Блоги / Техника и вооружение

5:03 / 30.07.18
Россия на выставке ИННОПРОМ-2018 представила прототип гибридного автомобиля

Международная промышленная выставка ИННОПРОМ проводится в Екатеринбурге ежегодно с 2010 года. В 2012 году правительство России присвоило ей федеральный статус. В этом году выставка проходит с 9 по 12 июля, ее тема - "Цифровое производство". 

Организатор выставки - Министерство промышленности и торговли РФ. На ИННОПРОМ-2018 многие экспозиции посвящены цифровому производству. Выбор темы обусловлен, в первую очередь, задачами цифровизации экономики, которые ставит президент России Владимир Владимирович Путин. Цифровое производство, "умные" машины, робототехника, беспилотная техника и электрический транспорт, технологии для городов - вот далеко не полный перечень тем выставки.


Партнером ИННОПРОМ-2018 стала Республика Корея, корейская Hyundai Motor впервые привезла в России свою новую модель Hyundai Ioniq.

1.jpg

Семейство гибридных автомобилей Hyundai Ionig от корейской компании Hyundai Motor / Фото: www.innoprom.com


«Это - уникальный гибридный автомобиль, который может быть укомплектован тремя видами силовых установок: простой гибридной, подзаряжаемой гибридной и полностью электрической. Непосредственно на выставку привезли электрокар», - рассказала представитель компании Hyundai Motors CIS Юлия Тихонравова. [1]

На выставке представлен также и прототип гибридного УАЗика [2] на базе шасси «УАЗ Профи», разработанный совместно с ФГУП «НАМИ».

2.jpg

Прототип гибридного УАЗика на базе шасси «УАЗ Профи» / Фото: motor.ru



Что такое гибридный автомобиль? Гибридный автомобиль — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии. [3]


Честь стать первым в мире гибридным автомобилем выпала Lohner-Porsche Mixte Hybrid. Детище Lohner-Werke и Фердинанда Порше было впервые показано на Всемирной автовыставке в Париже в самом начале XX века, в 1900 году.

3.jpg

Первый в мире гибридный автомобиль Lohner-Porsche Mixte Hybrid / Фото: Dusc.ru

Поэтому можно со всей серьезностью утверждать, идея гибрида не нова, ей более ста лет. [4] Современные автопроизводители часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя, что позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, повышая топливную эффективность силовой установки.

Другой распространённый вид гибридов — автомобили, в которых ДВС совмещён с двигателями, работающими на сжатом воздухе.

Типичные двигатели, работающие на сжатом воздухе (пневмодвигатели), используют один или несколько поршней. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на гидродвигатели. В некоторых случаях целесообразно нагревать воздух или двигатель для повышения отдачи энергии. Первый экспериментальный легковой «воздушный» автомобиль был представлен в Лос-Анджелесе в 1932 году.

Гибридный автомобиль сочетает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания: больший коэффициент полезного действия электромобилей (80—90 % по сравнению с 35—50 % у автомобилей с ДВС) и большой запас хода на одной заправке автомобиля с ДВС.

Следует отличать от гибридов транспортные средства с электромеханической трансмиссией, такие как тепловозы, некоторые карьерные самосвалы (кроме последних разработок, где применен последовательный гибридный привод).

Известны три типовых схемы подключения двигателей и накопителей к приводу колёс (см. источник 2):

01.jpg

Является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя / Фото: www.1gai.ru


Последовательная (классическая гибридная схема): по сути является модификацией электромеханической трансмиссии с добавлением промежуточного накопителя. Двигатель внутреннего сгорания механически соединён только с электрогенератором, а тяговый электродвигатель — только с колёсами. Пример: Chevrolet Volt.

4.jpg

Тяговый электродвигатель от Chevrole Volt / Фото: Autoneva.ru

Параллельная: и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель механически соединены с колёсами посредством дифференциала, который обеспечивает возможность их работы как по отдельности, так и совместно. Эта схема используется в автомобилях с Integrated Motor Assist (Honda). Характеризуется простотой (возможно применение вместе с механической коробкой передач) и низкой стоимостью.

