Высокой мысли пламень (Часть третья)

В. Кашканов, конструктор.

Прежде чем начать рассказ о наших разработках, придётся углубиться немного в историю.

XX век был отмечен бурным развитием автомобилестроения. Однако автомобиль, поначалу казавшийся великим благом, принёс с собой и огромную опасность для человечества.

В результате эксплуатации возникли две серьёзные угрозы: развитие парникового эффекта с последующим необратимым изменением климата и массовое поражение здоровья людей.

Всё это обусловлено наличием токсических веществ, которые в сравнительно больших количествах содержатся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Именно автомобильный транспорт в больших городах по экологическому ущербу лидирует во всех видах негативных воздействий на окружающую среду: загрязнение атмосферного воздуха – 71%, воздействие на климат – 68%.

По оценкам экспертов, с влиянием отрицательных факторов окружающей среды связано 36% случаев всех заболеваний. Именно экологические условия сокращают продолжительность жизни обитателей больших городов на 6 – 7 лет.

Поэтому возникла жизненная необходимость снижения уровня токсичности отработавших газов автомобилей в такой мере, чтобы изменить тенденцию к общему нарастанию заражения атмосферы земли – в первую очередь окисью (СО) и двуокисью (СО2) углерода – и добиться начала его снижения.

И это при условии, что объём производства автомобилей на земле будет неизменно нарастать, с этим ничего не поделаешь.

Первое, что было сделано в этом направлении – это совершенствование конструкции ДВС, в результате чего удалось заметно снизить удельный расход топлива и содержание токсических веществ в отработавших газах.

Однако достигнутый уровень обоих названных показателей нельзя признать удовлетворительным, особенно в свете быстрого увеличения мирового парка автомобилей.

Нынешнее состояние дел не позволяет ожидать в дальнейшем существенного улучшения характеристик ДВС.

Основные возможности уже почти исчерпаны, и вкладываемые в исследовательские и конструкторские работы средства будут приносить всё более ограниченные по значимости практические результаты.

Поэтому наиболее эффективным направлением на ближайшие десятилетия является создание гибридных энергоустановок (ГЭУ) на основе комбинации из ДВС и электрической машины.

Основная идея гибридизации достаточна проста и заключается в том, чтобы, образно выражаясь, облегчить жизнь ДВС за счёт электрической машины.

Это можно сделать, исключив режимы работы со средним и высоким удельным расходом топлива.

Кроме того, можно устанавливать ДВС меньшей мощности без ухудшения динамических свойств автомобиля, так как дополнительная мощность формируется электродвигателем. Всё это позволит снизить расход топлива и, как следствие, уменьшить выбросы вредных веществ, в том числе и окислов углерода.

Теперь о типах ГЭУ. Любая такая установка содержит три основных элемента: ДВС, электрическая машина с блоком управления и буферный накопитель энергии.

Все ГЭУ можно разделить на три основных типа: последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Назовём их для краткости соответственно ПоГЭУ, ПаГЭУ и ППГЭУ (или комбинированные) – несколько неуклюже, но для наших целей популярного изложения сойдёт.

В ПоГЭУ (Series HEV) вся механическая энергия, вырабатываемая ДВС, переводится генератором в электрическую энергию, а затем с помощью тягового электродвигателя снова переводится в механическую энергию привода ведущих колёс автомобиля.

То есть, налицо последовательное (двойное) преобразование энергии. К достоинствам ПоГЭУ относится предельно простая трансмиссия, включающая одноступенчатый редуктор и дифференциал, а также то, что ДВС может всегда работать в оптимальном – с энергетической и экологической точек зрения – режиме.

Общим существенным недостатком установок этого типа является большая суммарная мощность входящего в её состав электрооборудования. Ведь кроме тягового электродвигателя с контроллером, рассчитанным на полную максимальную мощность установки, требуется ещё и генератор со своим контроллером (тоже на полную мощность).

Всё это ведёт к существенному увеличению массы, объёма и стоимости устанавливаемого электрооборудования. Кроме того, кпд ПоГЭУ по определению ниже из-за необходимости двойного преобразования всей вырабатываемой ДВС энергии.

Частным случаем последовательной концепции являются так называемые электромобили с расширенным пробегом (Range Extender), отличающиеся от обычных электромобилей наличием мотор-генераторной установки небольшой мощности для возможности подзаряда тяговой аккумуляторной батареи во время движения с малой нагрузкой или при отсутствии электрической сети (к примеру, в полевых условиях).

Избыток этой энергии запасается в буферном накопителе, в качестве которого используется аккумуляторная батарея достаточно большой ёмкости. А вот совмещённый с генератором ДВС, как правило, делается на пониженную мощность или даже совсем крохотным.

