ДВС не сдается
Последние 70 лет автопроизводители совершенствовали двигатель внутреннего сгорания, или ДВС, как его называют инженеры. Теперь компании тратят миллиарды долларов на разработку способов использования альтернативных видов топлива, таких как сжатый природный газ. Кроме того, они работают над усовершенствованием электромобилей — очень тихих автомобилей, которые мчатся по шоссе и не оставляют за собой шлейф выхлопных ituob, и созданием радикально новых альтернативных видов топлива и альтернативных источников энергии.
Во всяком случае, в ближайшее время бензиновый двигатель не собирается уходить со сцены. Улучшения двигателя внутреннего сгорания сделали его намного чище и эффективнее чем когда-либо, и нет никаких признаков того, что индустрия откажется от него. Компания Honda недавно торжественно представила настолько чистый бензиновый двигатель, что он почти соответствует самому строгому калифорнийскому природоохранному стандарту.
Поскольку ДВС становятся все более экологически чистыми, а затраты бизнеса и общества па отказ от пользования бензиновыми двигателями настолько ошеломляющие (куда деваться всем хозяевам заправок, рабочим нефтеперегонных заводов и механикам бензиновых двигателей?), что отлучение мира от силовой установки внутреннего сгорания займет поколения.
Сегодня у всех на устах слова "экология" и "экономия". Нововведения уже па подходе, на пороге множество альтернативных видов топлива и способов передачи энергии колесам. В итоге машины на языке нового тысячелетия вполне могут называться чем-нибудь вроде персональных транспортных модулей!
Альтернативные виды топлива
В настоящее время главными конкурентами традиционного топлива являются метанол, пропан, новые типы дизельного топлива, разрабатываемые в научных лабораториях, и, наконец, электроэнергия, получаемая из водорода, газа, который можно добыть из чего-либо простого, вроде воды. (Как-никак в формуле Н2О он упоминается дважды.)
Эти названия топлива звучат как научно-фантастические термины, но они не экзотичны. Автомобили, потребляющие .эти виды топлива, все равно будут получать энергию от механического или электромеханического двигателя. Карданный вал с зубчатым приводом все равно будет вращать колеса. Но вместо мощного восьмицилиндрового V-образного двигателя с раздвоенными выхлопными трубами и четырехскоростной автоматической коробки передач быстрые машины будущего поколения будут иметь только завывающий электромотор с прямым приводом на колеса и одним рабочим положением рычага - "Drive".
Калифорнийцы уже осваивают такие новшества благодаря правилу, предусматривающему, что 4% машин, проданных в штате в 2003 году, не должны загрязнять среду, а 6% должны соответствовать сверхнизким стандартам выбросов. Эти более чем 100 тысяч машин с нулевым и почти нулевым загрязнением через пару лет должны быть готовыми к работе (штат Нью-Йорк и несколько других штатов приняли аналогичные законы)!
Никто из крупных автопроизводителей не хочет вызвать праведный гнев жителей Калифорнии. Как-никак, а это самый густонаселенный штат Америки, и на долю его жителей приходится больше 10% проданных в США за год машин. Никто не захочет уходить с рынка Калифорнии, а такое наказание грозит автопроизводителям за невыполнение строгих природоохранных законов; кроме того, это ощутимо сократит завоеванные позиции на рынке.
Поэтому автомобильная индустрия усиленно пытается разработать машины, которые не загрязняли бы окружающую среду. Автопроизводители также создали много легковых машин и грузовиков, в которых бензин заменен лучше сгорающим топливом, таким как пропан или метан, незначительно загрязняющим природную среду.
Хотя для альтернативных видов топлива требуются разные конструкции баков и топливных насосов, модифицированных карбюраторов и систем впрыска топлива, все остальное в двигателе работает почти так же. как и в обычной машине. Топливо, каким бы экзотичным оно ни было, все равно приводит в действие двигатели внутреннего сгорания. Самыми распространенными альтернативами бензину и дизельному топливу остаются сжатый природный газ, пропан и спиртовые виды топлива — метанол и этанол. Все они чище бензина, но у каждого есть свои преимущества и недостатки. Одна общая проблема - доступность. В государственных и частных автопарках есть собственные заправочные станции, которые предлагают разные типы используемого топлива, но относительно мало коммерческих заправочных станций предлагают природный газ или этанол.