Последовательно-параллельная: двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель механически связаны друг с другом и с колёсами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами. Схема реализована в автомобилях с Hybrid Synergy Drive (Toyota), например, Toyota Prius.

5.jpg

Toyota Prius c последовательно-параллельной схемой соединения двигателей и накопителя с ведущими колёсами / Фото: ru.wikipedia.org


Сложение силовых потоков от ДВС и электродвигателя, как правило, регулируется посредством компьютера. Самый распространенный режим работы гибридного двигателя заключается в том, что при движении авто на небольшой скорости, например, в черте города, используется его электрический блок. При движении машины по трассе – в работу включается двигатель внутреннего сгорания. В случае большой нагрузки, например, при резких подъемах в гору или при спортивном старте машины с места, в работу включаются оба двигателя.

Кроме приведённых в википедии трёх схем типов подключения двигателей и накопителей к приводу колёс имеются ещё три схемы, они доступно для понимания описаны в источнике 3.

6-1.jpg

6-н.jpg

Автомобиль PHEV (модель Pacifica Plug-in Hуbrid) / Фото: www.1gai.ru



К ним следует отнести: Плагин-гибридная схема, или автомобили PHEV (модель Pacifica Plug-in Hуbrid): для данной схемы превалирующим становится использование розетки, а не подзарядка от ДВС. Этот вид «гибридизации» подразумевает наличие больших батарей, чем в обычных гибридах. Наглядный пример: в гибридном Hyndai lonig устанавливается батарея 1,56 кВт.ч, а на плагин-гибридном варианте Hyndai lonig ставится литий-ионный пакет полимерных батарей в 8,9 кВтч. Это можно считать недостатком. Однако данная схема позволяет перемещаться на относительно короткие расстояния только в режиме использования электродвигателя.

7.jpeg

Схему Mild Hibrid («мягкий» тип гибрида) применяют, например, в Формуле-1, обеспечивая гоночному болиду возможность резко стартовать с места / Фото: www.1gai.ru


К следующей схеме можно отнести Mild Hibrid («мягкий» тип гибрида: в этой схеме электродвигатель используется для небольшого процента помощи основному ДВС. То есть при данной схеме не представляется возможным предоставить автомобилю полностью самостоятельный ход от электродвигателя. Мягкий – это не полноценный гибрид. Эту схему применяют, например, в Формуле-1, обеспечивая гоночному болиду возможность резко стартовать с места.

В общем и целом, «мягкий» гибрид похож по техническим характеристикам на параллельный гибрид, но функции его ограничены.

8.jpeg

Машина микро-гибридной системы, в которой в трёх вариациях применяется «старт-стоп» система / Фото: www.1gai.ru


К следующей – шестой схеме можно отнести микро-гибридную систему. К машинам данного типа можно отнести те машины, в которых в трёх вариациях применяется «старт-стоп» система.

Вариация 1: Транспортное средство оснащено только системой «старт-стоп». В этом случае при остановке автомобиля ДВС мгновенно останавливается (глушится) и быстро запускается при нажатии на педаль сцепления (машины с механической КПП) или при отпускании педали тормоза (машины с автоматической АКПП). Система «старт-стоп» включает следующие элементы: устройство, обеспечивающее многократный запуск ДВС и система управления. Основу системы составляет специальный стартер, рассчитанный на большое количество пусков двигателя и имеющий увеличенный срок эксплуатации. Стартер оборудован усиленным малошумным механизмом привода, гарантирующим быстрый, надёжный и бесшумный запуск двигателя.

Система управления осуществляет остановку и запуск двигателя, а также контроль заряда аккумуляторной батареи. Как и все современные электронные системы управления она включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства.

При остановке автомобиля система «старт-стоп», на основании сигнала датчика частоты вращения коленчатого вала, останавливает двигатель. Питание потребителей электрического тока (электроника автомобиля) производится от аккумуляторной батареи. При отпускании педали тормоза на автомобиле система активирует стартер и производит запуск двигателя. В дальнейшем цикл остановки и запуска двигателя продолжается.

