ENGToyota Prius: Двадцать лет меж двух миров
Журналист. г. Москва
По оценке аналитиков компании Schaeffler, к 2030 году до 70% новых машин будут иметь чисто электрический или гибридный привод. И эта компания уже разрабатывает узлы для своих клиентов – крупнейших производителей автомобилей. Сейчас гибридные модели есть в программе большинства автопроизводителей.
Сложность – это выгодно
Первым серийным автомобилем с гибридным приводом стал Toyota Prius –родоначальник целой плеяды моделей. Он построен по смешанной параллельно-последовательной схеме. Потоки мощности от бензинового ДВС, работающего по циклу Аткинсона, и двух электромоторов-генераторов сходятся в планетарном редукторе, а оттуда передаются на ведущие колеса. Один мотор-генератор связан с солнечной шестерней, другой – с коронной, а ДВС – с блоком сателлитов. От участия электромотора, связанного с внутренней шестерней, зависит передаточное отношение, то есть степень передачи усилия от ДВС. Некоторые режимы работы этого агрегата, который Toyota назвала Hybrid Synergy Drive, напоминают вариатор. Бензиновый мотор, разумеется, используется и для подзарядки батареи. Управляющий блок следит за уровнем заряда и при снижении его до критического уровня принудительно включает двигатель, даже если машина движется в режиме электромобиля.
Главное достоинство гибридов в том, что они собирают излишки мощности, производимой двигателем. При замедлении кинетическая энергия автомобиля расходуется и на нагрев тормозов. Генератор позволяет вместо этого зарядить аккумулятор (рекуперация), что особенно полезно в городском режиме, когда поток часто останавливается на перекрестках.
Этот силовой агрегат с небольшими изменениями дошел уже до четвертого поколения Toyota Prius. После оптимизации и подбора нужных мощностей ДВС и электромоторов, а также емкости батарей агрегаты были установлены и на другие модели Toyota – Yaris, Auris и пр.
Интересно реализован гибридный привод на полноприводном кроссовере Lexus RX 450h. Впереди у него размещен силовой агрегат, аналогичный по конструкции Toyota Prius. А задние колеса приводит электромотор. Никаких карданных валов, не нужны дифференциалы, муфты и блокировки – регулировка передачи тягового усилия на задние колеса производится электротехнически.
Конкурирующие соседи
Успехи японцев не дают покоя корейским производителям. К примеру, Hyundai решила доказать, что собирается не только успешно конкурировать, но и обскакать признанного «короля гибридов» Toyota. Пока ничего революционного конструкторы Hyundai не изобрели – они комбинируют, складывая пазлы из узлов известных конструкций. Большие надежды возлагаются на новинку Hyundai Ionic, вышедшую сразу в трех ипостасях: электромобиль и два гибрида – обычный и подключаемый. В гибридном силовом агрегате к бензиновому 4-цилиндровому мотору Kappa объемом 1,6 л, работающему по циклу Аткинсона, пристыкован 43-сильный электромотор-генератор, а дальше идет шестиступенчатая роботизированная коробка с двумя сцеплениями. Трогаться с места надо на электротяге. Да и не только трогаться, запаса энергии в аккумуляторах достаточно для пробега до 43 км. Бензиновый двигатель подключается, когда требуется более динамичная езда или назрела потребность подзарядки батареи.
Европейский подход
Недавно появившийся седан BMW 530e iPerformance – очередной подключаемый гибрид в линейке баварского производителя после X5, X1, «трешки», «семерки» и Active Tourer. Его силовой агрегат представляет собой турбонаддувную «четверку», работающую в тандеме с восьмиступенчатым «автоматом», только между ними вместо гидротрансформатора встроен 113-сильный электродвигатель. Гениальная замена! Вместо того чтобы с помощью сложного гидродинамического узла исправлять врожденно неудобную тяговую характеристику ДВС, использован электрический мотор-генератор. В тяговом режиме электромотор выдает недюжинный крутящий момент непосредственно с нулевых оборотов, а при торможении он же в качестве генератора заряжает батарею. Трогание и первичный разгон – самые тяжелые для ДВС режимы движения – производятся на электротяге, далее по мере необходимости подключается ДВС. В качестве опции предлагается устройство беспроводной зарядки, способное полностью заправить аккумулятор часа за три.
Аналогично устроен и подключаемый гибрид Audi A3 e-tron, но коробка передач в нем шестиступенчатый «робот» с двумя сцеплениями – любимая трансмиссия группы Volkswagen.
