Нынче в автомобильной промышленности начался настоящий бум внедрения новых технологий, направленных на снижение выбросов углекислого газа (СО2) автомобилями. Чем же он вызван и как решают и будут решать эту проблему в ближайшие годы? Об этом «рассказал» Франкфуртский автосалон.
Нынче в автомобильной промышленности начался настоящий бум внедрения новых технологий, направленных на снижение выбросов углекислого газа (СО2) автомобилями. Чем же он вызван и как решают и будут решать эту проблему в ближайшие годы? Об этом «рассказал» Франкфуртский автосалон.
| Нынче в автомобильной промышленности начался настоящий бум внедрения новых технологий, направленных на снижение выбросов углекислого газа (СО2) автомобилями. Чем же он вызван и как решают и будут решать эту проблему в ближайшие годы? Об этом «рассказал» Франкфуртский автосалон. |
Углекислый газ, химическое соединение СО2, опасен тем, что он за счет «парникового эффекта» способствует повышению температуры на всей планете Земля. А это является основной причиной изменения климата. Если не принимать никаких мер, через несколько десятилетий это приведет к серьезным природным катаклизмам и катастрофам, угрожающим всему человечеству.
Безусловно, автомобильный транспорт – не единственный источник выбросов в атмосферу углекислого газа, но на его долю еще в 2000 году приходилось 17,7% СО2, а сейчас уже – около 20%. Поэтому власти стран Евросоюза, Японии и США прилагают максимум усилий, чтобы заставить автопроизводителей делать машины «чище». Несмотря на необходимость миллиардных вложений в развитие новых технологий, последним придется подчиняться ужесточающимся требованиям к автомобилям. Способов решить эту важную проблему много. Какой победит – покажет время, а пока попробуем систематизировать новые веяния в автопроме и познакомимся с электромобилями, гибридами и двигателями внутреннего сгорания, работающими на самых различных видах топлива.
Электромобили
Транспортные средства, приводимые в движение электромоторами и имеющие на борту запас электроэнергии в кислотных или щелочных аккумуляторных батареях (АКБ), существуют очень давно. Это погрузчики, автомобильчики для «гольфа», детские машинки. Но отсутствие компактных и легких аккумуляторов, а также малый запас хода, проблемы с утилизацией стали камнем преткновения на пути массового производства автомобилей на «чистой» электротяге. Как альтернатива классическим АКБ в конце ХХ века начали применять так называемые топливные элементы или ячейки (Fuel Cell), которые «питаются» водородом.
Топливные элементы преобразовывают химическую энергию в электрическую без сгорания. В упрощенном виде они представляют собой устройство, в котором соединяются водород с кислородом, в результате химической реакции образуются водяной пар (или вода + тепло) и электричество. Электрохимический процесс в топливном элементе протекает следующим образом: водород на аноде (катализаторе) ионизируется с образованием протонов и электронов. Положительно заряженные протоны проходят через мембрану к катоду, а электроны направляются к внешним потребителям электроэнергии в виде электричества. На катоде кислород реагирует с электронами и протонами – образуется вода. Электроцепь, соединяющая огромное количество индивидуальных ячеек «собирает» достаточное количество электроэнергии, чтобы стать источником питания для тягового электродвигателя. Например, батарее топливных элементов GM HydroGen-4 мощности 93 кВт с запасом хватает для питания синхронного электродвигателя (73 кВт, 100 л. с.), который ускоряет автомобиль до «сотни» за 12 секунд.
Электромобили с такими источниками электроэнергии уже создали Ford, General Motors, Toyota, Honda, Nissan и многие другие автопроизводители. Но тормозит их внедрение в серийное производство отсутствие развитой сети водородных заправок. Общая проблема использования водорода – сложность и пока дороговизна его получения, так как для этого требуется большое количество энергии. С помощью химических процессов можно получать водород и из бензина на борту автомобиля. Но сжигать нефтяное топливо неэффективно, так как в перспективе нефть наверняка станет очень дорогим сырьем. Поэтому ведутся поиски других способов получения водорода. Например, предполагается строительство станций электролиза воды, которые будут работать от электроэнергии, полученной с помощью солнечных батарей или ветряных «мельниц-электростанций». Кстати, солнечные электростанции уже сооружаются в Калифорнии. Кроме того, разрабатываются способы получения водорода из метана, подсолнечного масла и т. д., а в США всерьез заговорили о производстве водорода и с помощью атомных станций.
Еще одна задача: где хранить водород в автомобиле? Его можно держать в газообразном виде под высоким давлением (300–350 атмосфер), в жидком состоянии при меньшем давлении, но низкой температуре (253 градуса Цельсия ниже нуля), в твердом состоянии в специальном резервуаре – например, в виде гидрида металла (металлогидридные аккумуляторы). Ближе к серийному производству находятся баллоны для хранения водорода под давлением. Для хранения в жидком виде нужна мощнейшая теплоизоляция. Самый привлекательный третий способ – он безопасный, обеспечивает больший запас хода и быструю заправку (не более 10 минут).
