Гибриды: дорога в будущее или взгляд назад

⇡#Определение гибрида

Найти человека, который никогда не слышал о гибридных автомобилях, довольно непросто. Несмотря на относительно малое распространение, этот тип транспортных средств нередко является предметом обсуждений и споров. Отчего к гибридам столь пристальное внимание? На протяжении всего XX века сжигаемые виды топлива были настоящим двигателем прогресса, невозможно представить современное человечество без ДВС. И вдруг оказывается, что гибриды более эффективны, современны, экологичны. Не слишком ли резкий поворот? Но далеко не все столь однозначно и неоспоримо. Как и любое нововведение, гибридные автомобили заслуживают самого пристального изучения. Попытаемся выяснить, займут ли гибриды достойное место в нашей жизни. Как этого требует любая серьезная дисциплина, начнем изучение с истории.

⇡#Гибридное прошлое

Сегодня автомобили с гибридным приводом воспринимаются нами как нечто крайне современное и жутко технологичное. Высокие технологии, не иначе. По-другому и быть не может - весь прошлый век повсеместно властвовали двигатели внутреннего сгорания, да и сегодня без них не обойтись. Однако на заре автомобилестроения, в начале XX века, перспективы ДВС были не столь однозначны: экипажи на электрической тяге вполне могли составить им конкуренцию. Как современным электрокарам, для дальних поездок таким повозкам не хватало заряда энергетических накопителей. Гений научной мысли того времени решил интегрировать два вида тяги в одном транспортном средстве: бензиновую и электрическую. Определить первого создателя гибридного автомобиля сегодня довольно проблематично. Попробуем опереться на официальные документы.

Первый патент на автомобиль с гибридной силовой установкой был зарегистрирован в США 2 марта 1909 года. Бельгиец немецкого происхождения Генри Пипер был оружейником, однако увлекался точными науками и немало времени уделял техническим изобретениям. Однажды Генри Пипер пришел к идее совмещения двух двигателей в одном автомобиле. Первые опыты были проделаны еще в XIX веке, а работающий прототип продемонстрирован публике в 1900 году. Алгоритм работы сложного транспортного средства следующий: двигатель внутреннего сгорания был подключен к динамо-машине (генератору), которая имела связь с аккумуляторными батареями. Динамо-машина могла работать в обе стороны: заряжать аккумуляторы от ДВС и добавлять тягу во время тяжелого подъема. Сам Генри Пипер называл свое изобретение «Mixed Drive for Autovehicles» – «Автомобиль со смешанным приводом». Заявка на патент была подана 23 ноября 1905 года, однако официальное подтверждение было получено лишь в 1909 году.

Юридически изобретение гибридного автомобиля принадлежит Генри Пиперу. Де-факто создателем первого транспортного средства с бензино-электрической тягой может быть другой изобретатель, легендарный Фердинанд Порше. В 1898 году 23-летний гений инженерной мысли создал свой дебютный автомобиль – Lohner Electric Chaise. Это была первая в мире машине с передним приводом, к тому же работающая только на электричестве. Конструкция поражает и сегодня: встроенные в колеса четыре электромотора имели мощность от 2,5 до 3,5 лошадиных сил, а в пике могли выдавать до 7. Никакого сцепления, никакой трансмиссии, никаких потерь мощности и крутящего момента. О создании подобных машин современные производители могут только мечтать. Фердинанд Порше отвечал за инженерную часть работы, кузовом занималось ателье Якоба Лонера.

После показа Lohner Electric Chaise в 1901 году в Париже Якоб Лонер получил первый в мире заказ на электромобиль. Но покупатель хотел внести свои коррективы в автомобиль: он должен иметь двигатель внутреннего сгорания, позволяющий преодолевать большие расстояния. Желание клиента – закон, в результате Фердинанд Порше выполнил заявку. По слухам, одни только 44 80-вольтовые батареи весили 1800 кг. Невероятный гибрид мог достигать максимальной скорости 60 км/ч, а заряда емкостных батарей хватало для преодоления 64 км без включения ДВС. К тому же автомобиль с говорящим именем Mixte обладал недюжинными дорожными способностями. Он выиграл гонки Exelberg Rally, транспортным средством управлял сам Фердинанд Порше.

