Экономичность двигателя и "скрытые резервы" гибридомобилей

Относительно экономичности двигателей внутреннего сгорания гуляет много мифов. Если вести речь не о конструировании ДВС, а об его эксплуатации, то у водителя не так уж много возможностей как-то на эту экономичность влиять. Одна из них связана с оптимальным режимом разгона.

Немного теории

Экономичность конкретного двигателя определяется его коэффициентом полезного действия (КПД). КПД зависит от оборотов и от нагрузки (степени нажатия педали акселератора). Сначала разберемся с оборотами. Тут все просто - максимальный КПД будет в зоне средних оборотов (примерно в зоне оборотов максимального крутящего момента и чуть ниже этой зоны), а на краях диапазона (ниже 2000 об/мин и выше 5000 об/мин) КПД падает примерно на 5%. Проще говоря, это мелочь, которой можно пренебречь.

Совсем другое - зависимость КПД от нагрузки (то есть выдаваемого крутящего момента). Тут все намного серьезней. Посмотрите на приложенный график. Мы видим, что минимальный расход топлива будет при нагрузке примерно 70%, а при уменьшении нагрузки расход заметно увеличивается (причем у дизельного двигателя, который показан красным цветом, увеличивается сильнее) - скажем, при нагрузке 20% от максимального крутящего момента КПД бензинового мотора будет вдвое меньше, а дизеля - в 2,5 раза меньше, чем при полной нагрузке. Связано это с тем, что для дизеля насосные потери на прокачку воздуха через двигатель, а также потери на привод ТНВД, вентилятора и других вспомогательных агрегатов, вообще не зависят от нагрузки, поэтому с уменьшением нагрузки доля этих потерь относительно полезной работы увеличивается. Для бензинового двигателя насосные потери будут меняться от нагрузки из-за разного положения дроссельной заслонки, но общая закономерность останется той же.

А откуда взялся загиб вверх в зоне максимальной нагрузки? Тут все просто. Этот график кочует по учебникам еще с 70-х годов, а снимался, вероятно, еще раньше. Увеличение расхода при полной нагрузке связано с включением экономайзера (или второй камеры карбюратора, выполняющей аналогичную функцию), что приводит к обогащению смеси сразу на 20%, что вкупе с увеличением момента на 10% приводит к увеличению удельного расхода на 10%. Однако сейчас, в связи с резким ужесточением экологических норм и повсеместным использованием катализаторов, для которых несгоревшее топливо в выхлопных газах приводит к перегреву и быстрому выходу из строя, есть серьезные сомнения в этой части графика - скорее всего он или почти горизонтальный, или продолжает плавное снижение вплоть до нагрузки 100% (показано пунктиром). Короче говоря, для современных двигателей экономичным режимом можно считать нагрузку примерно от 70 до 100%. Именно в этом режиме нужно разгоняться до нужной скорости, а потом просто включать высшую передачу и равномерно катиться.

Рассмотрим практический пример. Допустим, для автомобиля ВАЗ-2109 при равномерном движении со скоростью 60 км/ч на 4-й передаче от двигателя требуется 30% крутящего момента. Какую экономию мы получим в этом режиме, если поставим туда мотор от "Оки", который вдвое меньше? В этом случае будет использоваться не 30%, а уже 60% момента. Смотрим на график: для 30-процентной нагрузки (точка А) коэффициент расхода примерно 1,6; для 60-процентной нагрузки (точка В) он равен 0,9. Рассчитываем экономию топлива: (1,6-0,9)/1,6 = 44% - почти вдвое! Вот вам и ответ на вопрос, почему у многолитровых американских моторов и расход "как не в себя", и почему у них так широко используется отключение половины цилиндров на частичных нагрузках. Но не забывайте, что эта разница в основном будет заметна при равномерном движении, а на этапе разгона чахлый мотор никакой экономии не даст (его меньший расход в секунду будет компенсирован пропорциональным увеличением времени разгона).

При практическом применении всех этих рекомендаций надо иметь в виду следующее.