Для активного распространения «водородных» автомобилей необходимо снизить стоимость производства водорода, создать сеть заправок и усовершенствовать способы его хранения «на борту» авто. Но несмотря на существующие проблемы, водород, являясь возобновляемым химическим топливом, а также благодаря экологичности, большим запасам воды считается самым перспективным видом топлива будущего. Mercedes – лидер в развитии технологии Fuel Cell – уже заявил о начале производства в 2010 году автомобиля В-класса на топливных элементах. На программу развития технологии Fuel Cell (с 1994 года) концерн DaimlerChrysler израсходовал более $1 млрд., а созданные его инженерами «водородные» автомобили и автобусы уже пробежали не один млн. км. Наряду с опытными машинами в «водородном» автопарке концерна представлены фургоны Dodge, Sprinter и более 35 автобусов Mercedes-Benz Citaro, которые эксплуатируются в Европе, США, Японии, Австралии, Китае и Сингапуре.
Гибриды
Гибридами называют машины, у которых используется два типа двигателей – электромотор и ДВС. Только в одном случае эти два агрегата могут входить в состав силовой установки, а в другом – крутящий момент для привода колес вырабатывает только электромотор, а ДВС работает в паре с генератором для зарядки АКБ и подпитки электромотора. С точки зрения получения энергии первая получила название параллельной, а вторая – последовательной. Эти технологии для знатоков автомобилей не новы. Toyota Prius десять лет назад стала первым серийным гибридом и продолжает выпускаться до сих пор, пройдя за это время несколько этапов модернизации. Первые гибриды в основном представляли собой комбинации бензинового двигателя внутреннего сгорания и тягового электродвигателя, питаемого от аккумуляторной батареи. Теперь же в компанию к электротяге предлагают более экологически чистые и экономичные дизели.
С точки зрения компоновки, т. е. как в схеме передачи крутящего момента на колеса, гибриды могут иметь параллельное или последовательное подключение к колесам.
Параллельная компоновочная схема – наиболее сложная. В ней для совмещения крутящего момента двух двигателей используются специальные редукторы. ДВС в такой схеме используется и для подзарядки аккумуляторов. В зависимости от режима движения автомобили-гибриды способны двигаться или при помощи электромоторов, или двигателя внутреннего сгорания, или с работающими электромотором и ДВС одновременно. ДВС может автоматически запускаться и приводить в действие генератор, если аккумуляторная батарея разряжена и запаса электричества недостаточно для работы электромотора. При торможении в некоторых конструкциях активируется режим рекуперации энергии, т. е. электромотор начинает работать как генератор и вырабатывает электроэнергию для подзарядки аккумуляторной батареи. В ряде моделей мотор-генератор выполняет еще и функции стартера.
При более простой последовательной схеме электромотор (один или два) устанавливается между ДВС и трансмиссией. В этом случае он, как правило, помогает ДВС при разгоне, или работает без ДВС на очень малых скоростях, а в некоторых режимах «становится» генератором.
Использование гибридных силовых установок позволяет значительно сократить выбросы отработавших газов в атмосферу, повышает экономичность, но зависимость от нефтяного топлива остается. Массовое применение таких силовых агрегатов ограничивает их высокая стоимость.
Водородные ДВС
Под термином «водородные автомобили» подразумеваются не только электромобили с топливными элементами. Существует еще и другой вариант использования водорода – в качестве топлива для обычного двигателя внутреннего сгорания, в цилиндрах которого, собственно, и сжигается водород.
Водородные ДВС давно разработали в компаниях BMW и Mazda. Последняя, кстати, создала водородный вариант роторно-поршневого двигателя для модели RX-8, причем в нем битопливный (может работать и на водороде, и на бензине) мотор входит в состав гибридной силовой установки. По сравнению с бензином, водород имеет более широкий диапазон пропорций смешивания с воздухом, при которых смесь сохраняет способность воспламеняться от искры. Кроме того, водород сгорает практически полностью даже в отдаленных от свечи зажигания уголках камеры сгорания.
С 1984 года над водородной топливной системой для классического ДВС работает компания BMW. Результатом этого длительного процесса год назад стал запуск в малую серию «водородной» модификации своей «семерки» – Hydrogen 7. На данный момент она успешно проходит испытания в Германии.
