Гибридный привод или Трансформация в гибридный привод!?

Сразу, честно признаюсь, несмотря на то, что я довольно прилично, из своей старой трудовой деятельности, знаю применяемые в современных гибридных автомобилях пневматические и электрические силовые привода и трансмиссии, тема самого «гибридного автомобиля», как транспортного средства, меня не очень интересовала.

Почему!?

Да потому, что за этим супермодным транспортным средством я не видел конкретной новизны идеи и реальной, продуманной концепции его практического внедрения.

Все, что появлялось в мировой прессе, сводилось к разно уровневому рекламному треску.

Насчет новизны – все, что на сегодняшний день, в спешке не отстать от таких же «идейных гоп_стопников», предлагается ведущими и прочимы «Фирмами», является просто бездумной перелицовкой на современную технологию и элементную базу идей, безуспешно пережевываемых конструкторами транспорта уже в течение столетия.

Почему я говорю о концепции практического внедрения!?

Ну, какая может быть концепция внедрения и применения, если это практическое применение не только полностью убыточное, но и создается впечатление, что Высоко Профессиональные Конструкторы этих Сверхсовременных Транспортных Устройств никогда не водили ничего сложней детской коляски в тихом парке.

Вы скажете, что я утрирую!?

А вы попробуйте представить СЕБЕ, что вы попали на современном малолитражном электро автомобиле, имеющем (в самом навороченном варианте) аж 200 км пробега по ШАССЕ, НО только с ПОСТОЯННОЙ скоростью 100км/ч, в современную многокилометровую пробку и движетесь в течение полутора – двух часов в режиме старт/стоп…

Представили!?

Я конечно с вами согласен, в гибридном варианте это технически выглядит явно лучше.
Но, вот 9-10 тысяч долларов разницы в стоимости гибрида, который еще и не известно какой головной болью будет, и вполне приличной малолитражки традиционного типа, как то, уж очень впечатляет.
Да и экономия топлива, если учитывать увеличение веса, за счет батареи и снижения КПД основного привода, за счет усложнение моторного блока – весьма спорная.

Насчет сервисного обслуживания я вообще помолчу, не буду вызывать нездоровый ажиотаж.

Идем пешком дальше….

Следующая возможная ниша, в которой декларируют применение электромобилей и гибридов – мелкие городские развозки.

Здесь, у меня ну, очень большой опыт – на своем мини вэне, забитом запчастями и оборудованием (килограмм примерно на триста) я иногда накручиваю до 200 км/день.
Мотор меньше 3.5 литра лучше даже не рассматривать (и это, причем, в довольно компактном автомобиле – в котором добавить под капот к мотору даже резервную бутылку масла достаточно сложно); опять же движение по городскому циклу, режим старт/стоп в пробках и между бесконечными знаками стоп на перекрестках.

Хотелось бы конечно посмотреть на такого, гибридного героя наших улиц, но, сначала, лучше со стороны.

Идем пешком дальше….

Тяжелые магистральные автомобили – в просторечье «траки».

Весь мой опыт по вождению такого автомобиля, к моему глубокому сожалению, вполне умещается на пассажирском сидение, но, по роду работы, я очень хорошо умею слушать различные крутящиеся и рычащие штуки и  всегда, странная мания для наладчика, обращаю внимание на выхлоп.
По опыту таких поездок, у меня сложилось впечатление, что 80% времени, по нормальной трассе, «трак» использует двигатель на 40% мощности и работает в этом, практически идеальном, режиме часами, когда ему никакой вспомогательный привод не нужен.
А вот на ненормальной трассе или когда «кепочки» на полуспортивных седанах начинают развлекаться на подъемах перед «траками», он делает в течение десяти минут пятнадцать-двадцать переключений коробки, при которых двигатель плачет и просит дать ему еще 40-60 лошадок дополнительной мощности, причем на малых оборотах…
Десять-пятнадцать режимов максимального отбора мощности (даже с очень крутой электрической батареи, с очень быстрым зарядом и большим количеством гарантированных циклов) в течение каждого часа вождения умножаем на пять дней трассы в течение каждой недели, рабочего года.
За десять лет …
Считать не хочется, но батарей будет заменено много и, главное для «тракеров», чаще всего в дороге и очень дорого…
Окупит ли это 10-15% экономии горючего – трудно сказать!?

Но это все лирика.
Откровенно говоря, я хотел просто подкинуть Ромчаку, как и обещал, задачу с подковыркой, а потом и сам увлекся…
Ну, а после того как я потратил, на то, чтобы разобраться с «гибридизацией» достаточно много времени, опускаться до уровня морозовых стало как то неудобно, и я решил, что без собственной идеи в этом вопросе ну как то не так ….