Если величина заряда аккумуляторной батареи опускается ниже заданной величины, система на основании сигнала соответствующего датчика выключается. Включение производится после зарядки аккумуляторной батареи. Система может быть принудительно отключена с помощью специальной кнопки на панели приборов.

Во вторую вариацию помимо системы «старт-стоп» входит функция рекуперативного торможения.

Что же касается третьей вариации, то у микрогибрида должна присутствовать система «старт-стоп»; система рекуперативного торможения; свинцово-кислотные аккумуляторы, сделанные по технологии AGM и блок стартер-генератора. Последний заменяет генератор и стартер, а AGM батарея поддерживает высокий электрический ток.

Уважаемые читатели, вот такова на данный момент классификация схем типов подключения двигателей (ДВС и электродвигателя) и накопителей к приводу колёс гибридных транспортных средств.

Констатируем, к плюсам гибридного устройства можно отнести то, что при использовании электрического двигателя, значительно сокращается расход топлива, так как он работает от постоянно восполняемой энергии аккумулятора.

Возможность, хотя бы отчасти, снизить количество выбрасываемых вредных веществ в воздух – еще один плюс гибридной системы автомобиля.

В качестве накопителей наиболее часто применяются высоковольтные аккумуляторные батареи.

В настоящее время производители проводят работы по улучшению источников энергии для электродвигателя, а точнее аккумуляторных батарей. Их стараются сделать меньше и легче, увеличивая объем, отдачу энергии, но, при этом, снижая время на подзарядку. Работа над АКБ устанавливаемых на электромобили, сейчас наиболее приоритетная в отрасли производства гибридных и плагин-гибридных автомобилей.

Следует заметить, что питание тяговых электродвигателей (ТЭД) от аккумуляторных батарей осуществляется через инвертор. Что же такое этот инвертер? «Инвертер» (Inverter) - сложное электронное устройство, предназначенное для:

  • преобразования постоянного тока высоковольтной батареи (HV battery) в трехфазный ток для работы ТЭД и обратно (при рекуперации)
  • обратного преобразования энергии (рекуперация от лат. recuperatio - обратное получение, возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса, для повторного использования в том же процессе); применительно к рассматриваемому вопросу – преобразование механической энергии в электрическую, за это в блоке инвертора отвечает прибор называемый «конвертором»
  • регулирования и распределения энергии, получаемой от ТЭД (мотор-генераторов при размещении их на ведущих колёсах)
  • электронного управления ТЭД или мотор-генераторами в зависимости от режимов работы двигателя внутреннего сгорания на основании согласованных действий с остальными электронными устройствами автомобиля

Inverter имеет свою систему охлаждения, не связанную с системой охлаждения ДВС.

В свою очередь, зарядка HV battery происходит от стартер-генератора. ДВС не связан напрямую с колёсами, и часть его энергии всегда отдаётся на вращение заряжающего батареи и питающего тяговый электродвигатель генератора (стартер-генератора), непосредственно связанного с ДВС, зачастую через зубчатый венец маховика.

Далее, дорогие читатели, предлагается рассмотреть из каких элементов должно конструироваться шасси гибридного автомобиля.

Силовая установка. В распространённых в мире гибридных автомобилях силовая установка включает: ДВС и ТЭД. На известных гибридах в качестве ДВС находят применение поршневые двигатели (бензиновые или дизельные). А в качестве ТЭД нашли применение, как правило, трёхфазные асинхронные двигатели переменного тока, реже – вентильные двигатели постоянного, реже переменного, тока. [5]

Этот тип двигателя создан с целью исключения из электродвигателя относительно недолговечного механического щёточно-коллекторного узла. Меха¬нический коллектор электрической машины постоянного тока может быть заменен вентильным (диодным) устройством. Как вариант - автомобиль «Санрейсер», в котором установлен как раз вентильный двигатель от компании General Motors. При массе 3,6 кг его КПД составляет 92%.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Сцепление. Это – агрегат, работа которого основана на действии силы трения скольжения (фрикционная муфта); предназначен для передачи силового потока от двигателя трансмиссии, плавного трогания с места, гашения крутильных колебаний, кратковременного отсоединения трансмиссии от двигателя и предохранения агрегатов двигателя и трансмиссии от разрушения при внезапно возникающих динамических (запредельных) нагрузках (выполняет роль предохранительной муфты).