Знали гибриды и в Российской империи: в 1910 году в тираж вышла книга «Бензино-электрическая тяга», в которой участники Русского электрического общества описывали «бензино-электрический вагон мощностью 60 лошадиных сил». Существовали также более мощные модификации. В таких самодвижущихся вагонах электромоторы соседствовали с бензиновым ДВС, от которого и питались посредством генератора электрической энергии.

Установить точную хронологию дальнейшего развития гибридных автомобилей сегодня довольно проблематично. Интересной моделью стал Dual Power: техническая сущность очень точно отражена в названии автомобиля (двойная сила). Производителем гибрида стала компания Woods Motor Vehicle, которая специализировалась на разработке электрических автомобилей. Производство было расположено в городе Чикаго. В период с 1915 по 1918 год выпущено около 600 экземпляров - это определенно можно считать успехом! Гибридный Dual Power трогался и до скорости 24 км/ч ехал только на электротяге, после чего в работу вступал ДВС, который был в силах разогнать автомобиль до максимальных 56 км/ч. Немногие современные автомобили с гибридным силовым агрегатом способны на такое. Вот вам и стимпанк в самом активном проявлении, технологии XXI века в начале века XX.

К сожалению, выпуск дешевых и массовых бензиновых автомобилей поставил крест на развитии электрокаров и гибридов, все забыли о существовании альтернативных видов двигателей. Во всяком случае, до 70-ых годов. Топливный кризис заставил правительство США задуматься об экономичных средствах транспорта. И опять неудача: благое намерение было забыто еще до появления действительно удобных и универсальных гибридных автомобилей. Однако некоторые события той эпохи имели не последнее значение в развитии отрасли в целом, заметны они и в современных гибридах. Одним из основоположников развития гибридных автомобилей в 60-70-ых годах заслужено считается Виктор Воук. Его самым успешным опытом является переоснащение купе Buick Skylark. Место прожорливого бензинового V8 заняли электромотор и роторный двигатель, позаимствованный у Mazda RX-2. Результат превзошел ожидания: расход топлива сократился более чем вдвое, а количество вредных выбросов не превышало 9% среднего показателя американских автомобилей-современников. Неудивительно, что Виктор Воук удостоился прозвища «крестный отец американских гибридов».

Еще одним знаковым событием семидесятых годов является изобретение рекуперативной тормозной системы. Эта технология позволяет конвертировать кинетическую энергию автомобиля в электричество, заряжая тем самым аккумуляторные батареи. Общий принцип довольно прост и логичен: во время нажатия на педаль тормоза активируется генератор, ротор приводится в действие, создавая нагрузку и замедляя автомобиль. В 1978 году сбылась давняя мечта автомобилистов: теперь добрая часть энергии не стирается впустую о тормозные колодки, а направляется на переработку. Новая система позволила повысить эффективность гибридного силового агрегата, в результате Дэвид Артурс, первопроходец в области рекуперативных тормозных систем, смог создать гибрид на базе Opel GT, расход топлива которого составлял невероятные даже по современным меркам 3,1 литра на 100 км. Изобретательность и напор Дэвида Артурса разбились о скалу непонимания мыслящих лишь коммерчески промышленников, до серийного производства дело вновь не дошло.

⇡#Предвестники современных гибридов

С третьей волной развития автомобилей с двумя типами двигателей читатели наверняка знакомы гораздо ближе. Первым действительно удачным опытом по созданию удобного и функционального гибрида в девяностых годах является Toyota Prius. Акцентировать внимание только на позапрошлом десятилетии уже не стоит, так как все современные гибриды своим развитием, по сути, обязаны именно Toyota Prius. Звучит это несколько рекламно, в стиле промо-слогана, однако анализ продаж и динамика выхода серийных предложений от конкурирующих компаний подтверждают это. Первая версия Toyota Prius вышла в 1997 году, предназначалась она только для внутреннего рынка. Модель NHW10 во многом смогла начать новую эпоху в автомобилестроении, открыв гибридным бензиново-электрическим автомобилям дверь к массовому рынку.