Активные автомобилисты, которые любят длительные поездки на машинах с альтернативным приводом, должны определить местонахождение на маршруте общедоступных заправочных станций и предварительно позвонить, чтобы убедиться, что они смогут там заправиться.
Сжатый природный газ
По данным Ассоциации "За автомобили на природном газе" штата Виргиния сжатый природный газ используется уже более чем в 75 тысячах автомобилей в США и более чем в миллионе автомобилей по всему миру. Сжатый природный газ часто используется в качестве топлива для погрузчиков, автобусов в аэропортах, маршрутных автобусов, а также для частных и государственных машин автопарков, которые пытаются привести свой парк в соответствие с федеральными законами и законами штатов по охране окружающей среды.
Существенная разница между обычной машиной и машиной на газе это отсутствие бензобака (рис. 7.11). Поскольку газ сжат и хранится под давлением около 240 бар, его необходимо хранить в специальных баллонах, рассчитанных на такое давление. Баллоны обычно имеют цилиндрическую форму, гак как. согласно законам физики, круглые поверхности лучше выдерживают давление. Топливо измеряется в эквиваленте бензинового галлона (gasoline-gallon equivalents, или g.g.e).
Рис. 7.11. Схема автомобиля, работающего на природном газе: 1. Газовый баллон (боковой); 2. Газовые баллоны (задние); 3. Топливоприемник; 4. Обратный клапан; 5. Ручной вентиль отсечки топлива; 6. Регулятор давления топлива; 7. Модуль управления трансмиссией; 8. Модуль управления инжектором; 9. Разрядная трубка снижения давления; 10. Датчик давления газа; 11. Соленоид высокого давления отсечки подачи топлива; 12 Шланги охлаждающей жидкости двигателя (2); 13. Датчик температуры топлива; 14. Датчик давления топлива; 15. Соленоид низкого давления отсечки подачи топлива; 16. Соленоидное реле отсечки топлива; 17. Устройство снижения давления; 18. Инжекторы топлива (8)
Природный газ даст в шесть раз меньше энергии, чем бензин того же объема, поэтому, чтобы дальность поездки была такой же. как и у бензиновых "собратьев", баллоны имеют большие размеры, чем обычные бензиновые баки. Большой недостаток в том. что размеры и количество требуемых машинам и легким грузовикам баллонов с газом занимают слишком много места.
Топливопровод должен быть рассчитан на высокое давление, а система подачи топлива, обычно это системы впрыска топлива, должна быть специально рассчитана на использование сжатого газа. По после того как газ смешивается с воздухом и впрыскивается в камеру сгорания двигателя, он работает точно так же, как и бензин.
Однако важным преимуществом газа является то, что он выделяет намного меньше загрязняющих веществ, чем бензин или дизельное топливо, т.е. такие машины отвечают низким и сверхнизким стандартам выбросов. В Калифорнии компания DaimlerChrysler даже выпускает фургон, приводимый в движение двигателем V-8 на сжатом газе, который классифицируется как автомобиль со сверхнизким загрязнением.
Пропан
Пропан используется в основном гак же, как и сжатый газ, разве что заправляется в сжиженном виде и под гораздо меньшим давлением, чем природный газ. По значению вырабатываемой из одного литра энергии он ближе к бензину. Автомобилям, работающим на пропане, также нужны специальные баллоны, но они не гак дороги, как баллоны, рассчитанные на высокое давление, используемые в газовых машинах и грузовиках.
В основном пропан используется в автопарках на машинах, которые совершают частые дневные поездки, а также на сельскохозяйственной технике. Его принципиальный недостаток заключается в том, что в отличие от природного газа он сжигается не полностью. Пропан — это более сложный углеводород, и при его сгорании выбрасывается больше загрязняющих средств.
