# Что такое "автомобильный гибрид?"

Нурбей Владимирович Гулиа

Сразу скажу, что этот термин придумал не я, и критиковать меня за слово "гибрид", что иногда делают читатели, не надо. Я встречал этот термин ещё в 70-х годах в исследованиях знаменитой американской фирмы "Локхид", отделения её наземных транспортных средств. Таким словом обозначали силовой агрегат автомобиля, где наряду с двигателем, присутствовал и накопитель энергии. Двигатель использовался только на оптимальном, по расходу топлива и экологичности режиме и выработанная им при этом дешёвая и экологичная энергия запасалась в накопителе и параллельно шла на движение автомобиля. При "заполненном" энергией накопителе двигатель просто выключался, и автомобиль ехал на накопленной дешёвой и экологичной энергии. На спусках и при торможениях потенциальная и кинетическая энергия, накопленная самой массой автомобиля с грузом и пассажирами, конечно же с неизбежными потерями, снова возвращалась в накопитель. Процесс этот называется рекуперативным торможением.

Это самое простое, и, пожалуй, самое основополагающее толкование упомянутого термина. Все остальные "навороты", как в толкованиях, так и в выполнении "гибридов", создают, в основном, только трудности, не очень способствующие как пониманию, так и экономической эффективности гибридов.

Чем же вызвана необходимость появления накопителя энергии в гибридных силовых агрегатах автомобилей? Да, в принципе, тем же, чем и появление банков в экономике. Дело в том, что автомобильный двигатель имеет достаточно узкий диапазон его работы на оптимальном режиме, когда и удельный расход топлива и выброс токсичных веществ, минимальны. Но мощность двигателя на этом режиме гораздо больше той, что нужна для обычной езды в городе. Например, для передвижения по хорошей горизонтальной дороге современного легкового автомобиля со скоростью 60 км/ч требуется 3...4 кВт мощности. А мощность, вырабатываемая двигателем на оптимальном режиме, порядка 60...80 кВт. Вот и эксплуатируют двигатель на режиме сильной недогрузки при высоком удельном расходе топлива, вместо того, чтобы включить его на оптимальный режим, а избыток этой дешёвой и экологичной мощности направлять в накопитель. А затем или добавлять эту мощность к мощности двигателя при необходимости, или выключать двигатель и ехать на энергии накопителя.

Особенно эффективно это на городских режимах движения, например, в пробках, когда и экономичность и экологичность двигателя просто отвратительны. Расход топлива при этом уменьшается до 4-х раз, а токсичность выхлопных газов - в десятки раз. На интенсивном городском режиме движения, похожем на режим движения городского автобуса, расход топлива снижается "всего" в 2...2,5 раза, что тоже - огромное достижение. Это не только расчёт, это реальность. Я получал похожий результат ещё в 60-70 годы прошлого века на грузовике УАЗ и на городском автобусе ЛАЗ с моим - маховично-вариаторным гибридом, между прочим, первым в мире такого типа.

Повторять именно такой гибрид сейчас не имеет смысла - он неудобен для городского движения, так как обеспечивает только один заданный заранее режим разгона и торможения. Но проведенные эксперименты говорят об эффективности гибридного силового агрегата с маховичным накопителем и механической бесступенчатой трансмиссией. Ни один другой тип гибрида с накопителями других типов, например, в виде электроаккумуляторов или гидрогазовых накопителей, с электро- или гидро-трансмиссиями принципиально не в состоянии обеспечить такую экономию топлива.

Но почему же это так? Может быть автор, как истый механик, просто преувеличивает возможности механических гибридов и принижает возможности электрических и других немеханических гибридов? Попробую обосновать свои утверждения.

Автомобильный двигатель выделяет энергию в форме механической и в виде вращения, в данном случае коленчатого вала. А потребитель этой энергии - ведущие колёса автомобиля - принимают эту энергию тоже в виде вращения. Поэтому, по самым фундаментальным законам природы, не следует изменять ни вид, ни форму этой энергии при передаче от двигателя в накопитель и на колёса. То есть не надо переводить эту энергию из механической в электрическую или иную (химическую, тепловую и пр.), так как при этом с этой энергии природа "снимает", энергетический "налог". Этот "налог" неизбежен, это закон природы.

Приведу пример электропривода с электроаккумулятором. Механическая энергия вращения двигателя с помощью генератора переводится в электроэнергию с потерей 10...15% энергии на преобразование вида этой энергии и на управление ею (частотные преобразователи и пр.). Чтобы накопить эту энергию, допустим в электроаккумуляторе, надо электроэнергию превратить в химическую энергию, а при выделении её - снова в электрическую. За это взимается "налог" - порядка 20% и более. Затем эта электроэнергия с помощью тягового электродвигателя снова переводится в механическую энергию вращения, опять же с потерей 10...15% её на преобразование формы и на управление. При этом с тяговым электродвигателем проблем ещё больше, чем с генератором - он должен быть рассчитан как на максимально возможный крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. Произведение этих величин определят мощность тягового электродвигателя, которая получается в несколько раз больше мощности самого двигателя внутреннего сгорания. Эта проблема ещё более снижает экономичность и повышает сложность электропривода, через который в аккумулятор и обратно перетекает полная мощность и энергия, направленные туда, как от двигателя внутреннего сгорания, так и при рекуперативном торможении автомобиля. Отсюда и максимальные потери (перевод в тепло) энергии, так как КПД привода, невысокий по причинам, описанным выше, умножается на величину пропущенной через привод энергии. Это и объясняет малую эффективность гибридов с электроприводом и электроаккумуляторами. Их КПД в лучшем случае не превышает 60%, а экономия топлива обычно колеблется от 10 до 40%.