Оптимизация
Все вышеперечисленные способы снижения потребления нефтяного топлива и повышения экологичности автомобилей очень дорогие и не могут стать доступнее без массовых продаж и соответствующей инфраструктуры. Поэтому пока автопроизводители работают и над оптимизацией существующей конструкции машины и ее систем в нескольких основных направлениях: улучшение аэродинамики, повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателей, рекуперация энергии и снижение ее потерь (например, использование шин с пониженным сопротивлением качению). Правда, такие работы дают существенный положительный эффект только в комплексе. Например, компания BMW запустила в серию проект «Эффективная динамика» (EfficientDynamics). Благодаря этой стратегии около 40 процентов всех новых моделей компании BMW (BMW, Mini, Rolls-Royce) к 2008 году будут выбрасывать в атмосферу не более 140 г/км СО2, и это без потерь скоростных и динамических характеристик. Прежде всего это заслуга инженеров, работающих над усовершенствованием моторов. За последнее десятилетие ни один производитель автомобилей не внедрил в свои двигатели столько новых технологий, как BMW: это и системы бесступенчатого изменения фаз газораспределения BI-VANOS, и бездроссельная система впуска Valvetronic (изменяет момент и высоту поднятия впускных клапанов), и непосредственный впрыск топлива, и многопорционная подача топлива в цилиндры, и система Stop&Start и многое другое. Кроме того, компания возобновила установку на свои моторы турбокомпрессоров.
Еще два интересных направления усовершенствования ДВС – «обучение» их работе на различных видах топлива, а также смешивание рабочих процессов разнотипных ДВС – с принудительным и самовоспламенением смеси. В последнем направлении работает компания Mercedes, представившая на выставке концептуальный гибрид F 700 с 1,8-литровым бензиновым двигателем DiesOtto, в котором на малых оборотах топливо-воздушная смесь воспламеняется не от искры свечи зажигания, а от повышенния температуры за счет высокого давления сжатия (как у дизеля). Выброс СО2 у этого мотора обещают в районе 127 г/км. В тоже время мощностные показатели при объеме 1,8 л поражают – максимальная мощность 238 л. с., а максимальный крутящий момент – 400 Нм. Суммарная мощность гибридной силовой установки этого концепта – 258 л. с. При таких данных расход топлива у этого 5,2-метрового гиганта составляет всего 5,3 л/100 км, а разгон до сотни – 7,5 с.
Mercedes показал линейку дизельных моторов, использующих технологию BLUETEC. Ее в 2006 году презентовали в США, где модель E 320 BLUETEC получила награду «Зеленый автомобиль 2007 года». Это самая экологичная машина бизнес-класса, соответствующая экологическим нормам Евро 5. Добиться таких успехов позволило внедрение самой совершенной топливной системы с пьезофорсунками, способной подавать горючее в цилиндры несколькими порциями за один такт всасывания и сжатия, интеллектуальных турбокомпрессора и системы рециркуляции (дожига) отработавших газов, использование высокоэффективных катализаторов и сажевых фильтров в выпускной системе, а также впрыскивание в нее восстановителя AdBlue (аналог мочевины, аммиачный заменитель), который на 80% сокращает объем угарного газа в выхлопе. При мощности 224 л. с. и крутящем моменте 540 Нм уже при 1600 об/мин 3,0- литровый мотор BLUETEC потребляет всего 7,3 л/100 км. Теперь дизельными двигателями с этой технологией оснащаются шесть моделей с трехлучевой звездой. В 2009 году Мersedes-Вenz планирует запустить в производство еще один высокотехнологичный 2,2-литровый мотор с четырьмя цилиндрами. При мощности 204 л. с. и крутящем моменте 480 Нм расход будет составлять 4,9 л/100 км. При этом разгон до «сотни» С-класса – всего 7,9 секунды.
Ford и Volvo внедряют в свои модели двигатели, способные работать не только на бензине, но и на биоэтаноле E85 или любой смеси этих двух видов топлива. Биоэтанол – регенерируемый источник энергии, производимый из возобновляемой биомассы. Благодаря этому количество «парникового» газа CO2, выбрасываемого за весь жизненный цикл автомобиля, уменьшается на 30–80% без снижения динамических характеристик и удовольствия от вождения.
Компания Fiat представила концепт модели Panda Aria с силовой установкой Multiair, которая может работать на смеси водорода (70%) и метана (30%) или на обычном бензине. Использование метана позволило повысить эффективность сгорания топливо-воздушной смеси, что увеличило КПД двигателя. Вооружили Aria и системой Stop&Start и роботизированной КП, электронный «мозг» которой переключают передачи в наиболее оптимальном режиме работы мотора, в результате чего выбросы СО2 сократятся до 69 г/км.
Кроме того, владельцам новых машин предлагаются интегрированные в бортовой компьютер программы, позволяющие водителю следить, насколько экономичен «алгоритм» его управления автомобилем.
Участвуют в процессе усовершенствования ДВС и компании – поставщики комплектующих. Одна из самых активных – компания Bosch, которая разрабатывает новые топливные системы под запросы автопроизводителей.
| | |
| |
| |