Учитывая назначение сцепления, оно необходимо и для гибридных авто.

001.jpg

Длиннобазный президентский лимузин Aurus-41231SB собранный на единой модульной платформе семейства «Котреж» / Фото: Finobzor.ru

Правда, следует отметить, что на созданном в НАМИ семействе машин «Котреж» гидротрансформатор (гидравлическое сцепление) отсутствует. [6] Дело в том, что для единой модульной платформы семейства московская компания КАТЭ, основанная в 2004 году для разработки и производства автоматических коробок передач, создала девятиступенчатую АКПП R932. В этой АКПП предусмотрено плавное (несколько замедленное) включение фрикционных элементов с целью обеспечения плавного трогания машины с места.

Коробка передач. Она предназначена:

  • для изменения передаточного отношения при передаче силового потока от ДВС к ведущим колёсам() - для получения заднего хода() - для длительного разобщения ДВС от ведущих колёс (нейтраль)
  • для передачи мощности к другим агрегатам автомобиля

Если ТЭД может вращаться в прямом и обратном направлении, то ДВС этим свойством не обладает. Кроме того, из внешней скоростной характеристики ДВС вытекает, что двигатель может развивать максимальный крутящий момент только при определённой частоте вращения коленчатого вала. Из всего выше отмеченного вытекает необходимость применения на гибридных авто коробок передач.

Раздаточная коробка. Она предназначена для:

  • распределения силового потока, получаемого от коробки передач, между ведущими мостами
  • дополнительного изменения передаточного отношения при передаче силового потока от ДВС к ведущим колёсам
  • длительного разобщения ведущих колес от других агрегатов трансмиссии
  • для передачи мощности к другим агрегатам автомобиля

Из сказанного очевидно, что и без раздаточной коробки в полноприводном гибридном автомобиле не возможно обойтись.

Итак, дорогие читатели, после ознакомления с общим устройством гибридных автомобилей, мы получили некоторое представление о них.

Что касается гибридного УАЗ. Вообще же ходовые образцы гибридных УАЗов уже были и показывались публике в 2014 году на ММАС-2014.

Собственно, гибридный автомобиль «УАЗ ПРОФИ» демонстрировался раньше на выставке "ИННОПРОМ-2017" и представлял из себя только макет. [7]


0003.jpg

Фотографии макета гибридного автомобиля УАЗ в источнике имеются. При создании этого гибрида применена последовательная схема соединения двигателей и накопителей с ведущими колёсами, уже применяемая в семействе «Кортеж».

 Далее представляется возможным вернуться к исходной статье (см. источник 2).

В статье рассказывается, что первая гибридная установка грузовика «UAZ Профи» разработана совместно с ФГУП «НАМИ» и включает в себя 2,3-литровый атмосферный бензиновый двигатель мощностью 132 лошадиных силы, 126-сильный электромотор, тяговую аккумуляторную батарею ёмкостью 14 киловатт-часов и шестидиапазонную автоматическую коробку передач. Расход топлива прототипа при движении в смешанном цикле составляет 7,6 литра на 100 километров.

01а.jpg

Гибридный автомобиль УАЗ ПРОФИ демонстрировался чуть раньше на выставке "ИННОПРОМ-2017" и пока представляет из себя только макет. Провода, аккумуляторы, электродвигатель - это все муляжи. Первые опытные образцы обещают к 2019 году / Фото: www.uazbuka.ru

Установку можно переключать между тремя режимами работы: только ДВС, движение на электротяге и гибридным, который автоматически включается после достижения скорости 50 километров в час. В нем суммарная отдача составит 258 лошадиных сил и 500 Нм крутящего момента. Разгоняться до «сотни» грузовик способен за 10,7 секунды, а его максимальная скорость составляет 141 километр в час. Запас хода на электротяге — около 74 километров. Благодаря электротяге, расход топлива гибридного «Профи» в смешанном цикле составляет 7,6 л/100 км, а суммарный запас хода достигает 855 км (на электричестве грузовик способен проехать до 74 км). При этом двухмоторный УАЗ отличается завидной динамикой: с места до 100 км/ч он ускоряется всего за 10,7 секунды – втрое быстрее обычного «УАЗ Профи»! А ещё такой автомобиль укладывается в нормы токсичности «Евро-6» и требования по выбросам СО2, которые в ЕС только планируется ввести в 2020 году.