А теперь рассмотрим механический вариант гибрида с маховичным накопителем энергии и вариатором, но не обычным, а так называемым супервариатором. То есть где привод от двигателя до накопителя и колёс передаёт энергию в виде механической энергии вращения, а накопитель накапливает её также в виде кинетической энергии вращения маховика.

Если вспомнить о моих маховично-вариаторных гибридах 60-70-х годов прошлого века, то тогда я, ещё совсем молодым человеком, построил вариатор в виде мотков перематывающейся, как в магнитофоне, стальной ленты. Этот вариатор имел высокий КПД - около 95%, и диапазон варьирования около 40 - идеал для привода гибрида. Но, как я уже упоминал, режим торможения-разгона для автобуса, снабжённого этим вариатором и маховичным накопителем, был один-единственный, и в городе с особенно интенсивным движением его использовать было нельзя. Но на свободной дороге он показал все преимущества маховично-вариаторного гибрида - и по экономическим, и по экологическим показателям.

Сегодняшний супервариатор и по КПД и по диапазону варьирования близок к упомянутому выше ленточному вариатору, но он ещё и обеспечивает необходимую регулировку скорости и ускорений автомобиля. В качестве регулятора здесь используется широко выпускаемый в мире дисковый планетарный вариатор, разновидность которого была изобретена и разработана специально для супервариатора. В принципе, в качестве вариатора здесь принципиально может использоваться любой из известных, и даже... электропривод, как это не удивительно. Но в основе супервариатора лежит специальная дифференциальная передача, разделяющая потоки мощности и складывающая их. Так вот, через вариатор, а тем более через электропривод, используемый в качестве него в супервариаторе, проходит не более 15% энергии, идущей на ведущие колёса автомобиля или в маховичный накопитель. Остальная энергия идёт "напрямик" - через зубчатую передачу, имеющую очень высокий КПД. В результате КПД супервариатора достигает 0,95...0,98 при диапазоне варьирования 30...40. Сам вариатор или электромашины миниатюрные, рассчитанные на прохождение всего 15% энергии, т.е. ничтожную её часть.

Ни один из других гибридных агрегатов не может обеспечить подобного эффекта, обеспечивающего снижение расхода топлива в городском цикле в 2...2,5 раза, а в режиме движения в городских "пробках" - почти в 4 раза. При этом в десятки раз снижается количество токсичных выхлопов, повышается долговечность двигателя.

Вот в этом резком снижении доли энергии, проходящей через наиболее "уязвимое" бесступенчатое звено, и состоит главное преимущество супервариатора, обеспечивающего, совместно с маховичным накопителем, эффективный гибридный силовой агрегат для автомобиля, в первую очередь городского. Следует сказать пару слов о маховичном накопителе для автомобильного гибрида. Для автомобиля массой 3,5 тонны энергия, накапливаемая в маховике, не превышает 400...500 Ватт-часов. Это энергия, содержащаяся всего в рюмочке бензина массой 30...35 граммов. Поэтому маховик предполагается изготовлять откованным из специальной - мартенситно-стареющей стали, предназначенной для турбин и других быстровращающихся дисков. Надёжность - во много раз больше, чем у турбин самолётов. Во-первых, потому, что нет лопаток, а во-вторых - нет нагревания, горячими газами. При этом масса маховика-накопителя всего 10...20 килограммов.

Но если когда-нибудь понадобиться накоплять и большую энергию, то на помощь придёт супермаховик - маховик, навитый из прочных волокон, в первую очередь углеродных. Уже лет двадцать такие супермаховики выпускаются с удельной энергией 500 Ватт-часов на килограмм массы. То есть, для нашего гибрида хватит маховика массой... 1 кг!

И ещё следует упомянуть об одном распространённом заблуждении - превратном понимании гироскопического эффекта вращающегося маховика. Многие считают, что ось вращающегося маховика просто нельзя свернуть под углом. Если было бы так, то ни один самолёт, снабжённый турбинами, не выполнил бы никаких маневров. Не вдаваясь в подробности этого эффекта, который я изучал подробно, скажу только, что влияние его на колёса гибридного автомобиля с маховиком, ничтожно. Как если бы пассажир в автомобиле передвинулся на 10 сантиметров левее или правее на сидении. Это подтверждают и многочисленные испытания, проведённые, в том числе и в США, на опытных образцах гибридных автомобилей с маховичными накопителями.

В заключение скажу только, что именно над таким автомобильным гибридом работает коллектив учёных и конструкторов, в который входит и автор этой статьи.