Спиртовые виды топлива
Спиртовое топливо известно уже давно. Обычно это смесь бензина и метилового или этилового спирта в пропорции 15:85. Бензин добавляется для лучшего воспламенения в холодную погоду, а также для того; чтобы при загорании топливо горело цветным огнем. В чистом виде метиловый или этиловый спирт горит бесцветным огнем, что может создать опасную ситуацию при пожаре.
Этиловый спирт вырабатывается из кукурузы и пшеницы и часто используется в сельскохозяйственных машинах. Он подходит и для двухтопливных машин, но используется достаточно редко, так как заправочные станции с этанолом очень сложно найти, в США. например, их всего порядка 540. Метиловый спирт, который вырабатывается из углеводородов типа угля и природного газа, используется не гак широко, так как он в отличие от этилового спирта, сильно ядовит. Как и в случае со сжатым газом, эти виды топлива требуют доработки систем хранения и подачи топлива в легковых и грузовых машинах.
Синтетическое дизельное топливо
Возможно, самым удивительным образцом чистого топлива является синтетическое дизельное топливо. Оно называется так потому, что, в отличие от тралю тонного дизельного топлива, полученного из обогащенной серой нефти, это новое дизельное топливо создано учеными в лаборатории без серы и других включений, которые, собственно, и создают дизельному топливу репутацию грязного топлива. Один опытный нефтеперегонный завод в Оклахоме даже производит дизельное топливо из природного газа.
Синтетическое дизельное топливо важно, так как автопромышленность пытается создать новое поколение экологически чистых, эффективных, малолитражных дизельных двигателей — как правило, с турбонаддувом, для замены бензиновых двигателей и электромоторов в машинах и грузовиках будущего. Одна из причин причина кроется в том. что дизельное топливо эффективнее бензина. Хорошо отрегулированный дизельный двигатель превращает в механическую энергию порядка 24% энергии, содержащейся в топливе. Бензиновые двигатели в лучшем случае используют около 20%.
Итак, у дизеля, если сделать его чистым, множество положительных сторон. PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles — Товарищество "За новое поколение автомобилей") сфокусировало усилия американских автопроизводителей и государства на создании оптимального автомобиля нового тысячелетия. При этом упор делается на малолитражные дизельные двигатели, спаренные с электромоторами, как на лучшем варианте гибридного пятиместного автомобиля, который расходует 3-4 литра топлива на 100 км пути при крайне низком загрязнении окружающей среды.
Альтернативные силовые установки
Альтернативное топливо выводит на арену целый ряд альтернативных силовых установок: нововведения, которые, вероятно, снизят зависимость от вездесущего двигателя внутреннего сгорания.
Гибриды
Вообще-то, ДВС уже использовался в качестве первой альтернативной силовой установки. Система называется гибридной силовой установкой потому, что эта смесь — ни рыба ни мясо. Для достижения минимальных выбросов и максимальной экономии топлива в ней комбинируются небольшой двигатель внутреннего сгорания и электромоторы.
Существует два вила гибридов (рис. 7.12).
Рис. 7.12. Гибридный автомобиль
Последовательный гибрид использует бензиновый или дизельный двигатель с генератором для выработки электроэнергии, требуемой для работы электромотора. Машину движет собственно электромотор, вращающий карданный вал или приводные колеса.
Параллельный гибрид для движения использует оба двигателя. Они могут работать вместе, или один используется как основной источник энергии, а другой будет включаться и помогать, когда потребуется дополнительная энергия для трогания с места, заезда на гору или ускорения для обгона.
две в параллельном гибриде генерирует достаточно электричества для зарядки аккумуляторных батарей, установленных в моторном отсеке машины или где-нибудь на кузове. А батареи обеспечивают энергией электромотор, когда требуется его помощь.
Электронный контроллер посылает управляющие сигналы двум моторам, основываясь на информации, полученной от датчиков, которые свидетельствуют о том. с какой силой водитель давит на педаль акселератора или какова нагрузка автомобиля.
