CC BY
81
УДК 629.3+504
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ ГИБРИДНОГО АВТОТРАНСПОРТА В УКРАИНЕ
А.С. Паникарский, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрен путь выхода из возможного топливно-энергетического кризиса в Украине посредством модернизации большей части легкового автомобильного парка. Модернизация заключается в установке на существующие автомобили дополнительной электрической силовой установки с конденсаторным накопителем энергии и аккумулятором, которые связаны с двигателем внутреннего сгорания системой управления.
Ключевые слова: гибридный автомобиль, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель.
Введение
Трудности в топливно-энергетической сфере, которые переживает Украина с января 2006 года, свидетельствуют, насколько экономика нашей страны является зависимой со стороны стран -поставщиков энергоресурсов. В связи с этим возникает острая необходимость во внедрении энергосберегающих технологий во всех областях экономики. Автотранспортная отрасль потребляет значительную долю энергоресурсов страны. При этом осуществляет интенсивное загрязнение окружающей среды в районе обитания населения. Одним из главных направлений решения этой проблемы является внедрение автомобилей с гибридными силовыми установками «двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - электродвигатель» [1].
Внедрение гибридных автомобилей на мировом автомобильном рынке
Проблемой топливной экономичности ДВС и взаимосвязью этого направления с экологической средой обитания в странах с развитой экономикой занимаются давно [2]. Но, несмотря на то, что ряд фирм, производящих автомобили, добились хороших результатов по экономичности ДВС, например, автомобили: «Volkswagen New Beetle» - 5,6 л на 100 км, «Volkswagen Jetta Wagon» - 5,8 л на 100 км дизтоплива, это не решает кардинальных проблем загрязнения окружающей среды. Проводимые в настоящее время мероприятия по снижению негативного воздействия на окружающую среду с помощью каталитических устройств дожига топлива не решают проблему полностью, а также приводят к повышению эксплуатационных затрат и росту стоимости транспортных средств.
Фирма «Toyota» занимается разработкой гибридных автомобилей давно и уже семь лет выпускает различные модификации автомобиля «Toyota Prius». Другие автомобильные гиганты как «Honda», «Peugeot», «Qtroen» вышли на автомобильный рынок недавно, но уже уверенно завоевывают позиции. Аналитики менеджмента считают, что если фирма-производитель легковых автомобилей к 2010 году не будет иметь в своем ассортименте гибридный автомобиль, то ее будущее существование обречено на банкротство.
В мировом автомобилестроении сложились две концепции подхода к конструкции гибридного автомобиля. Представителем первой является автомобиль «Toyota Prius», у которого мощность электродвигателя сопоставима с мощностью ДВС. Автомобиль может двигаться как на электротяге, так и используя совместно электродвигатель и ДВС. Основными недостатками такой конструкции являются большие габариты и стоимость аккумуляторной батареи.
Представителем второго направления является автомобиль «Honda Insight», у которого мощность электродвигателя на порядок меньше чем мощность ДВС. Электродвигатель и ДВС работают совместно во время разгона автомобиля. Электродвигатель компенсирует малый крутящий момент ДВС на переходных режимах. Вторая концепция предпочтительнее для украинского автомобилестроения, т.к. стоимость гибридного автомобиля возрастает меньше относительно базового негибридного прототипа. Кроме этого, модернизация модели под гибридный вариант не потребует значительных изменений силовых элементов кузова и привлечения больших капиталовложений.
Административно-экономические меры по внедрению гибридного автотранспорта
Какие же мероприятия должны быть проведены в автотранспортной отрасли для внедрения в эксплуатацию экономичных гибридных автомобилей. Решение о приобретении таких транспортных средств в конечном счете решает покупатель.
И необходимо, чтобы ему это было выгодно делать. Следовательно, цена гибридного автомобиля должна быть незначительно выше аналогичной модели традиционной конструкции с тем расчетом, чтобы окупаемость более высокой цены автомобиля осуществлялась за короткий период времени. С этой целью правительству необходимо снизить таможенные пошлины на ввоз гибридных автомобилей. При этом цена продаваемого гибридного автомобиля должна быть дороже негибридного аналога ровно на столько в процентном отношении, на сколько устанавливает завод-изготовитель. Это исключает возможность получения продавцами сверхприбыли за счет таможенных льгот. В развитых капиталистических странах, например США, введены льготы по налогам покупателю при приобретении гибридного автомобиля как более экологически чистого средства передвижения. Может быть украинскому правительству не перенять положительный опыт и снизить таможенные пошлины на ввоз гибридных автомобилей.
