокращая запас хода электромобиля. Работа электромобиля в жестких климатических условиях (от - 50°С до + 60°С) становится крайне затруднительной.
Исходя из выше сказанного, предлагаю Вашему вниманию силовую гибридную установку с повышенным КПД и упрощенной конструкцией (см. рис. 1, 2). Силовая гибридная установка, состоящая из двухтактного оппозитного ДВС, содержащая по меньшей мере два цилиндра с выполненными в них впускными, перепускными и продувочными клапанами, двух поршней с поршневыми штоками, размещенными в цилиндрах и разделяющие цилиндры на надпоршневую рабочую камеру, имеющую совмещенную систему продувки отработанных газов и впуска свежей воздушной смеси, систему впрыска топлива, систему воспламенения рабочей смеси и выпуска отработанных газов, и подпоршневую компрессорную камеру, ресивер, причем ресивер выполнен с возможностью соединения с подпоршневой компрессорной камерой и продувочным окном рабочей камеры. В корпусе силовой гибридной установки установлены генераторы (генератор), в статоре генератора размещен индуктор (ротор), соединенный посредством поршневых штоков, через уплотнительные соединения и подшипники скольжения, с поршнями ДВС. (1)
Генератор имеет магнитную систему с постоянными магнитами.
Статор генератора, несколько, отличается от классических генераторов переменного тока, он содержит набранный из листов электротехнической стали цилиндрический магнитопровод, в статоре размещены три обмотки, например, из медного провода прямоугольного сечения, но расположены они не вдоль, а поперек цилиндра. Обмотки выполняются отдельно и устанавливаются в статор, в процессе его шихтовки. Это позволит механизировать процесс изготовления обмоток, упростить его установку, и выдержать оптимальный зазор между индуктором (ротором) и статором.
Обмотки можно соединить звездой, треугольником.
Индуктор (ротор) генератора является сборным, выполнен из меди или немагнитной стали, на цилиндрической поверхности ротора выполнены наклонные продольные пазы, в виде ласточкина гнезда, в которых установлены высокоэнергетические постоянные магниты трапецеидальной формы, а наружная поверхность магнита имеет цилиндрическую форму, между магнитами установлены дистанционные вкладыши из немагнитного материала.
В данном случае, работа генератора переменного тока на постоянных магнитах, осуществляется за счет возвратно-поступательного движения индуктора (ротора) в статоре, наводящего электромагнитные поля, которые индуцируют электродвижущую силу (ЭДС) и напряжение, а при подключенной нагрузке – ток в обмотках статора.
Наибольший эффект достигается при установке небольших по размерам магнитов, расположенных рядами в продольном направлении, под небольшом углом относительно оси ротора. Получается ровный и мощный магнитный поток, воздействующий на силовые обмотки статора с равномерной плотностью, рабочий промежуток между статором и индуктором выбирают минимальным, исходя из технологических возможностей.
Высокоэнергетические постоянные магниты, установленные в пазах индукторов (роторов) генераторов, существенно повышают надежность работы генераторов, благодаря отсутствию обмоток возбуждения и скользящих контактов для подвода к ним тока.
Работой впускных, перепускных, продувочных и выпускных клапанов, а так же подачей рабочей топливной смеси и работой системы зажигания управляет бортовой компьютер.
Силовая гибридная установка работает следующим образом.
Подается импульс напряжения на обмотку статора, открывается клапан подачи свежей порции воздушной смеси из ресивера в рабочую камеру цилиндра, и, например, поршень в левом цилиндре перемещается в нижнюю мертвую точку, перемещая шток с индуктором в статоре генератора. Одновременно поршень в оппозитном (правом) цилиндре перемещается к верхней мертвой точке и создает разрежение в подпоршневой компрессорной камере. Под действием этого разрежения открывается впускной клапан и свежая порция воздушной смеси засасывается в компрессорную камеру. При движении поршня к верхней мертвой точке, перепускной, продувочный и выпускной клапаны закрыты. Происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Подается импульс тока, и топливная форсунка открывается. Топливо под давлением распыляется в рабочую камеру, в районе свечи зажигания. Подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи проскакивает искра, рабочая смесь воспламеняется, происходит сгорание и расширение рабочей смеси, давление в цилиндре повышается и поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая индуктор в статоре генератора. Выпускной и впускной клапан закрыты, открывается перепускной клапан и поршень выталкивает свежую воздушную смесь из компрессорной камеры в ресивер. В конце рабочего хода поршня, открываются выпускной клапан и клапан подачи свежей порции воздушной смеси из ресивера в рабочую камеру цилиндра. В результате этого осуществляется петлевая продувка рабочей камеры цилиндра. Отработанные газы из рабочей камеры, через выпускной клапан поступают в глушитель и далее в атмосферу. Таким образом происходят возвратно-поступательные движения поршней со штоками, на концах которых установлен индуктор (ротор), который также совершает возвратно-поступательные движения в статоре генератора, наводя электромагнитные поля, которые индуцируют электродвижущую силу (ЭДС) и напряжение на обмотках статора.
Обмотки статора генератора, посредством контроллера могут подключаться:
- непосредственно к асинхронному, (синхронному) электродвигателю;
- через выпрямитель к аккумулятору, для его подзарядки;
- через выпрямитель и инвертор, к асинхронному электродвигателю;
- через выпрямитель и инвертор, к синхронному электродвигателю;
- в буферном режиме, через выпрямитель к аккумулятору, а от аккумулятора через инвертор к асинхронному (синхронному) электродвигателю.
Преимуществом предлагаемой силовой гибридной установки является и автономная независимая работа поршневых пар ДВС, которые могут работать одновременно, и по отдельности, почти полное отсутствие вибрации во время работы. Такой эффект достигается за счет расположения поршней, которые уравновешивают друг друга, что существенно увеличивает ресурс силовой гибридной установки, а в случае ее установки на автомобиль, они обеспечивают автомобилю и низкий центр тяжести, что благоприятно скажется на устойчивости автомобиля.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия и упрощении конструкции силовой гибридной установки:
- за счет совмещения функций ДВС и генератора;
- за счет конструктивного объединения ДВС и генератора.
КПД предлагаемой силовой гибридной установки составит 70-75%
И если сравнивать силовую гибридную установку с аккумуляторной батареей, то она дешевле, проще и надежнее, но уступит в экологичности, хотя вредных выбросов в атмосферу у неё меньше чем у традиционного четырехцилиндрового, четырехтактного ДВС.
* Если Вас заинтересовала статья, то оставляйте свои комментарии, более подробно данная тема раскрыта в статье «Тенденция развития автомобилестроения. Проблемы, предложение и обсуждение», которая размещена на данном сайте.
Литература
1. Патент РФ № 2705320