Благодаря наличию на борту автомобиля электростанции (ДВС-генератора) нет надобности в дорогих системах подзарядки аккумуляторов, используемых в электромобилях. У гибридов, оборудованных бензобаками такого же размера, как и обычные автомобили с ДВС, дальность поездки намного больше.
Компании Honda и Toyota создали первые коммерческие гибридные автомобили. В гибриде компании Honda с кодовым названием VV используется трехцилиндровый, однолитровый бензиновый двигатель и электромотор, чьи рабочие характеристики на пресс-конференции не были открыты. Бензиновый двигатель обеспечивает автомобиль основной энергией движения, а электромотор представляет собой что-то вроде наддува, когда требуется дополнительная мощность.
В машине Toyota Prius установлен полуторалитровый бензиновый двигатель и электромотор мощностью 40 лошадиных сил. Он работает как и автомобиль Honda, где электромотор по мере необходимости предоставляет дополнительную мощность. Специалисты компании Toyota утверждают, что эта машина проедет 1200 км на 49 литрах бензина (т.е. расход топлива порядка 4 л/100 км). В Японии автомобиль Toyota Prius поступил в продажу в 1998 году как первый серийный бензино-злектрический гибрид. У обеих машин сверхчистый выхлоп. Но самое главное — обе стоят в США в районе 20 тыс. долл.!
Машины компаний Toyota и Honda — образцы параллельных бензино-электрических гибридов. В то же самое время, компании Ford, General Motors и DaimlerChrysler концентрируют свои усилия па разработке параллельных дизель-электрических гибридов в рамках сотрудничества с PNGV.
Электромобили
Те же самые компании ведут разработки действительно удобного электромобиля, у которого будет хорошая динамика разгона, хорошая максимальная скорость и дальность поездки, привычная для бензинового автомобиля. Он должен быть достаточно вместительным для пятерых пассажиров.
Кроме того, время зарядки электромобиля должно быть сопоставимо со временем заправки обычного автомобиля. Еще он должен вписываться в бюджет среднестатистической семьи. В разделе "Управление электромобилем" в конце этой главы рассказывается, что из себя представляет езда на электромобиле.
Нынешним электромобилям присущи некоторые из перечисленных выше характеристик. Они имеют хорошую динамику разгона, хотя очень тяжелые аккумуляторные батареи не позволяют им стать гоночными машинами. (Несмотря на это, один из частных автопроизводителей из южной Калифорнии собирает двухместные спортивные электромобили, которые разгоняются до 100 км/ч всего за 4,2 секунды, что сравнимо с возможностями автомобилей модели Chevrolet Corvette и Dodge Viper). Электромобили ездят по шоссе со скоростью 120—140 км/ч, в зависимости от аэродинамики и веса машины и заводского ограничения максимальной скорости. Например, у Nissan Altra EV максимальная скорость ограничена 120 км/ч.
Электрические легковые машины и грузовики также могут перевозить тяжелые грузы и относительно легко подниматься на крутые горки. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, которому прежде, чем развить максимальную тяговую силу или крутящий момент, нужно увеличить обороты, электромотор с самого начала обеспечивает нужный крутящий момент. К сожалению, быстрый разгон, подъем на горки и езда на скорости выше 80 км/ч потребляет много электричества, что снижает и без того ограниченную дальность поездки электромобиля.
Сейчас электромобиля встречаются в обыденной жизни довольно редко. Несмотря на то что их розничная продажа и сдача н аренду начались в конце 1997 гада, в середине 1999 года в США было продано меньше 2500 электромобилей (в основном в Калифорнии, где они востребованы из-за местных законов). Для сравнения: за тот же период было продано или сдано в аренду около 24 миллионов обыкновенных автомобилей и легких грузовиков.
Электромобили гак долго входили в моду в основном из-за того, что индустрия до сих пор считает их экспериментальными и не запускает в серийное производство. К тому же некоторые автопроизводители, начавшие активную продажу электромобилей, недавно перестали их выпускать. Дело в том, что не оправдала себя идея, что в электромобилях могут использоваться заменяемые источники питания (по аналогии с фонариками на батарейках), а не аккумуляторы, на зарядку которых тратиться много времени.