Модернизация существующего парка легковых автомобилей
В тоже время ввозимые гибридные автомобили не осуществят коренной перелом в экономии топливных ресурсов. Основным источником потребления являются автомобили, осуществляющие регулярные пассажирские и грузовые перевозки - это также и автомобили, осуществляющие доставку грузов к торговым точкам. А это в основном автомобили российского производства «Лада», «Жигули», «Москвич», «Газель», «Соболь». Поэтому необходимо произвести комплекс мероприятий по модернизации данных автомобилей под гибридную силовую установку, добавив: электродвигатель, дополнительную
трансмиссию для электродвигателя и конденсаторный аккумулятор энергии с системой управления [3,4]. При этом необходимо учитывать, что стоимость переоборудования должна составлять порядка 7500 грн., т.к. средняя цена автомобилей, находящихся в эксплуатации на грузопассажирских перевозках, составляет порядка 25000-50000 грн. Легковые автомобили, находящиеся в эксплуатации в качестве такси в Украине, в основном, относятся к эконом-классу с объемом двигателя 1,3 - 1,6 л и массой около 1000 кг. Одним из самых расточительных потребителей в городской зоне являются автомобили «Газель» и «Соболь», у которых расход топлива в городском цикле по-
рядка 20 л на 100 км пробега. Актуальной задачей для украинского автомобилестроения является не создание автомобиля с рекордно малым расходом топлива порядка 3 л на 100 км пути [5,6], а снижение расхода топлива у существующего парка машин на 20-25%, что даст значительный экономический эффект и некоторое снижение цены на топливо.
Кроме экономии топлива значительно увеличится пробег автомобиля между ТО и капитальными ремонтами двигателя в результате уменьшения времени работы ДВС на переходных режимах. В то же время текущий ремонт электродвигателя прост и не требует материалоёмких затрат. Следовательно потребитель экономит средства не только за счет экономии топлива, но и за счет увеличения межремонтного пробега автомобиля.
В то же время автомобиль «Славута» с расходом топлива 3 л на 100 км стал бы конкурентоспособным в странах Восточной Европы. Возможность для осуществления такой реконструкции в нашей стране есть. В Украине имеется достаточное количество электротехнических предприятий способных выпускать электродвигатели, аккумуляторы, системы регулирования. Потребитель же активно откликнется на предложение по модернизации, как было летом 2005 года, когда подорожал бензин и многие владельцы стали устанавливать газобаллонное оборудование на свои автомобили.
Основной проблемой является создание компактной электросиловой установки мощностью 6-7 кВт, массой не более 150 кг и объемом порядка
0,5 м3 для того, чтобы она поместилась под задними пассажирскими сидениями и занимала часть объема багажника. Электросиловая установка большего веса и габаритов потребует переделки силовых элементов кузова и перепланировки объемов пассажирского или грузового салонов, что невозможно без участия завода-изготовителя автомобиля и значительных капиталовложений. Возможность создания компактной электросиловой установки продемонстрирована на примере автомобиля «Honda Insight», масса которой 75 кг. Достичь таких показателей при заданной выше себестоимости модернизации невозможно, так как литиевые или никель-металл-гидридные аккумуляторы слишком дороги для нашего потребителя. В то же время применение конденсатора большой емкости (порядка нескольких десятков фарад) в сочетании с дешевыми малообслужи-ваемыми кислотными аккумуляторами со свинцово-серебряными и с добавкой кальция пластинами могут дать искомый результат в 150 кг. Такие аккумуляторы имеются на украинском рынке. Это: «Varta» 6CT-110 ST, «Sznajder» 6CT-100 Silver, Baren 100 А.ч Powerprofi. Они имеют ток разряда не менее 800 А при холодном запус-
ке и повышенный срок службы 5-7 лет. Близок к ним по параметрам «Ыа» (г. Днепропетровск)).