Что сразу бросилось в глаза, когда я просматривал материалы!?

Все практические образцы и любовно выпестованные идеи – это попытки приделать ноги к паровозу.
То есть берется стандартный двигатель /мотоблок внутреннего сгорания, или, что еще хуже создается с «0» и в него «органически» вписывается электрическая или пневматическая часть.

А она, эта часть, этого категорически не хочет… как и двигатель.

Сегодняшний мотоблок это настолько законченный комплекс, что его желательно не трогать даже для замены свечей (знаю по своему горькому опыту – на моем рандване самый простой способ замены ближайшего к водителю ряда свечей – снять торпеду…).

Итак!

Гибридизировать мотоблок!?
НЕЖЕЛАТЕЛЬНО…

Создавать с нуля новый автомобиль!
ЕЩЕ ХУЖЕ… по крайней мере – нерентабельно.

Ну, так что остается!?

А то, что никому по большому счету не интересно!!
Задние колеса переднее приводного автомобиля или колеса прицепа трака.

Причем я имею в виду именно задние колеса, а не весь узел задней подвески или тележки.

Когда такое понимание проблемы определилось – все встало на свои места.

Берем: СТАНДАРТНУЮ передне приводную малолитражку или мини вэн; СТАНДАРТНЫЙ трейлер для трака и меняем им стандартные задние колеса на гибридизирующий РЕПЛАСИМЕНТ, не трогая ни одного ОТВЕТСТВЕННОГО узла.

Все необходимое для работы этих добавлений ставим в багажник или, в случае трака, прикрепляем сбоку на раму.

Рассмотрим вариант мини вэна.

Собственно, как и в любом варианте использования гибридизирующего РЕПЛАСИМЕНТА, базовое транспортное средства остается без существенных изменений.
Производится только замена задних колес; установка за задним сидением аккумуляторной батареи, способной обеспечить примерно десять пятнадцатисекундных циклов работы электрических двигателей на максимальной мощности и управляющий модуль.

Колесо-репласимент выполнено в виде стандартного колеса, в ободе которого смонтированы комбинированный электрический мотор-генератор и одно или двух ступенчатый (в зависимости от класса машины) планетарный редуктор.

Статор мотора жестко закреплен на ободе, а выходной вал редуктора через амортизированный поводок фиксатора связан с рессорной платой. (хотя возможна и обратная схема – жестко закреплен на ободе ротор)

В чем назначение планетарного редуктора!?

При необходимости интенсивном торможении, в том числе и на малой скорости он переключает мотор с прямой передачи на повышенную, обеспечивая усиленное торможение за счет интенсивной работы в генераторном режиме.
Наиболее простой вариант управления таким одноступенчатым редуктором его блокировка с приводом тормозных колодок.

Необходимость в двухступенчатом редукторе может возникнуть в том случае, когда требуется дополнительно согласовать разгонные характеристики репласимента на первой и второй скоростях с особенностями механического привода автомобиля.
В случае использования двухступенчатого планетарного редуктора возникает необходимость в использовании одного из вариантов электромеханического управления второй ступенью (например – электромагнитное сцепление)

Что требуется в таком варианте инсталляции для согласования работы управляющего модуля и систем мини вэна!?
На самом минимальном объеме, два сенсорных чехла на педали газа и тормоза и, в случае использования двухступенчатого редуктора, подключение к управляющим контактам коробки передач.

Как работает такой репласимент!?

В простейшем случае можно рассматривать три основных режима –

Нейтральное состояние, когда за счет полного снятия напряжения с обмоток возбуждения мотор-генератор практически не оказывает влияния на движение машины или осуществляет мягкую подзарядку аккумуляторов.

Разгонный режим, когда электромотор работает параллельно механической трансмиссии, оптимизируя разгонные характеристики и снижая потребление горючего на неоптимальных режимах двигателя внутреннего сгорания.

Режим торможения, в котором осуществляется торможение машины и рекуперация энергии.

Рассмотрим разгонный режим.

В момент начала разгонного режима, после нажатия ноги на сенсорный чехол педали газа, оба электромотора колес-репласиментов подключаются в рабочем режиме к блоку батарей по параллельной схеме и, в зависимости от степени нажима на медаль, управляются электрическим способом, через обмотку возбуждения.

Размыкание электрической цепи или переход планетарной коробкой передач электромотора на промежуточную передачу происходит при превышении электромотором максимально допустимых оборотов.

Рассмотрим режим торможения.

В режиме торможения, после нажатия водителем на сенсорный чехол педали тормоза, происходит переключение мотор-генераторов колес в последовательную схему с изменением полярности подключения.
Колеса-репласимент начинают работать в генераторном режиме, тормозя машину и передавая преобразованную кинетическую энергию аккумулятору.

