Гибридный двигатель¶

Гибридный двигатель — силовая установка, сочетающая в одном агрегате два и более источника энергии или два типа двигателей различного физического принципа действия. Наиболее распространённое применение термина — автомобильные силовые агрегаты, объединяющие внутреннее сгорание и электрический тяговый двигатель. Гибридные двигатели используются также в железнодорожной технике, судостроении, авиации и стационарной энергетике.

¶Принцип работы

Классический гибридный силовой агрегат состоит из трёх основных элементов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электродвигателя и тяговой батареи. ДВС преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу, электродвигатель работает в обоих направлениях — как мотор и как генератор. Батарея накапливает электрическую энергию, полученную при рекуперативном торможении и от генератора.

Ключевой принцип — распределение нагрузки между двумя источниками. На малых скоростях и при разгоне с места электродвигатель обеспечивает максимальный крутящий момент, что позволяет снизить расход топлива в городском цикле. На стабильных скоростях основную работу выполняет ДВС, работающий в наиболее экономичном режиме. При торможении электродвигатель переходит в режим генератора и заряжает батарею (рекуперативное торможение).

¶Классификация

По схеме сочетания источников энергии различают несколько типов гибридных силовых агрегатов:

По степени гибридизации различают:

• Мild hybrid (мягкий гибрид) — стартер-генератор на ремне (BSG) обеспечивает поддержку ДВС и рекуперацию, но не способен длительно ехать только на электротяге.
• Full hybrid (полный гибрид) — способен проезжать ограниченные расстояния на чистой электротяге.
• Plug-in hybrid (PHEV) — тяговая батарея заряжается от внешней сети; электрический ход составляет десятки километров.
• Реверсивный гибрид — батарея заряжается только от розетки, ДВС работает только в режиме генератора.

¶История

Первые эксперименты с гибридными силовыми агрегатами относятся к концу XIX века. В 1899 году бельгийский инженер Жорж Ленц построил автомобиль с бензиновым двигателем и электромотором. В 1900-х годах Ferdinand Porsche создал серию гибридных автомобилей Lohner-Porsche, где электродвигатели располагались непосредственно в колёсах (колёсные моторы).

Серийное производство гибридных автомобилей началось в 1997 году с выпуска Toyota Prius в Японии — первой массовой гибридной модели с последовательно-параллельной схемой (THS, Toyota Hybrid System). В 2000-х годах к производству гибридов подключились Honda, Ford, Volkswagen и другие производители. В России первым серийным гибридом стал Lada Vesta SW Cross Hybrid, представленный в 2022 году.

¶Применение

¶Автомобильный транспорт

Наибольшее распространение гибридные силовые агрегаты получили в легковых автомобилях. Toyota и Lexus остаются лидерами сегмента с суммарными продажами гибридов, превысившими 20 миллионов автомобилей к 2023 году. В России гибридные технологии применяются на моделях Lada, а также на китайских брендах (Chery Tiggo 8 Pro Max PHEV, Haval Jolion Pro HEV и другие).

¶Железнодорожный транспорт

Гибридные локомотивы используются с 2000-х годов. Российская компания «Трансмашхолдинг» разработала локомотив с гибридной силовой установкой на базе тепловоза ТЭМ19, сочетающим дизель-генератор и тяговую батарею. Гибридные трамваи и поезда применяются в ряде городов мира.

¶Судостроение и авиация

В судостроении гибридные установки (дизель-электрические) широко применяются на ледоколах, в том числе на российских атомных и дизель-электрических ледоколах. В авиации разрабатываются гибридные силовые установки для региональных самолётов, сочетающие газотурбинный двигатель и электромоторы.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам гибридных силовых агрегатов относятся:

• снижение расхода топлива на 20–40 % в городском цикле по сравнению с аналогичным ДВС;
• рекуперация кинетической энергии при торможении;
• снижение выбросов CO₂;
• возможность движения на электротяге в зонах с ограничением выбросов.

Недостатками являются:

• повышенная стоимость по сравнению с чистым ДВС из-за наличия батареи и электроники;
• увеличенная масса и сложность конструкции;
• ограниченный ресурс тяговой батареи (как правило, 8–10 лет);
• необходимость утилизации батарей.

¶Гибридные двигатели в России

Российская промышленность развивает направление гибридных силовых агрегатов в рамках программ импортозамещения. АвтоВАЗ представил гибридную модификацию Lada Vesta с 1,8-литровым ДВС и электромотором. В сфере железнодорожного транспорта Трансмашхолдинг ведёт разработки гибридных локомотивов. В стационарной энергетике гибридные установки (ДВС + накопители энергии) применяются для обеспечения резервного питания и сглаживания пиковых нагрузок.

Источники:

• «Автомобильные гибридные силовые установки», учебное пособие
• Отчёты Toyota Motor Corporation
• Материалы Трансмашхолдинга
• Публикации «За рулём» и «Двигатель» (журналы)