Кoнcтантин АРТЕМЬЕВ, Наталья АРТЕМЬЕВА
В январcкoм нoмере «Прoмышленнoгo веcтника» мы пoгoвoрили o прoшлoм, наcтoящем и будущем электрoмoбилей в мире и в Рoccии, нo лишь затрoнули такую интереcную тему, как автoгибриды. Между тем, в линейках автoконцернов они появилиcь cущеcтвенно раньше, чем электромобили. Так, может быть, именно эта ветвь эволюции авто приведет отраcль к cветлому будущему, а «чиcтые» электромобили так и оcтанутcя нишевым продуктом? Попробуем разобратьcя.
Потребительcкий триумф Toyota Prius уcпешно доказал вcему миру, что автомобиль c двумя энергетическими системами на борту может быть и массовым, и привлекательным, и экономичным. А что самое главное для автопроизводителей – проект, безусловно, коммерчески успешен.
В общем случае под гибридом подразумевают транспортное средство с больше чем одной силовой установкой. Причем под силовой установкой можно понимать или движитель целиком, или же только источник движущей энергии. За недолгую (по сравнению с электромобилями) историю гибридов их успели придумать великое множество. Почти все они так или иначе включают в себя электрическую часть, подтверждая мысль, что электрическая тяга – это эффективно.
Гибриды призваны решить основную проблему электромобилей – малый запас хода на одной зарядке аккумуляторов. В самом деле, если от розетки до розетки ехать далеко, почему бы не оборудовать автомобиль дополнительным, бортовым источником энергии, подпитывая от него машину время от времени? Давайте посмотрим, какие самые распространенные формы такого партнерства существуют сегодня.
Смесь бульдога с носорогом?
Бензиноэлектрический или дизель-электрический гибрид – пожалуй, самая распространенная форма взаимодействия электрической энергии и традиционного топлива. Такой гибрид обычно оборудован движителем в виде электродвигателя, промежуточным аккумулятором и энергетической установкой в виде пары «традиционный двигатель внутреннего сгорания – генератор».
Машина начинает ехать как обычный электромобиль – энергия, запасенная аккумулятором, приводит в действие тяговый электродвигатель. Когда запас аккумулятора подходит к концу, двигатель внутреннего сгорания автоматически заводится и через генератор начинает подзаряжать батарею. Если мощности, отдаваемой аккумулятором, все же не хватает, генератор подключается к электродвигателю напрямую.
Особенностью первых гибридов, работавших по такой схеме, была невозможность заряжать их от обычной розетки. Да и смысла такого не было, ведь емкости бортового аккумулятора едва хватило бы, чтобы проехать десять километров. На первый взгляд кажется, что в такой схеме не может быть никакого преимущества. И в самом деле, если мы в традиционную схему «ДВС – трансмиссия – колеса» вставим промежуточные звенья «генератор – аккумулятор – электродвигатель», это явно не прибавит КПД. Дополнительное звено в цепи обычно означает дополнительные потери энергии. Однако, это только на первый взгляд.
В прошлой статье мы уже говорили о том, что мощностная и расходная характеристики электродвигателя и ДВС сильно различаются. У электродвигателя эти характеристики линейные, а у двигателя внутреннего сгорания больше похожи на параболу. Иными словами, ДВС работает максимально эффективно только с определенной нагрузкой и на определенных оборотах, причем эти обороты приходятся где-то на середину его рабочего диапазона.
В обычном автомобиле ДВС почти никогда не работает в своей эффективной зоне. Частые разгоны и торможения машины не сможет сгладить даже самая хорошая коробка передач, и они неизбежно приводят к частым разгонам и торможениям коленчатого вала двигателя. В эти моменты двигатель потребляет гораздо больше топлива, чем обычно. Кроме того, двигатели современных автомобилей работают наиболее эффективно при скорости от 100 до 140 км/ч. А вот проводит большую часть времени современный автомобиль все-таки в городе, где скорости в три-четыре раза меньше. Вот откуда еще один источник неэффективного расхода топлива.
