CC BY
107
УДК 621.436.001
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ГИБРИДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
С.В. Гусаков, Абдель Муним Музхер Хашем
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье приводится оценка состояния производства автомобилей с гибридными силовыми установками в мире, показаны преимущества этого типа транспортных средств и обозначены основные проблемы их создания
Под гибридной силовой установкой (СУ) автомобиля в настоящее время понимают силовой агрегат, объединяющий в одно целое традиционный поршневой двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, аккумулятор электроэнергии, приводные электродвигатели и единую систему микропроцессорного управления.
Первый гибридный автомобиль современной концепции запустила в производство Toyota в декабре 1997 года. И если на конец марта 2002 года компанией было продано около 103 гибридных автомобилей, то в настоящее время общие объемы продаж автомобилей Toyota с гибридными двигателями превышают 120000 автомобилей. Модель Prius продается в более чем 20 странах мира. Компания Toyota начинает сборку гибридных автомобилей Prius на совместном предприятии в Китае. После удачного запуска в производство Prius производственная линия гибридных автомобилей Toyota значительно расширилась, пополнившись такими моделями как Estima Hybrid, которая появилась в июне 2001 года, версия седана Crown с гибридной СУ, появившегося следом за Estima Hybrid в августе. На сегодняшний день доля Toyota на мировом рынке гибридных автомобилей составляет 90%. Одной из последних разработок фирмы является Toyota CS&S, приводящаяся двумя двигателями. Задние колеса вращает бензиновый ДВС рабочим объемом 1,5 л, тогда как электродвигатель приводит в движение колеса передней оси. Toyota, твердо уверенная в огромном будущем гибридных СУ, планирует выпускать по 300000 автомобилей с гибридными СУ в год с 2005 года.
Второй крупный производитель гибридных автомобилей - Honda, выпустившая двухместный Insight и новую гибридную версию Civic, продала 13000 машин с 1999 года.
Интерес к данному типу силовых установок проявляет и Nissan. Согласно подписанному договору Nissan и Toyota будут сотрудничать на протяжении 10 лет, ведя совместные разработки автомобилей, работающих на бензине и аккумуляторах с тем, чтобы снизить себестоимость производства гибридных СУ, сократить время их сборки и, соответственно, увеличить количество таких автомобилей на рынке. Предполагается, что первый гибридный автомобиль Nissan появится в 2006 г.
Концептуальный автомобиль Mazda MX Sport Tourer обладает гибридной силовой установкой, состоящей из обычного бензинового ДВС и электродвигателя. Четырехцилиндровый бензиновый двигатель приводит в движение все колеса и работает совместно с бесступенчатым вариатором. В городе можно отключить бензиновый двигатель и воспользоваться 40-киловатным электромотором, что бы поберечь топливо и не загрязнять окружающую среду
Новое поколение автомобилей готовит к выпуску и известная американская компания General Motors. Они будут оснащены гибридными силовыми установками, содержащими, как обычный бензиновый двигатель, так и электромотор, переключающиеся в зависимости от условий езды. GM собирается установить гибридные СУ на марки Chevrolet Silverado. CMC Sierra, Tahoe и Yukon. Приобрести такой автомобиль станет реальным уже в 2007 году.
Фирма Ford заявили, что автомобиль Ford Focus с гибридным двигателем, использующим водородное топливо, будет запущен в производство в 2004 году.
Компания Hyundai также планирует выпускать гибридные автомобили марок Hyundai и Kia. Будут вложены дополнительные средства в разработку гибридных автомобилей, а так-
же уделено внимание материалам, более пригодным для вторичного использования.
В 2003 году президент Российской Федерации, выступая с докладом на международной конференция "Рост прибылей и устойчивое развитие бизнеса”, организованной журналом Economist в Москве, призвал сделать все, чтобы Россия стала мировым лидером в создании чистых автомобилей, работающих на водороде. Пока в России разработки гибридных автомобилей ведутся на базе предприятий АвтоВаз, ГАЗ и УАЗ. Так, генеральный директор ВАЗ заявил, что при разумном подходе и помощи со стороны государства к 2005 году объединение может выйти на реальные объемы в 500-600 тыс. гибридных автомобилей в год.