При разработке Toyota Prius японцы детально продумали все: от конструкции до цены и даже названия. Имя автомобиля выбрано не просто звучное: в переводе с латинского языка оно означает «предыдущий, первостепенный, основной». Еще на заре выпуска они обрекли всех остальных производителей выпускать лишь последователей, наследников Toyota Prius. Не много ли амбиций? В самый раз. Еще в начале разработки в 1995-1996 годах руководство автомобильного гиганта решило сделать гибридный автомобиль, который стал бы массовыми и популярным. Сегодня очевидно: поставленная цель достигнута. Неизвестна только цена успеха: стоимость разработки первого поколения Toyota Prius так и не была названа. Фигурировали в планах Toyota и конкретные цифры: ежегодные продажи на уровне 12000 автомобилей при средней стоимости 17000 долларов. Таким образом, инновационный автомобиль был специально помещен в нишу доступных семейных автомобилей. По мнению экспертов, производство каждого экземпляра первого Prius обходилось Toyota примерно в два раза дороже розничной цены: японская компания непрерывно теряла деньги на выпуске Prius. Траты не шли впустую, расчетливые японцы инвестировали в свое будущее. Еще бы, ведь по ранним оценкам рынок гибридов в 2005 году должен был составить треть общей массы автомобилей. Прогнозы аналитиков не сбылись, однако Toyota Prius все же стал символом гибридного автомобиля, сегодня Prius – имя нарицательное.

Первое поколение Toyota Prius оснащалось скромным бензиновым двигателем мощностью 58 лошадиных сил, электромотор был почти в полтора раза слабее: 40 л.с. Трансмиссия представлена единой планетарной передачей. Никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи емкостью 1,73 киловатт-час заряжались от ДВС. Удивительно, но за 13 лет Prius в техническом аспекте почти не изменился. Немного повысились возможности обоих двигателей, компьютер обзавелся большим дисплеем с красочными диаграммами и графиками, но функционально все осталось на том же уровне. Парадокс: самый инновационный автомобиль современности не меняется вот уже 13 лет.

Спустя два года после выпуска оригинального Toyota Prius появился заклятый противник бестселлера – Honda Insight. Автомобили по сей день являются прямыми конкурентами. Гибридный Insight можно рассматривать как ответ компании Honda на выпуск Prius, но автомобили довольно значительно разнятся по техническому содержанию. В Insight использован 3-цилиндровый литровый бензиновый двигатель мощностью 68 лошадиных сил. Скромный 13-сильный электромотор расположился непосредственно на коленчатом валу ДВС. Это типичный представитель параллельного гибридного привода. Но о классификации чуть позже. Бензиновый мотор Honda Insight изготовлен из алюминия, титана и прочных видов пластика, что позволило добиться максимального снижения веса: 838 кг в минимальной комплектации. Производитель предусмотрел два типа трансмиссии: 5-скоростная механическая и вариаторная. Ездить без использования ДВС Insight не умеет, зато может похвастаться завидной экономичностью: 3,7 литра на 100 км в смешанном цикле. Это меньше, чем у любой модификации Prius. Более того, это официально самый скромный расход для серийного автомобиля с бензиновым двигателем, когда-либо производимого в США. В чем секрет успеха? В рекуперативной тормозной системе, запасающей энергию во время отрицательного ускорения. Она впоследствии используется при разгоне, позволяя основному двигателю работать не в полную мощь. Дополнительно Honda Insight оснащен системой «стоп/старт», так что во время простоя на запрещающий сигнал светофора потребление топлива прекращается. Еще одна интересная особенность гибридного автомобиля: версия с механической КПП оснащена индикаторами оптимального момента смены передачи. Что до необычного облика хэтчбека, то мы искренне надеемся в его исключительно утилитарном происхождении, все же низкий коэффициент аэродинамического сопротивления играет не последнюю роль в снижении потребления топлива.

Два рассмотренных нами гибридных автомобиля, пожалуй, являются главными представителями массовых легковых транспортных средств с двумя типами двигателей. Позже появились серийные образцы от Mazda, Mitsubishi, Suzuki. С 2004 года производством гибридных автомобилей начинают заниматься американские производители: Ford, Chevrolet, GMC. Все они – лишь последователи. Не зря японцы именно так назвали свой первый массовый гибрид. Кстати, многие производители делают гибридные автомобили по лицензии Toyota.