Слово из-за океана
Таким образом, мы видим два подхода в конструировании гибридного привода: комбинирование с обычной автоматической трансмиссией либо организация так называемого синергетического агрегата (электромеханического вариатора), который объединяет и распределяет тягу ДВС и электромоторов. Первый вариант предпочитают европейские компании, второй, кроме Toyota, выбрала и General Motors для своего подключаемого гибрида Chevrolet Volt, поступившего в продажу в 2010 году. В Европе известен «брат» этой модели Opel Ampera. В конструкции гибридного силового агрегата Volt имеются ДВС, планетарный редуктор и два мотор-генератора. Однако управление в сравнении с Toyota организовано иным способом: подключение компонентов и блокировка элементов осуществляются с помощью трех фрикционов. Первый присоединяет к трансмиссии ДВС, второй – мотор-генератор, а третий фиксирует коронную шестерню – в этом режиме Volt едет на одной электротяге. Полностью заряженный гибрид Volt без подключения ДВС способен проехать до 55 км.
Гибридный агрегат Volt сложнее, чем у Toyota. Три фрикциона срабатывают довольно часто и при этом изнашиваются. Соответственно, уровень безотказности и показатели ресурса силового агрегата GM меньше, чем у гибридных агрегатов Toyota, которые показывают высокий уровень надежности. Большинство неисправностей японского привода связано с электронными компонентами типа инвертора или с огрехами обслуживания.
Ради чего же американцы отдали предпочтение более сложной схеме? Видимо, была задача построить что-то собственное, без копирования патентованной конструкции. Кроме того, в США для владельцев электромобилей предоставляют налоговые льготы, и GM называла Volt не гибридом, а электромобилем с дополнительным источником энергии на борту. Дескать, при сравнительно коротких поездках водитель может вообще не использовать ДВС, ограничиваясь электричеством из аккумуляторов. В инструкции даже есть пункт, касающийся того, что бензин в баке надо выработать, если в течение года ДВС не включался.
К гибридам можно отнести электромобили, в которых в качестве дополнительного модуля используется двигатель для подзарядки. У BMW i3 среди опций предусмотрен Range Extender. Этот бензиновый двухцилиндровый мотор 0,65 л/ 28 л.с. не связан с колесами, а предназначен только для подзарядки аккумулятора. За счет выработки 9-литрового бака он способен продлить запас хода еще примерно на 150 км.
Новинки
По появлению новинок на рынке видно, что и другие фирмы активно развивают гибридизацию. В частности, Honda разместила свою гибридную установку i-MMD, известную по применению на Accord 2014 года, на кроссовер CR-V. BMW продолжает использовать схему с электромотором, размещенным между ДВС и АКП. Заявлено, что концептуальный флагманский кроссовер BMW X7 с мощной батареей сможет проехать на электротяге уже 100 км. Mercedes-Benz показал свой новый подключаемый гибрид S 560 e, который расходует фантастически мало топлива – чуть более 2 л/100км. Правда, запас хода на электротяге довольно скромный – около 50 км. Гибридная установка S 560 e не имеет революционных решений в конструкции: конструкторы состыковали трехлитровый 367-сильный ДВС с 122-сильным электромотором и 9-ступенчатым «автоматом». А Toyota объявила о новой стратегии в отношении гибридов: одни будут нажимать на экономичность, другие – на динамику. Примером «заряженного» гибрида стал представленный на Франкфуртском автосалоне концепт Toyota CH-R Hy-Power, о подробных технических данных которого пока не сообщается.
Перспективы
Популярный у европейских конструкторов вариант, когда к АКП пристыковывают электромотор (иногда вместо гидротрансформатора) – менее затратный на сегодняшний день, так как не подразумевает глобальных переделок. Но «японско-американский» более сложный вариант перспективнее благодаря компактности и эффективности, хотя и требует больше вложений.
Темпы внедрения гибридов в ближайшие годы будут довольно высокими – Volvo, Maserati, Jaguar уже объявили о том, что к 2020 году все их автомобили станут получать либо чисто электрический, либо гибридный привод. К 2030 году планирует полностью электрифицировать выпускаемые автомобили Ford, это собирается сделать и Mazda. Но есть и исключение –Lexus, который начал выпуск гибридов вскоре после Toyota, намерен отказаться от них. Это подразделение Toyota решило, что надо переходить на электромобили. Тем не менее доля гибридов в парке будет только нарастать в ближайшие два десятилетия как минимум.
Cправка
Гибридный привод – привод, сочетающий различные источники энергии. Самый распространенный включает ДВС и электромотор. Возможны и другие: сочетание ДВС и пневмопривода или любого двигателя и маховика.
Цикл Аткинсона в отличие от цикла Отто, используемого в большинстве бензиновых двигателей, имеет более длинный такт рабочего хода. Он реализован благодаря дополнительному механизму. Такой ДВС меньше шумит и расходует меньше бензина, при этом сложнее и имеет худшие характеристики. Однако в составе гибридного привода его недостатки незаметны.
Параллельная схема – когда колеса соединены с обоими двигателями и могут приводиться как от одного из них, так и от обоих вместе.
Последовательная схема – когда привод колес осуществляет только электромотор, а ДВС используется для привода генератора, который питает электромотор и заряжает аккумулятор. Последовательный привод без аккумулятора – электротрансмиссия.