Основным фактором, привлекающим внимание конструкторов к созданию автомобилей с гибридными СУ, является снижение эксплуатационного расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработавшими газами. За последние полвека потребление топлива автомобилями снизилось примерно вдвое и продолжает сокращаться с каждым новым поколением. Уровень топливной экономичности современных автомобилей можно оценить по табл. 1.
Таблица 1
Средний эксплуатационный расход топлива современных автомобилей
Модель автомобиля, вид топлива Эксплуатационный расход, л/100 км Рабочий объем, см3 / мощность, кВт
Форд-Ка, АИ-95 5,9 1299/44
СЕАТ-Ароса, ДТ 4,6 1716/44
ФИАТ-Пунто, АИ-95 6,0 1242/44
Фольксваген-Поло, ДТ 5,0 1422/55
Ниссан-Алмера, АИ-95 6,5 1498/66
Мерседес-А160, ДТ 5,4 1689/44
Форд-Мондео, АИ-95 7,6 1798/92
Ауди-А4", ДТ 5,8 1896/96
"Хендэ-Соната", АИ-92 9,7 2493 / 118
"Опель-Омега", ДТ 6,9 2172/88
Ситроен-Пикассо", АИ-95 8,0 1587/70
Ситроен-Пикассо", ДТ 5,9 1997/66
Хонда-СЯ-У", АИ-95 9,3 1973 /108
"ВАЗ-2ПОЗ", АИ-95 8,5 (6,5) 1500/68,8
Данные по автомобилям с гибридными СУ дают следующие значения топливной экономичности. Так, General Motors заявляет о 30% снижении эксплуатационного расхода топлива подготавливаемыми к производству гибридными автомобилями. Компания Toyota, представляя серийный минивэн Estima с гибридной бензиново-электрической силовой установкой, утверждает, что благодаря ее использованию, экономичность автомобиля выросла на 180%, а токсичность выхлопа снизилась на 65%. Модель Honda Insight с трехцилиндровым бензиновым двигателем рабочим объемом 997 см3, работающим при постоянной частоте вращения коленчатого вала 1500 мин'1 (в зоне минимального удельного расхода топлива) чрезвычайно экономична. Расход топлива также снижается за счет того, что ДВС полностью отключается, когда выжимается сцепление или происходит переключение на первую передачу, а электродвигатель отдает батарее энергию торможения, подзаряжая ее. В результате в тесте показан расход топлива 40 литров на 1150 километров.
По данным американского агентства по защите окружающей среды первые две строчки в рейтинге наиболее экономичных автомобилей 2001 модельного года занимают автомобили с гибридными СУ Honda Insight (3,8/3,5 л/100 км в городе и на шоссе, соответственно) и Toyota Prius (4,5/4,2 л/100 км). Новая модель Prius, выпускаемая с осени 2003 года, как утверждается, будет на 50% мощнее предыдущей и на 15% эффективнее в использовании
топлива (заявлено, что автомобиль будет проезжать 36 км на литре бензина).
Известно, что энергия СУ при движении автомобиля по горизонтальной поверхности тратится на преодоление сопротивления качению, аэродинамические потери и ускорение. Городские условия движения характеризуются ограничением скоростного режима, согласно ПДД 60 км/ч, постоянными разгонами и торможениями и большой долей режимов холостого хода и частичных нагрузок. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что для равномерного движения автомобиля массой около тонны со скоростью 60 км/ч необходима мощность 4...8 кВт. Мощность 50.. 120 кВт, характерная для среднего европейского автомобиля, требуется только во время разгона и движения с повышенными скоростями за городом. На рис.1 представлены универсальные характеристики бензинового ДВС и дизеля рабочим объемом 1,6 л. Точками показаны характерные режимы при движении по городскому циклу (ЕСЕ Driving Cycle). Из графиков хорошо видно, насколько не оптимально расходуется топливо двигателями.