Технологии производства аккумуляторов еще не достигли уровня, требуемого для хранения достаточного количества энергии, чтобы обеспечить дальность поездки, позволяющую им соперничать с автомобилями с традиционными двигателями внутреннего сгорания. В 1999 году полностью заряженный стандартный электромобиль в реальных условиях проезжал около 112 км, а зарядка батарей занимала от 4 до 6 часов. Это значит, что семейная поездка на 320 км из Нью-Йорка в Бостон, занимающая в обычной машине около четырех часов, обернется 10-12-часовым путешествием в электромобиле. Кроме того, так как в холод падает емкость аккумуляторов, дальность поездки электромобиля снижается вместе с падением температуры воздуха.
Почему же некоторые люди все еще интересуются электромобилями? Потому что идет постоянная работа над альтернативой аккумуляторам — альтернативой. которая могла бы превратить экологически чистый личный транспорт из обещания в реальность.
Топливные элементы
Одной из лучших альтернатив может стать топливный элемент сравнительно старая технология, доработанная и улучшенная с учетом требований к современному электромобилю. Конструкция одного из топливных элементов показана на рис. 7.13.
Рис. 7.13. Топливный элемент
Топливный элемент был изобретен в середине XIX века и стал повсеместно использоваться в вооружении и авиакосмической технике около сорока лет назад. В настоящее время в США, в районах, где наблюдаются перебои с электроэнергией, во многих больницах и ресторанах есть топливные элементы, которые обеспечивают их резервным электропитанием.
По сути, топливный элемент — это технологическая установка, которая вырабатывает электрический ток, получающийся от взаимодействия водорода и кислорода, пропущенных через катализатор — обычно микроскопически тонкий лист платины. Полученный электрический ток сразу же подается на электромотор, который и движет аппарат вперед. Для усиления тока элементы соединены в "блоки". В Necar 4 (New Electric Car 4, или новая электромашина 4) — новой опытной машине, представленной компанией Mercedes-Benz, используются два блока но 160 элементов.
Преимущество топливного элемента заключается в том, что он берег на себя функции аккумулятора и вырабатывает ток из водорода - элемента, которого в природе предостаточно. Когда-нибудь усовершенствованные электромобили на топливных элементах будут иметь ту же дальность пробега, что и у бензиновых машин, да и время их заправки сильно сократится. А пока способ заправки машины водородом все еще технически не решен.
Использование топливных элементов требует постройки тысяч водородных заправочных станций, где автомобилисты могли бы заправлять баки жидким или газообразным водородом. Конечно, еще надо решить, как финансировать создание такой системы поставки и инфраструктуры.
Промышленность еще не решила, какой вид водорода использовать. Газообразный водород, как и сжатый природный газ, надо будет хранить в баллонах, способных выдержать огромное давление. Но жидкий водород должен храниться при невероятно низких температурах — 250 градусов ниже нуля, а затем для работы в топливном элементе его нужно нагреть.
Электромобиль на водородных топливных элементах фактически не загрязняет воздух — из его выхлопной трубы только сочится струйка дистиллированной воды, образованной при взаимодействии водорода и кислорода в топливном элементе!
Но из-за проблем заправки машин водородом кое-кто из производителей рассматривает возможности применения других систем. Оказывается, что требуемый для работы топливного элемента водород можно вырабатывать на борту машины или грузовика из обычного углеводородного топлива: бензина, метанола или этанола. Процесс требует превращения топлива в пар под воздействием высокой температуры. В этом процессе образуется угарный газ и другие загрязняющие вещества, поэтому этот метод не так чист, как система, использующая непосредственно водород, но он все-таки намного чище двигателя внутреннего сгорания.
Отложим эти проблемы в сторону. Элементы, используемые промышленностью, все равно слишком велики для автомобилей, и много работы ушло бы на их уменьшение. Автопроизводители разработали элементы, достаточно маленькие для того, чтобы поместит!» их в опытные автомобили, но они все еще на 30-50% тяжелее того, что допустимо для коммерческого использования, и они все еще в 10 раз дороже того, что подходит для коммерческого использования. Но уже приближается их час. Компания DaimlerChrysler заявила, что она запустит машины на топливных элементах в розничную продажу. Другое крупные производители тоже нс намерены отставать от них.