Тут рассмотрены лишь аспекты, связанные с двигателем, а не с трансмиссией в целом. Скажем, КПД гидромеханической коробки передач падает с ростом разницы частоты вращения между насосной и турбинной крыльчатками (первая связана с коленвалом двигателя, вторая через трансмиссию - с колесами). При более плавном разгоне эта разница будет меньше, а КПД трансмиссии - выше. Кроме того, сейчас практически везде используется электронная педаль газа, которая механически не связана с дроссельной заслонкой, а лишь передает "мозгам" желание водителя, а уже "мозги" определяют степень открытия дросселя, момент перехода на высшую передачу в АКПП, состав горючей смеси и т.п. И алгоритм там можно прописать любой. Например, нажатие педали газа до упора полностью открывает дроссель (то есть мотор выдает максимальный момент), и передачи переключаются при 5500 об/мин., а нажатие педали на 90% тоже полностью открывает дроссель, но при этом смесь немного обедняется, а передачи переключаются при меньших оборотах (допустим, при 4500 об/мин.). Но в любом случае разгон в режиме "газ почти до упора" будет более экономичным, чем "вялотекущий". Для каждой конкретной машины, возможно, придется подбирать нужную степень нажатия, чтобы не срабатывал агрессивный кикдаун, но общий принцип понятен.

Секреты гибридов

Теперь перейдем собственно к гибридам. Для начала рассмотрим параллельные гибриды, когда основным остается ДВС, а электромотор периодически подключается ему в помощь. В чем в этом случае будет экономия? В городе это рекуперация при торможении и возможность отключать ДВС в пробках и "ползти" на одной электротяге. А на трассе? Кроме рекуперации на спусках и подъемах (вплоть до отключения ДВС на затяжных спусках) есть и другая немаловажная статья экономии, которая не так бросается в глаза. Ведь вместо мощного бензинового мотора на них теперь стоит более слабый (скажем, в полтора раза), а нужную разгонную динамику обеспечивает помощь электромотора. В результате при равномерном движении расход топлива будет процентов на 30-40 ниже именно из-за меньшего рабочего объема ДВС. То есть можно получить динамику "топовой" модификации с расходом как у "массовой", либо оставить динамику как у "массовой", но при этом существенно повысить экономичность (до уровня дизельной модификации, если такая есть, и даже лучше).

Кроме параллельных, существуют еще и последовательные гибриды. Там механической связи ДВС с колесами нет вообще. Колеса всегда приводит электромотор, получающий энергию от связанного с ДВС генератора либо от буферного аккумулятора. Наличие аккумулятора хотя бы небольшой емкости - принципиальный момент, он позволяет не только рекуперировать энергию при торможении и движении на спусках, но и периодически выключать ДВС даже при равномерном движении. При этом ДВС всегда работает в оптимальном режиме с точки зрения нагрузки и оборотов, именно за счет этого и получается экономия. Давайте прикинем, какая именно. Допустим, он работает при 80-процентной нагрузке (коэффициент расхода 0,8). При движении со скоростью 100 км/ч для легкового автомобиля требуется примерно 40% максимального крутящего момента (коэффициент расхода 1,3). Получаем за счет этого экономию (1,3-0,8)/1,3 = 38%. Однако это еще не чистая экономия - ведь нам надо учесть потери в электротрансмиссии, которые заметно больше, чем в механической. Если используются достаточно продвинутые генератор и мотор-колеса без редуктора, КПД электротрансмиссии будет в районе 85%, в то время как в обычной механической (без АКПП) он будет в районе 95%. Таким образом, чистая экономия получится в районе 28% (то есть где-то 25-30%), а при сравнении с АКПП - еще больше. Если двигаться с меньшей скоростью, нагрузка на ДВС обычного автомобиля уменьшится, и гибрид будет еще экономичнее.  Важный момент - экономичность последовательного гибрида не зависит от мощности ДВС, который на нем установлен (менее мощный мотор просто будет чаще включаться и работать дольше, а также не позволит долго двигаться на максимальной скорости). Однако это на трассе, а что в городе? А в городе из-за увеличившейся массы гибридомобиля (примерно на 20%) на столько же увеличится и расход топлива при разгоне, и в результате (с учетом более низкого КПД трансмиссии) такой гибрид может даже уйти "в минус". Не забываем, что при разгоне и мотор обычного автомобиля работает при полной нагрузке (то есть в наиболее экономичном режиме), поэтому конкретно на фазе разгона последовательный гибрид теряет 10% за счет КПД трансмиссии и примерно 20% за счет большей массы, то есть в сумме расход увеличивается почти на треть. Можно ли это компенсировать за счет рекуперации и отключения ДВС в пробках и при равномерном движении на перегонах - вопрос интересный и сильно зависит от конкретного города и трафика в нем.