Импульсные конденсаторы большой емкости для системы электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания выпускаются в России. Импульсный конденсатор энергоемкий (ИКЭ) является мощным импульсным источником вторичного тока. По зарядно-разрядным характеристикам ИКЭ представляет собой конденсатор сверхбольшой емкости с малым внутренним сопротивлением. ИКЭ разработан как источник энергии, обеспечивающий необходимый и достаточный импульс тока в начальный период пуска ДВС совместно с аккумуляторной батареей для холодной прокрутки коленчатого вала двигателя, и, затем, после его заряда от генератора или аккумуляторной батареи готов к повторному неоднократному использованию. Применение ИКЭ для запуска ДВС позволяет решить ряд следующих задач: понижение на 30-50% максимального тока аккумуляторной батареи в начальный момент пуска ДВС, что увеличивает срок службы аккумуляторной батареи до 3-х раз; повышение надежности запуска при повышенных и пониженных температурах окружающей среды; возможность применения аккумуляторной батареи с емкостью в 1,5-2 раза меньшей, чем штатная. Основные технические характеристики конденсатора ИКЭ 40-28, рекомендуемого для пуска двигателя КамАЗ, следующие:
Номинальное напряжение заряда, В 28
Номинальная емкость, Ф 100
Запасаемая энергия, кДж 40
Номинальная удельная энергия, кДж/кг 1,33
Внутренне сопротивление, Ом 0,005
Вес, кг 30
Время заряда от напряжения аккумулятора до напряжения, выдаваемого генератором, сек 10 Количество циклов заряда до потери 30% емкости 1000000
Рабочий диапазон температур, С от -50 до +60
Диаметр, мм 230
Длина, мм 360
Срок службы, лет 10
Совместное применение ИКЭ и свинцовых кислотных малообслуживаемих аккумуляторов позволит устранить главный недостаток свинцовых аккумуляторов - невысокое число полных циклов заряд-разряд. Для этого необходимо разработать алгоритмы оптимизации потоков энергии между ДВС, аккумуляторами электроэнергии и электродвигателем и создать устройства управления этими потоками.
В будущем создание компактной электросиловой установки в сочетании с газобаллонной системой питания позволит создать в Украине экономичный автомобиль международного класса по критериям экономичности и экологической чистоты.
Выводы
Одним из путей выхода из возможного энергетического кризиса в Украине является массовое внедрение гибридных силовых установок на автотранспорте. Пути осуществления существует два. Во-первых, поощрение ввоза гибридных автомобилей зарубежных производителей посредством снижения таможенных пошлин на такие модели. Во-вторых, разработка комплектов электросиловых установок для модернизации ранее выпущенных автомобилей. Научно-технический и производственный потенциал для этого в Украине имеется. Предложенные мероприятия позволят также улучшить экологическую обстановку в населенных пунктах.
Литература
1. Титков А. И. От концепции к стратегии разви-
тия автомобильной промышленности России в первой четверти XXI века // Автомобильная промышленность. - 2005. - №2.
2. Мацкерле Ю. Современный экономичный ав-
томобиль / Пер. с чешск. В.Б. Иванова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.
3. Сурин Е.И. Емкостные накопители энергии для
систем пуска ДВС // Автомобильная промышленность. - 1999. - №5. - С.14-16.
4. Калмыков В.И., Костюченко С.М., Рожко-
ва С.Э., Быков А.М. Анализ работы системы электростартерного пуска ДВС в граничных режимах //Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. -2001. -Вып.7-8. - С.81-84.
5. Смирнов О.П. Тенденція створення екологічно
чистого транспортного засобу // Автомо-бильний транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2006. - Вып. 17. -С.7-11.
6. Смирнов О.П. Аналіз схемних рішень побудо-
ви автомобіля з гібридною енергетичною установкою // Вестник ХНАДУ / Сб. наук. пр. - Харків: Вид-во ХНАДУ. - 2006. -Вип. 32. - С. 41-43.
Рецензент: О.П. Алексеев, профессор, д.т.н. ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 марта 2006 г.