К примеру, у Citroen Saxo Dynavolt масса ДВС составляет всего 8 кг, а батареи – около 300 кг. Применён двухтактный впрысковой двигатель мощностью 10 кВт с генератором 6,5 кВт; они расположены вместе с топливным баком под задним сиденьем.

При этом пробег в сравнении с чисто электромобильным вариантом Saxo Dynavolt увеличивается с 80 до 340 км, а средний расход топлива составляет всего 2,4 л на 100 км.

Общий выброс окислов углерода, в сравнении с серийным Citroen Saxo с четырёхтактным впрысковым двигателем, сокращается на треть.

В ПаГЭУ (Parallel HEV), в зависимости от режима движения автомобиля, привод ведущих колёс осуществляется или только от электродвигателя, или только от ДВС, или от того и другого одновременно.

У этого типа ГЭУ имеются три основных направления, получивших названия Микро гибрид (Micro-Hybrid), Средний гибрид (Midi-Hybrid) и Полный гибрид (Full-Hybrid). Назовём их соответственно МГ, СГ и ПГ.

В конструкции МГ используются мотор-генераторы мощностью до 4 кВт при напряжении от 14 до 42 V и реализующие, как правило, только так называемый режим старт-стоп, т. е. остановку и мгновенный запуск ДВС на светофорах.

МГ (их ещё называют стартёр-генераторами) требуют минимальных изменений в конструкции базового автомобиля, позволяя, тем не менее, экономить до 10% топлива.

Функционально они обеспечивают режим автоматического останова и пуска двигателя (быстрый повторный пуск ДВС менее чем за 0,3 секунды и до 600 об/мин в процессе пуска), а также выработку дополнительной электроэнергии (режим генератора) с увеличением общего кпд системы до 85 %.

Наличие дополнительной электроэнергии позволяет освоить и другие потенциалы, например, электрифицировать энергоёмкие системы – такие как кондиционер, гидроусилитель рулевого управления, электротормоза и т.п.

Частным случаем параллельной концепции служат автомобили со вспомогательным электроприводом (Power Assist), использующие электропривод сравнительно небольшой мощности, – не более 25% от мощности ДВС.

Однако влияние этой помощи на снижение расхода топлива по различным оценкам не превышает 20%, да и то лишь в городских режимах движения.

Бóльшую часть времени ДВС работает в далеко не оптимальной области, а значительная часть энергии при торможениях уходит в нагрев тормозных колодок из-за недостаточной мощности электропривода, неспособного в полной мере рекуперировать энергию торможения.

Типичным представителем этого класса автомобилей является Honda Insight, имеющий ДВС 51 кВт и электродвигатель 9,2 кВт, расположенный между ДВС и КП и фактически представляющий собой стартёр-генераторную установку повышенной мощности.

Сравнительно высокие показатели по экономичности и токсичности этого гибрида объясняются в основном лёгким кузовом и суперсовременным ДВС.

Под СГ понимаются ГЭУ, в которых мощность мотор-генератора достигает 15 кВт.

В дополнение к функциям МГ в данном случае обеспечивается создание дополнительного ускорения при разгоне и рекуперация электроэнергии при торможении.

Кпд системы, достигающий в режиме генератора 88%, несколько превышает уровень МГ. Такое решение требует использования компактной электрической машины в трансмиссии, размещённой, как правило, на коленчатом валу ДВС. Экономия топлива, в зависимости от реализованных функций, может составлять от 15 до 20%.

Под ПГ понимаются ГЭУ, в которых мощность мотор-генератора достигает 75 кВт. В дополнение к функциям СГ в данном случае обеспечивается режим езды только на одном электроприводе, без помощи ДВС.

Разработка глубоко затрагивает весь автомобиль, поскольку ПГ требует второго (со стороны электродвигателя) сцепления, а также тяговой аккумуляторной батареи с соответствующим запасом энергии.

Заметное увеличение мощности требует существенного увеличения уровня напряжения тяговой батареи. Существующая бортовая сеть на 14V при этом может быть сохранена, но дополняется промежуточным конвертором, обеспечивающим связь между этими двумя сетями.

Электродвигатель как правило устанавливается между ДВС и коробкой на месте маховика. Имеется также буферный накопитель, но в данном случае он уже небольшой, а вот ДВС – почти полноразмерный.

К примеру, у серийного гибридного автомобиля HondaCivic буферная аккумуляторная батарея весит всего 20 кг и расположена под полом багажника. Последовательное соединение 120 цилиндрических элементов по 1,2 V обеспечивает общее напряжение 144 V, но при этом ёмкость батареи – всего 6,5 А-ч.

ДВС – 1 л, 62,6 кВт, общий момент 157 Нм при 2 500 об/мин. Рекламируемый расход топлива 5,1 литра на 100 км, снаряжённая масса 1 200 кг.

Все силовые установки, которые не вписываются ни в одну из перечисленных концепций, относятся к комбинированному типу (Dual HEV).