На практике выходит, что когда ДВС в гибриде все время работает с одними и теми же оборотами, прирост его эффективности с лихвой перекрывает потери на дополнительных элементах: генераторе, аккумуляторе и электродвигателе. Таким образом, гибрид на 100 км потребляет в городском режиме на 20–40% меньше топлива, чем традиционный автомобиль.
Другие плюсы
Гибридам не нужен очень мощный ДВС, ведь пиковые нагрузки принимает на себя электродвигатель. А это значит, что и транспортный налог можно платить, исходя из меньшего количества лошадиных сил, при той же фактической динамике автомобиля. Именно таким соединением экономии и универсальности в схеме «электро – ДВС» гибриды привлекают и автоконцерны, и потребителей. Да и представители ТЭК довольны – гибриды угрожают нефтяной промышленности гораздо меньше, чем электромобили.
Более совершенные гибриды этого типа предлагают дополнительные схемы работы. В случае, если мощности электродвигателя не хватает, ДВС может через специальную раздаточную систему подключиться к колесам напрямую, чтобы или помочь электродвигателю, или вовсе взять на себя тяговую функцию.
Например, энергосистема Toyota Prius под названием Hybrid Synergy Drive может работать в четырех режимах, в зависимости от скорости, ускорения и требуемой мощности. Это – чистый электромобиль; электромобиль с одновременной зарядкой батареи от работающего ДВС; ДВС, отдающий энергию и на колеса напрямую, и на генератор, который заряжает батарею; электромобиль + ДВС, когда и двигатель, и электродвигатель с батареей отдают всю свою мощь колесам. Еще более современные гибридные автомобили начали комплектоваться аккумуляторами увеличенной емкости и, наконец, – системой прямой электрической подзарядки, рассчитанной как на специальные зарядные станции, так и на обычную бытовую розетку (гибридные модификации Peugeot 307 и Citroën C4).
Солнечный гибрид
Это, безусловно, перспективное направление для легких транспортных средств, предназначенных к эксплуатации в тех местах света, где солнце радует людей много дней в году. Уже согласно названию, в этих гибридах солнечные батареи заряжают аккумулятор, а он в свою очередь приводит в действие электродвигатель.
Солнечные батареи устанавливаются на крыше автомобиля, а иногда и покрывают всю его поверхность, так или иначе обращенную к небу. До недавнего времени это направление не развивалось, т.к. КПД традиционных солнечных батарей крайне низок, а сами они весьма недешевы. Однако ведутся активные разработки в области тонкопленочных полимерных солнечных батарей с повышенным КПД и простой и недорогой технологией производства. Одно из направлений таких разработок финансирует всем известный поисковый гигант Google.
Солнечную энергию можно преобразовать в движущую силу и другими способами. Например, крыша автомобиля обрабатывается специальным составом, многократно усиливающим светопоглощение, а под ней размещается теплообменник с водой. Вода, нагреваясь, превращается в пар, и под давлением подается, в турбину или в двигатель Стирлинга, который уже крутит ротор генератора. В отдельных экспериментах КПД такой системы оказывался существенно выше, чем у традиционных солнечных батарей.
Стирлинг-гибрид
Да, автомобили с двигателем Стирлинга вполне можно выделить в отдельное направление. Ведь принципиально не важно, какой вид энергии использовать для приведения такого автомобиля в движение. Теплообменник «с удовольствием» примет и водяной пар, и энергию сгорания топленого сала, и даже тепловую энергию ядерного реактора, если кто-нибудь когда-нибудь все же решится поместить его под капотом автомобиля.
Двигатель Стирлинга – разновидность поршневого двигателя внешнего сгорания, когда в цилиндрах находится не сгорающее вещество, а теплоноситель, способный быстро менять свою температуру под влиянием внешнего подвода или отвода тепла. Такой двигатель известен более 150 лет, но он так и не нашел применения в автомобильной промышленности из-за одного своего неприятного свойства – высокой инертности. Требуется достаточно много времени, чтобы разогнать его, вывести на рабочий режим, и так же много времени, чтобы остановить его (без создания аварийной ситуации).