Серийное производство гибридного «УАЗ Профи» планируется наладить после прохождения всех необходимых испытаний (ориентировочно это должно произойти в 2019-2020 годах). Но, на взгляд автора, самым серьёзным испытанием для этой машины должны быть испытания на способность двигаться по бездорожью, преодолевать брод (без угрозы для жизни и здоровья людей, находящихся в машине в этот момент из-за его электрической части) и сохранить способность к преодолению брода в конце ресурсных испытаний. То, что такое возможно доказано автостроителями Великобритании. Созданный ими Range Rover Hybrid в 2013 году показал свою способность перемещаться по бездорожью и преодолевать брод глубиной 0,9 метра. [8]

И, только после выполнения данного условия, можно ставить задачу на привлечение гибридных автомобилей для службы в армии и других силовых структурах Российской Федерации.

Следующими шагами в создании гибридов, как представляется автору, должны быть: научить машины управляться как в беспилотном, так и в пилотируемом вариантах управления, для чего все предпосылки в представленном прототипе машины заложены.

Технические характеристиги гибридного УАЗ «Профи»



Выводы:
  1. Российская автомобильная промышленность доказала способность создавать работоспособные автомобили - гибриды, запустив в производство машины единой модульной платформы «Кортеж» и создав прототип современного гибридного автомобиля на базе шасси «UAZ Профи».
  2. После прохождения машиной всего цикла положенных испытаний, она может быть запущена в производство.
  3. При выполнении пункта 2 машина может быть предложена для применения в ВС РФ.
  4. В случае успеха конструкторов Ульяновского автозавода, их опыт в создании гибридных автомобилей может быть рекомендован для внедрения другими компаниями, занимающимся производством автотехники для МО РФ, в частности, и для «УРАЛАЗ».


Автор: Анатолий Черкашин кандидат военных наук полковник в отставке



При написании материала использовались данные открытых интернет-источников:

1. Статья «HYUNDAI MOTOR ПРЕДСТАВИТ НА ИННОПРОМ-2018 НОВЫЙ ЭЛЕКТРОКАР IONIQ HYBRID» в издании электронного портала INNOPROM от 26 июня 2018 года. 

2. Редакционная статья «UAZ построил первый отечественный гибридный грузовик» в издательстве Motor от 9 июля 2018 года,

3. Материалы сайта Википедии — свободной энциклопедии публикация «Гибридный автомоби́ль».

4. Автор Eric Статья «Сколько существует видов гибридных автомобилей?».

5. Редакционная статья «Устройство двигателя электромобиля» в издании Autoleek.ru.

6. Статья Сергея Знаемского «Как сделан мотор V12 для Кортежа и зачем его порежут на «горшки»?» в издании Авто Ревю № 18 2016 г. 

7. Редакционная статья «УАЗ ПРОФИ 2017 гибрид» на портале Уазбука почти все об автомобилях УАЗ от сентября 2017 года.

8. Статья Анатолия Караваева «Бродяга с двумя сердцами» в издании Газета.ru от 26.11.2013 г.


9.Статья Максима Федорова «Гибридный УАЗ «Профи»: два мотора, автомат и отличная динамика» в издании 5колесо Российский автомобильный портал от 09.07.18 г 

Источник: ИА "ОРУЖИЕ РОССИИ", Анатолий Черкашин
12


Теги: гибридный автомобиль, двигатель внутреннего сгорания, тяговый электродвигатель, инвертор, стартер-генератор, высоковольтная батарея, агрегаты трансмиссии