Режим торможения условно можно разделить на два этапа –
Рекуперационный – в котором идущая «накатом» или под гору машина плавно подтормаживается, доводя ее скорость до «желательной водителю»;
Интенсивное торможение – когда рекуперация совмещена с резким снижением скорости и, в случае необходимости, до полной остановки.

Рекуперационный режим включается касанием ноги к сенсорному чехлу тормозной педали и, в зависимости от степени нажима на педаль, управляется электрическим способом, через обмотку возбуждения.

После увеличения степени нажима на педаль, выше определенного порогового значения, начинается режим интенсивного торможения.
В режиме интенсивного торможения, одновременно с подачей на мотор-генераторы репсемента максимального возбуждения, начинают перемещаться в рабочее положение тормозные колодки, одновременно переключая планетарный редуктор на повышенную передачу.
Полное торможение осуществляется совместным действием тормозных колодок и мотор-генераторов работающих в генераторном режиме.

Несколько отдельно, в линейке транспортных средств в которых предполагается использовать колеса –репласементы, стоят различные «траки».

Дело в том, что по своим рекуперационным свойствам, разгонным характеристикам, надежности на отказ и стоимости одного рабочего цикла, электрический привод – не самый оптимальный вариант для тяжелых транспортных средств и значительно, особенно в режиме многочисленных пятнадцати-двадцати секундных циклов, уступающий пневматике, использующей реверсивный пневматический мотор-компрессор и объемный ресивер.
Пневматический привод значительно выгодней для рекуперации, но, существует одно очень большое «НО» — так называемая проблема «замерзшей блондинки» (собственно, эта блондинистая проблема, из за которой в системах рекуперации используется обычно электропривод и была моим вопросом Ромчаку)

В чем сущность этой проблемы!?

Точнее двух, взаимосвязанных проблем.

При работе пневматического компрессора в ресивере происходит конденсация воды из воздуха и высокооборотный мневмо двигатель, температура которого опускается на 10--15*С ниже температуры подаваемого воздуха, при температуре ниже 10*С может, во время любой остановки, быть заклиненным и выведенным из строя из за замерзания конденсата, при не выполнении определенных процедур.

Чисто технически эта проблема вполне решаема.
Ну, например — подогревом воздуха, подаваемого в мотор, выхлопными газами (что кстати резко увеличивает КПД и эффективность привода) и выполнением определенной процедуры запуска в холодную погоду, но такой тип привода требует высокой квалификации эксплуатирующего его водителя и «блондинка за рулем» крайне не желательна.

Во всем остальном, схема работы колес-репласементов повторяет работу их электрического варианта, с той лишь разницей, что на место электропривода ставится пневматический, а аккумуляторы заменяют на два ресивера сжатого воздуха, расположенные на раме.

Почему я подошел к решению гибридного транспорта с позиции использования колес-репласементов!?

Существуют две взаимосвязанные проблемы – психология пользователя и экономика использования.

Первая – большинство пользователей, уже имеющие работоспособный автомобиль, а, тем более трак, вряд ли готовы выложить значительные деньги, только для того, что бы сменить его на другой, причем, обещающий только предположительные выгоды.
Покупая такую дорогостоящую вещь как транспортное средство, потребитель всегда, пусть и на самом примитивном уровне просчитывает экономическую составляющую покупки и вполне способен оценить, насколько окупятся дополнительные вложения в новый бренд.

Исходя из среднего потребления (например — для мини вэна) 12 литров на 100 км, при режиме эксплуатации 100 км/день — полученная экономия составит примерно 1000$ в год.

То есть, для того чтобы разница стоимости гибридного и простого автомобиля просто окупилась, он должен, без дополнительного вложения в эксплуатацию гибридного привода, проездить как минимум 10 лет.

Что совершенно не реально.

Как обстоит дело в случае использования предлагаемого выше репласимента!?

Стоимость комплекта для микролитражки или мини вэна вероятно будет лежать в пределах 1500-2500$.
Следовательно, для мини вэна такой комплект окупится примерно за три-четыре года эксплуатации.
Более того, особенность инсталляции репласимента предполагает возможность установки его в любое, уже эксплуатирующиеся, транспортное средство, соответствующего ему класса, на правах аренды, с возможность осуществления операции монтаж/демонтаж/замена в течение часа.

На таких условиях, имея реальную возможность на практике оценить экономию топлива и улучшение разгонных характеристик машины, по пути «аренды/лиза» пойдут многие владельцы транспортных средств, которые имеют большой дневной пробег.

По моему предположению, сегодняшний рынок таких репласиментов, только для малолитражных автомобилей и мини вэнов, может составлять несколько десятков миллионов комплектов.