⇡#Классификация и определение гибридов

Мы уже разобрались с историей появления гибридных автомобилей, рассмотрели первые массовые модели и вплотную подошли к изучению современных предложений, однако так и не дали точного определения гибрида. Само слово «гибрид» было введено задолго до появления соответствующих транспортных средств. Определение происходит от латинского «hibrida», что означает «помесь». Этот перевод как нельзя точно передает суть гибрида. Раньше (впрочем, как и сегодня) так называли животных и растения, которые произошли от скрещивания разных пород и видов. При переходе к автомобильной тематике сущность почти не меняется. Гибрид – транспортное средство, которое имеет силовую установку смешанного типа. Зачастую под гибридным двигателем подразумевается интеграция ДВС и электромотора, однако это можно считать лишь частным случаем. Чем Honda FCX Clarity не гибрид? В этом автомобиле нет двигателя внутреннего сгорания, зато в наличии водородный и электрический двигатели. Таким образом, под гибридом можно подразумевать любое транспортное средство, в котором производить энергию могут как минимум два раздельных устройства, причем энергия эта может быть использована для приведения транспортного средства в движение. Поправка в конце обязательна, иначе гибридом становится любой современный автомобиль, ведь в каждом есть электрический генератор.

Теперь о классификации. Первая напрашивается сама - по типу силовой установки. Мы уже определили, что работать в паре с электромотором может не только ДВС. Когда-то это были паровые двигатели, сегодня можно встретить водородные. Даже велосипед с электромотором – гибрид, роль запасного источника энергии выполняет мускульная сила человека.

Второй принципиальный признак, позволяющий разделить гибридные транспортные средства по категориям, это тип взаимодействия двигателей. Сегодня различают последовательное, параллельное и последовательно-параллельное (смешанное) подключение. Аналогия с электротехникой и соединением проводников. Этот параметр является одним из важнейших в устройстве гибрида, от него зависят возможности и сам принцип функционирования, поэтому рассмотрим его достаточно подробно.

⇡#Параллельные гибриды

Гибридные автомобили с параллельным включением ДВС и электромотора имеют механическую связь между трансмиссией и обоими типами двигателей. Зачастую электромотор в таких автомобилях располагают непосредственно на коленчатом валу ДВС, хотя он может быть подключен к единой трансмиссии отдельным сцеплением или муфтой. В результате основной функционал возложен именно на двигатель внутреннего сгорания. Электромотор может включиться в работу, в этом случае мощность агрегатов будет суммироваться. Зарядка аккумуляторных батарей возможна как от ДВС, так и в рекуперативном режиме. Роль генератора выполняет электромотор, он же зачастую заменяет стартер. Основной плюс гибридов с параллельным включением – экономичность.

Недостатки параллельного включения вытекают прямо из его особенностей. Если электромотор расположен на коленчатом валу, то без использования ДВС автомобиль не сможет поехать. То есть о передвижении в режиме электрокара речи идти не может. Плюс к этому даже если функционирование электромотора не требуется, его ротор будет вращаться. Исключение – автомобили с интегрированным дополнительным сцеплением. Для совмещения крутящего момента от двух источников в этом случае используется дифференциал.

Красноречивым примером параллельного гибрида может служить Honda Insight. С момента появления в 1999 году внешний вид автомобиля значительно изменился, внесены и инженерные нововведения, но схема функционирования осталась неизменной.

⇡#Последовательные гибриды

Последовательные гибриды располагаются несколько ближе к электрокарам, хотя без двигателя внутреннего сгорания они тоже далеко не уедут. В отличие от параллельного включения ДВС и электромотора, рассмотренного нами выше, в данной связке бензиновый двигатель не имеет какой-либо связи с колесами. Функционал очень близок к электрокару, ведь именно электромотор приводит автомобиль в движение. Двигатель внутреннего сгорания в данном случае лишь заряжает аккумуляторные батареи. В итоге последовательные гибриды сохранили черты как электрокаров, так и автомобилей с ДВС: они по-прежнему могут преодолевать большие расстояния, процесс заправки прост и быстр, но экономия топлива в городских пробках и рекуперативное торможение значительно повышают эффективность. Существенный недостаток параллельных гибридов – мощность электромотора и ДВС невозможно сложить, а в случае полной разрядки аккумуляторных батарей продолжать поездку некоторое время нельзя: требуется время для зарядки.

В скором времени начнется производство активно продвигаемого Chevrolet Volt. Это последовательный гибрид в чистом виде. Приживется ли такой тип автомобилей в США – большой вопрос.