Кроме того, он неохотно меняет скорость работы. В гибридах этот минус перестает иметь какое-либо значение, ведь основная энергетическая установка должна работать долгое время и в стабильном режиме, а с применением емкого аккумулятора время разгона и торможения основного двигателя уже мало на что влияет.
По эффективности двигатель Стирлинга несколько уступает двигателю внутреннего сгорания. Зато автомобиль с таким двигателем можно легко переориентировать с одного типа топлива на другой, а при необходимости и вовсе оборудовать теплогенераторами на основе нескольких видов топлива одновременно. Например, в сельской местности бензин можно сочетать с торфом, биогазом или другими естественными видами топлива.
С топливными элементами
Создатели этого гибрида явно придерживались пути наименьшего сопротивления. Зачем смешивать бензин с воздухом, сжигать его, толкать поршни, вращать коленчатый вал, управлять раздаткой и другими механизмами? И все только ради того, чтобы получить крутящий момент на генераторе? Не проще ли придумать способ получать электроэнергию из топлива напрямую, без всякой механики? Действительно, топливные элементы – или, по-научному, электрохимические генераторы – позволяют получать электроэнергию из кислорода и водорода, а при наличии специального топливного процессора – из бензина и метана.
По сути, топливные элементы представляют собой гальванические батареи, но вещества для электрохимической реакции не хранятся в них, а подаются извне. Родиной топливных элементов можно по праву считать Россию, точнее – Советский Союз. Впервые они были применены в программе «Луноход-1». Их преимущества – малый вес, бесшумность, экологичность и существенно более высокий КПД, чем у двигателя внутреннего сгорания (у современных образцов – до 60%).
Самым существенным их недостатком является высокая стоимость одного из компонентов катализатора – платины. Впрочем, уже ведутся изыскания, как обойтись без нее.
Наиболее перспективным заменителем выглядят ферменты. Другая перспективная технология, не требующая применения платины, – твердооксидные топливные элементы с керамическим электролитом. Недорогие в производстве, они, тем не менее, требуют очень высокой температуры для своей работы (минимум 600ºC). Прогресс не стоит на месте, и какой-то из этих двух типов топливных элементов сможет через несколько лет заслуженно занять место под капотом автомобиля.
Будем последовательны
Совмещая в себе достоинства двух типов энергетических систем, гибридные автомобили не могли не позаимствовать у обоих типов и их стоимость, и часть недостатков. Да и система, состоящая из двух последовательных звеньев, как правило, менее надежна, чем каждое из этих двух звеньев по отдельности, – из-за взаимной или синергической сложности.
Да, гибриды сегодня стоят дороже обычных автомобилей. Причем дело здесь даже не в новизне технологии, а в большем количестве сложных элементов, из которых такие машины состоят. И в будущем ситуация вряд ли изменится.
Счастливый обладатель такого транспортного средства неизбежно столкнется и с проблемами при его ремонте. Несмотря на то, что в мире продано больше полумиллиона автомобилей Toyota Prius, даже в США с большой неохотой берутся за их техническое обслуживание, да и сам ремонт выходит существенно дороже, чем у классического автомобиля. Что уж говорить про Россию, где получить квалифицированное ТО для гибридов этой модели практически невозможно.
Казалось бы, у автомобилей, где две энергетические системы включены последовательно, а не параллельно, общая выживаемость движителя должна быть выше. Если отказала одна система – можно доехать до пункта тех. обслуживания на другой. Но это в теории.
На практике, аккумуляторная батарея гибрида обеспечивает пробег не больше нескольких десятков километров, и то при условии, что она полностью заряжена, чего при обычной эксплуатации почти не случается. На вторую энергосистему также нельзя положиться. Во многих типах основной источник энергии (солнечная батарея, двигатель Стирлинга, топливный элемент) вообще нельзя подключить к колесам напрямую. Ну а в тех, где можно (гибриды с классическим ДВС), – он будет давать существенно меньшую мощность да и «тянуть» за собой бесполезные электродвигатель и генератор, если только автопроизводитель не позаботился специально о таком развитии событий.