Управление электромобилем
Когда производители решат проблему выработки электроэнергии, необходимой для приведения машины в движение, все остальные проблемы будет разрешить достаточно легко. Сегодня электромобили удерживают свой сектор рынка достаточно хорошо. Конечно они не предназначены для длительных поездок, но в поездках на работу и при повседневном использовании, когда вы привыкнете к тому, что под капотом нет двигателя и что не пало останавливаться на заправках, разве что для того, чтобы воспользоваться туалетом или залатать специальную шину с низким сопротивлением качению, они ничем не отличаются от своих бензиновых собратьев.
Под капотом находятся мощный электромотор, вся необходимая проводка и трубопроводы, а также все оборудование для обогрева и кондиционирования воздуха, гидроусилитель тормоза и гидроусилитель руля. Вы даже найдете обычную 12-вольтовый аккумулятор, обеспечивающий энергию для пуска двигателя, работу часов, замков и других электронных приборов при выключенной силовой установке.
Внутри электромобиль выглядит так же, как любой другой автомобиль. (Все машины, кроме машины EV-1, изначально были машинами с двигателями внутреннего сгорания, а затем переделаны в электромобили). Основное отличие — в панели приборов. Вместо указателя уровня топлива у электромобилей цифровое табло, показывающее разряд батареи и насколько экономично (или неэкономично) вы едете. А в автомобилях с рекуперативной тормозной системой есть прибор или табло, указывающие, сколько энергии генерируется и рекуперируется. (В рекуперативной тормозной системе для восполнения запасов электричества, затрачиваемого при разгоне, используется энергия торможения). У некоторых машин есть табло, приблизительно подсчитывающее расстояние, которое машина проедет на оставшемся заряде.
В таких машинах, как Nissan Ahra EV, еще есть цифровой тахометр, который показывает обороты электромотора. А вращается он намного быстрее коленчатого вала бензиновой машины! Становится не по себе, если едешь по шоссе со скоростью 120 км/ч и видишь на тахометре, что электромотор делает 16 тысяч оборотов в минуту!
Еще одна забавная диковинка — наблюдать, как парни на автомойке пытаются понять, почему ничего не происходит при повороте ключа. Иногда включается маленький вентилятор и загорается лампочка "On" или "Ready" на панели приборов. И все. Никакого рева, никакого шума. Можно давить на акселератор сколько угодно - никакого действия. Электромотор не включится, пока вы не включите коробку передач.
Включая коробку передач, вы посылаете сигнал контроллеру мотора, который подает напряжение на мотор в зависимости от силы, прилагаемой вами к акселератору (он на вид и на ощупь такой же, как педаль газа). Чем выше напряжение, тем быстрее* крутится мотор. Энергия передается на ведущую ось через последовательность шестерен, так же как передается энергия вращающегося коленчатого вала в обычной машине. (Если вы забыли, как это происходит, см. главу 4 "Раскрываем тайны вашей машины"). Разница в том, что электромотор все время выдает максимальный крутящий момент, а в коробке передач всего одна скорость. Для повышения эффективности мотора нет нужды переключаться на высшие и низшие передачи.
Нужно просто сесть, повернуть ключ, включить переднюю или заднюю передачу и поехать. Возможно, вы увидите облако пыли — это зависит от места; где вы остановились, но вы не увидите дыма и не услышите звука выхлопных газов. Только подвывание разгоняющегося электромотора.
Прежде чем бензиновый двигатель внутреннего сгорания попадет в музеи и к коллекционерам классических машин, нужно решить много проблем. Но индустрия и правительства многих стран тратят миллиарды долларов на разработку функциональных электромобилей и гибридных автомобилей для личного использования. Машина будущего — это вопрос времени. Однако к тому времени, как вы прочтете эту книгу, она уже может быть в пути!