Довольно значительно от последовательного и параллельного включения двигателей отличается устройство самого популярного гибридного автомобиля – Toyota Prius. Тут нет механической и автоматической КПП, не найти и вариаторную трансмиссию. Передачу крутящего момента осуществляет планетарная передача. Японцы не изобрели эту конструкцию, она уже давно применяется в различных сферах индустрии. В том числе автомобильной, ведь гидротрансформаторные АКПП имеют в наличии планетарную передачу. Заслуга инженеров Toyota в том, что именно они использовали этот механизм в подобном применении, не в составе конструкции, а в качестве полноценной трансмиссии. Теперь выясним, как функционирует данный агрегат.

Планетарная передача – набор связанных шестерней. По центру расположена солнечная шестерня. Она сцеплена с четырьмя сателлитами, которые находятся в фиксированном друг относительно друга положении. Связующим элементом выступает водило. Зубья самой большой кольцевой шестерни связаны с сателлитами. Конструкция довольно проста механически, однако ее устройство предоставляет огромные возможности по передаче и суммированию крутящего момента.

Относительно конкретного применения планетарной передачи в Toyota Prius можно рассуждать долго. Вариантов функционирования уникальной трансмиссии немало, подробный обзор заслуживает отдельного материала, поэтому вкратце обозначим лишь основные возможности. Каждый элемент планетарной передачи соединен с отдельным устройством: водило с ДВС, солнечная шестерня с первым электромотором, а кольцевая шестерня – со вторым. Именно кольцевая шестерня через редуктор связана с колесами. В результате становится возможным очень гибкое соединение и универсальное разделение между ДВС и электродвигателями, при этом Prius может выполнять функции как параллельного, так и последовательного гибрида. Японцы смогли интегрировать все возможные режимы в компактном устройстве. В зависимости от требования Toyota Prius может ехать только на элекротяге, только за счет ДВС, использовать оба мотора одновременно, разделять крутящий момент ДВС между колесами и генератором… Всё вместе японцы называют Hybrid Synergy Drive, а саму планетарную передачу – Power Split Device, устройство по распределению энергии.

⇡#Смешанный тип подключения

В последнее время стали появляться гибридные автомобили, которые трудно отнести к какому-либо из описанных видов. В чем основная разница между параллельными и последовательными гибридами? Очевидно, в разграничении прав двух двигателей. А если подобная процедура не требуется? Можно, например, привязать ДВС к передней оси автомобиля, а электромотор посадить на заднюю. В итоге каждый агрегат получает практически полную независимость, необходимо только немного скоординировать действия каждого мотора. Такой вариант довольно прост и дешев: не требуется распределяющее устройство или специфическая трансмиссия. Любой автомобиль можно сделать таким гибридом, требуется лишь установить дополнительное оборудование на заднюю ось (если он переднеприводный с передним расположением ДВС) и связать все компоненты с электронным мозгом.

К недостаткам подобных гибридов можно отнести невозможность зарядки аккумуляторных батарей от ДВС. Только рекуперативная система торможения или подключение к розетке. К представителям нового вида гибридных автомобилей относится Peugeot 3008 HYbrid4, который анонсировали совсем недавно.

⇡#Классификация по типу батарей

Разграничить гибридные автомобили можно и по третьему признаку – типу емкостных батарей. В зависимости от используемых в аноде, катоде и электролите химических элементов изменяются и показатели аккумуляторов. В настоящее время в серийных гибридах можно обнаружить никель-металл-гидридные, литий-металл-фосфатные, литий-полимерные и литий-ионные батареи. Наибольшее распространение, безусловно, получил последний тип. Сегодня основной целью производителей аккумуляторов является повышение удельной емкости (емкости на единицу массы). Однозначного фаворита в этой группе определить сложно, каждый из химических источников тока еще далек от своих теоретических пределов. Определенно, именно от возможностей аккумуляторов во многом зависят способности гибридных автомобилей. Но значительное повышение эффективности аккумуляторов может сделать электрокары приоритетным видом транспорта, а тогда целесообразность гибридных автомобилей ставится под вопрос.