Общим для всех ГЭУ комбинированного типа при всём их конструктивном разнообразии является наличие не менее двух электрических машин и достаточно сложная трансмиссия, в результате чего они могут работать как в последовательном, так и в параллельном режиме.

Компенсацией усложнению трансмиссии по сравнению с установками последовательного типа служит возможность работы в параллельном режиме, что снижает требования к пиковым мощностям узлов электропривода и тем самым снижает размеры, массу и стоимость установки.

Однако из-за необходимости второй электрической машины, выполняющей различные функции, ГЭУ комбинированного типа проигрывают по тем же показателям параллельной концепции.

В качестве примера комбинированной энергоустановки служит конструкция силового агрегата, получившего широкую известность, – первого серийного гибридного автомобиля Toyota Prius.

Его силовой агрегат называют ещё последовательно-параллельным. В нём привод ведущих колёс осуществляется, как и в параллельной схеме, и от электродвигателя, и от ДВС.

А преобразование механической энергии ДВС осуществляется и с помощью генератора, как в последовательной схеме, и с помощью механического делителя мощности, распределяющего её между генератором и приводом ведущих колёс.

Это наиболее сложный в реализации вариант гибридной энергоустановки, но, тем не менее, Toyota Prius серийно выпускается уже десятый год. Он неоднократно признавался лучшим автомобилем года.

Однако заявленные характеристики по расходу топлива 3,6 л/100 км в городском режиме практически не были подтверждены испытаниями.

Это, видимо, произошло из-за того, что они соответствуют японскому стандартному циклу езды 10/15, характеризующемуся низкой скоростью движения в городе и даже на открытой дороге, что является типичным для Японии. Реально получено 4,5 л/100 км.

Надо сказать, что на сегодняшний момент не выработано однозначной позиции, какой тип ГЭУ предпочтительнее. Citroen, например, имеет и последовательную, и параллельную схемы.

Проанализировав все эти варианты, мы остановили свой выбор на параллельном типе ГЭУ, как на наиболее просто реализуемом, так как при этом используется стандартный силовой агрегат, в который между ДВС и КП устанавливается электрический мотор-генератор.

Есть и ещё один довод в пользу параллельного типа энергоустановки. Он заключается в том, что конструкция силового агрегата практически одинакова, что для параллельного гибрида, что для СГУ. Различие заключается только в мощности электрической машины и в алгоритме её функционирования.

Если в СГУ электрическая машина должна разгонять только двигатель до оборотов х.х., то в параллельном гибриде она должна разгонять весь автомобиль, т.е. для гибридного варианта требуемая мощность всегда явно больше.

Учитывая, что предельно допустимые диаметры электрической машины и в том и в другом случае одинаковы (определяются конструкцией силового агрегата), то разница будет лишь в аксиальной длине.

В одном случае это будет проставка между ДВС и КП толщиной, к примеру, 40 мм, а в другом – 60 мм, что, естественно, несущественно.

Лишь бы всё это поместилось под капотом автомобиля.

Исходя из этого, совместно с Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ) была разработана конструкторская документация для двух автомобилей: 2110 и 1118.

В первом случае из-за ограниченности ширины подкапотного пространства удалось реализовать только вариант со стартёр-генераторным устройством на пиковую мощность 4 кВт и напряжением 42 V.

Во втором случае был реализован гибридный вариант типа Power Assist, являющийся полным аналогом серийно выпускаемых гибридных автомобилей Honda Insight и HondaCivic.

Если сравнить характеристики автомобилей 1118 в гибридном исполнении с автомобилем HondaCivic, то видно, что последний, выигрывая у гибридной Калины по расходу топлива 28%, имеет почти вдвое большую стоимость.

Последнее обстоятельство может быть решающим для реализации автомобилей ВАЗ в гибридном исполнении на зарубежных рынках.

В настоящее время разработана КД на все элементы полноразмерной гибридной энергоустановки параллельного типа, проведены предварительные расчёты расхода топлива при движении по европейскому циклу для четырёх алгоритмов управления.

Собран автомобиль с мотор-генератором 4 кВт на напряжение 42 V. Реализован старт-стопный режим, над остальными режимами предстоит ещё поработать.

Следует отметить, что этот автомобиль сделан без всякого финансирования, на чистом энтузиазме ВАЗа и двух новосибирских предприятий – НГТУ и Института ядерной физики (ИЯФ).

Для создания полноразмерного гибрида с мощностью на 15 кВт требуется заключение договоров с предприятиями-соисполнителями примерно на 3,5 – 4 млн. руб.

В своё время, в сентябре 2003 года, мы выходили с таким предложением к вице-губернатору Самарской области В. Казакову и вроде бы даже получили положительную резолюцию, но до практического выделения средств дело так и не дошло.