Гибриды в России
Как бы там ни было, но реальность такова, что иномарки с гибридным двигателем (Toyota Prius, Lexus RX400h) уже прочно прописались в наших автосалонах и бегают по дорогам страны, изредка пугая автомехаников. А что же наши автопроизводители?
Оказывается, и в нашем отечестве появлялись кандидаты в пророки. Сотрудники Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина в 2007 г. разработали и построили опытный образец гибридного автомобиля на базе классической «Нивы». В качестве промежуточного накопителя энергии вместо аккумулятора применена цепь из трех суперконденсаторов.
В заряженном состоянии они через тяговый электродвигатель, подключенный к одному из мостов, разгоняют автомобиль до скорости 45 км/ч. После этого заводится ДВС, подключенный к другому мосту через вариатор, а электродвигатель переходит в генераторный режим и заряжает суперконденсаторы для нового разгона. По словам разработчиков, такая схема позволяет экономить до 20% бензина, а выбросы в атмосферу сокращаются на 35%. К сожалению, дальше опытного образца дело пока не пошло – отсутствует заказчик инновационной продукции, а организовать производство собственными силами университет не в состоянии.
Другая гибридная разработка принадлежит АвтоВАЗу. И опять в качестве прототипа инженеры выбрали «Ниву». Но на этот раз основным источником энергии гибрида под названием АНТЭЛ служат топливные элементы. В каком-то смысле АНТЕЛ – продукт космической конверсии, ведь примененный в нем электрохимический генератор «Фотон» был в свое время разработан для нужд космической и оборонной промышленности.
Первая модель АНТЭЛа появилась в 2001 г. и питалась кислородно-водородным топливом. Баллоны с кислородом и водородом питали топливные элементы, а те в свою очередь вырабатывали электрический ток для тягового электродвигателя мощностью в 25 кВт. Баллоны сильно утяжелили автомобиль и приблизили его вес к двум тоннам. Но даже при этом он развивал скорость до 80 км/ч и преодолевал 200 км на одной заправке. Тем не менее, безопасность такого транспортного средства оставалась под вопросом, ведь с водородом шутки плохи.
Вторая версия АНТЭЛа разрабатывалась уже на базе ВАЗ-2111. На этот раз почти всю энергоустановку удалось разместить на ее законном месте – под капотом. Новый водородно-воздушный электрохимический генератор брал кислород из атмосферы, очищая его от углекислого газа. Снаряженная масса машины снизилась до 1 300 кг, максимальная скорость повысилась до 100 км/ч, а дальность пробега на одной заправке возросла до 350 км. И все бы ничего, но где простому автомобилисту брать водород для заправки такой машины?
На этот вопрос должен ответить АНТЭЛ-3, разработка которого ведется с 2003 г. В нем, по проекту инженеров, баллон с водородом должны заменить обычный топливный бак и топливный процессор, который сможет добывать водород напрямую из бензина или природного газа. В схему автомобиля входит и никель-металлогидридный аккумулятор емкостью 10 А•ч, который решает задачу и динамичного ускорения, и холодного старта, и рекуперации энергии торможения. Увы, в связи с финансовым кризисом разработки в этом направлении приостановлены. А жаль, ведь по расчетам полная заправка 45-литрового бака бензином должна была обеспечить дальность пробега аж в 1 тыс. км!
| Гибридные технологии приходят на помощь, когда какая-то одна конкретная технология еще не способна удовлетворить все запросы потребителя. По всей видимости, автомобили с гибридным двигателем представляют собой переходный этап к электромобилям или к другим гибридам, но работающим уже на принципиально более дешевых и экологичных источниках энергии. По мнению экспертов, переходный период будет долгим. Вместе с тем, гибридные автомобили в том виде, в котором мы их понимаем сейчас, не потеряют актуальность по меньшей мере еще несколько десятилетий. |