⇡#Выбор гибрида

Уже столько сказано про историю развития гибридных автомобилей и их устройство, но вопрос покупки подобного транспортного средства остается открытым. Выгодны ли гибриды? Удобны ли они в эксплуатации? Какие трудности ждут владельца гибридного автомобиля? И главное: какой гибрид выбрать? В августе в рамках еженедельного обзора новых технологий автомобильной промышленности мы рассмотрели отчет британской автомобильной ассоциации British Columbia Automobile Association, в котором специалисты скрупулезно подсчитали экономический эффект от покупки автомобиля с двумя типами двигателей. Результат обескураживающий: из 16 рассмотренных моделей лишь одна вышла в плюс в сравнении с ближайшим бензиновым аналогом. Почему получилось так, что автомобили с меньшим расходом топлива бьют по кошельку сильнее? Несмотря на неутихающие споры в обществе автомобилистов, гибрид по определению технически сложнее аналогичного автомобиля с единственным бензиновым ДВС. И хотя электромотор устроен довольно просто, он все же требует периодической проверки и планового технического обслуживания. В результате регулярный осмотр в официальном сервисе заметно облегчит кошелек. К тому же век емкостных батарей недолог - в зависимости от устройства и условий эксплуатации их срок жизни может длиться от нескольких лет до десятилетия. Замена аккумуляторов – процедура не из дешевых. Вот и получается в итоге: экономишь на одном, тратишь на другом. Покупать гибрид с прицелом на экономию нельзя.

Кто определенно будет доволен покупкой автомобиля со смешанным силовым агрегатом, так это любители высоких технологий. Короткие пробежки на электродвигателе (доступно не для всех гибридов), обилие информационных дисплеев, бесшумное перемещение в пробке. Все это, безусловно, доставит удовольствие техноманьяку. Что еще более приятно, так это удивление друзей, коллег и просто соседей по потоку - восхищенные взгляды окружающих дорогого стоят.

Вы еще не передумали приобретать гибрид? Тогда вам может пригодиться следующая таблица, в которую мы включили основные данные о 25 гибридных моделях: стоимость, форм-фактор, расход топлива. Дополнительно отмечено время разгона с 0 до 100 км/ч, эта цифра обязательна для понимания технических способностей автомобиля.

Полностью доверять цифрам нельзя: не всегда производитель заявляет полные официальные спецификации, а условия тестов могут отличаться. В целом, если отбросить невероятные характеристики самого экономичного, самого дорогого и в то же время самого быстрого Porsche 918 Spyder Hybrid, который еще не поступил в продажу, собранные данные вполне справедливы. Желающим максимально сэкономить можно порекомендовать Toyota Prius и Honda Insight: основатели рынка все еще смотрятся довольно привлекательно. Выбирать гибридные внедорожники Cadillac Escalade или Chevrolet Tahoe можно только ввиду комплектации, вряд ли электромотор существенно повлияет на расход топлива огромных монстров. В целом же лучше вообще не разделять рынок на автомобили с ДВС и гибридные, а рассматривать все предложения, анализируя новые технические возможности лишь в качестве бонуса. Наверняка через 10-15 лет именно так и будет, большинство моделей станут гибридными, а возможность ехать некоторое время на электрической тяге станет обыденной функцией.

В заключение приведем статистику продаж. С момента появления первых современных серийных гибридных автомобилей в 1997 году и по сей день двумя основными рынками для этих транспортных средств остаются Япония и США: на их долю приходится более 90% от общего тиража. Но даже в этих странах относительный объем продаж гибридов очень мал: в июле в США гибриды составили 2,27% от общего рынка легковых автомобилей. Перейдем к конкретным цифрам.

Статистика продаж гибридных автомобилей довольно пессимистична: снижение объема практически по всем моделям. Наиболее удачным для этого сегмента рынка годом стал 2007, с тех пор продолжается планомерное уменьшение спроса. Котировки нефти на мировых торговых биржах давно отступили от максимальных значений, следовательно, можно не экономить сжигаемое топливо. Свою роль сыграл и мировой финансовый кризис.

Вместе с тем из статданных становится очевиден безоговорочный лидер рынка гибридов – Toyota Pruis. Не зря японцы инвестировали в будущее.

Несмотря на всю неоднозначность использования гибридного привода в современных автомобилях, уже в ближайшем будущем мы увидим дальнейшее развитие этой технологии. Возможно, гибрид придет и в ваш дом.