Смещение в область минимальных удельных расходов топлива может быть осуществлено при применении в гибридных СУ двигателей значительно меньшего рабочего объема. Компенсация потребной мощности при разгоне осуществляется за счет энергии аккумуляторных батарей. Так, концептуальный автомобиль Dodge ESX 3 с гибридной СУ, оснащенной дизелем 55, кВт имеет массу 1020 кг (полноразмерный седан длиной 4897 мм), разгоняется до 100 км/ч за 11 сек., за счет включения в работу экономичного электромотора с пиковой мощностью 22 кВт.
При создании гибридных силовых установок важную роль в повышении эксплуатационной топливной экономичности и снижении эмиссии вредных веществ с отработавшими газами играет выбор стратегии управления СУ. Управление во многом определяет эффективность циркуляции энергетических потоков внутри силовой установки: двигатель внутреннего сгорания -» генератор -* аккумулятор о мотор/генераторы, за счет работы всех компонентов в зонах с наивысшим КПД. Стратегия управления определяет емкость, а значит и массу аккумуляторной батареи, которая, естественно сказывается на эксплуатационном расходе топлива.
Современные тенденции развития мирового рынка батарей, представленные в табл.2, показывают значительный рост выпуска батарей для гибридных СУ с одновременным снижением их стоимости.
Ожидается, что свинцово-кислотные, щелочные, литиево-ионные и некоторые другие аккумуляторы в течение следующих 10 лет уступят место цинко-воздушным и литиевополимерным батареям, имеющим более высокие удельные показатели.
Оценить удельную энергоемкость различных аккумулирующих систем можно следующим образом. Так, маховик массой 100 кг среднего диаметра Dcp = 1 м, вращающийся с
частотой п = 25000 мин'1, обладает удельной энергией WK = 1 /30 • (тг • п ■ £>ср )2, т.е. около
1,7-106 Дж/кг. Литий-ионный аккумулятор Ut = 3,7 В при массе около /иа = 21 г имеет емкость, порядка, £а = 700 мА-ч, что соответствует удельной емкости = Ua ■ 3,600• Ellmi~ 0,44-106 Дж/кг. Оксидные конденсаторы, имея удельную емкость порядка Су = 0,1 Ф/кг при рабочем напряжении Ue = 350 В, запасают в электростатическом поле Ж =0,5 -Су -U] = 0,06-106 Дж энергии на 1 кг массы. Количество природного газа
при пересчете на метан удельной массой рь = 0,717 кг/м3 при нормальных условиях (р0 = 0,1 МПа) при его хранении на транспортном средстве в сжатом виде при давлении рь = 19,6 МПа в баллоне объемом Уь = 0,05 м3 составит тг = р0 ■ рь • Vb / р0 = 6,99 кг. Приняв низшую теплоту сгорания газа по метану Ни = 48,7-106 Дж/кг и массу баллона из легированной стали ть - 62,5 кг, имеем приведенное, с учетом массы баллонов, теплосодержание сжатого природного газа На = Ни -тг !{ть + тг) около 4,9-106 Дж/кг. Расчеты по водороду дают примерно в 8 раз меньшие значения удельной энергоемкости при хране
а.
Рис. 1. Удельный эффективный расход топлива двигателями легковых автомобилей [1]: щ - нагрузочно-скоростные режимы, соответствующие испытаниям по ЕСЕ циклу а - бензиновый двигатель с рабочим объемом 1,6 л, б - дизель с турбонаддувом с рабочим объемом 1,6 л нии его в сжатом виде, в связи с низкой удельной массой Н2. При использовании водородоаккумулирующих систем происходит связывание водорода металлами и интерметаллидами с образованием твердых гидридов, например, интерметаллидом Ьа№5, образующим гидрид Ьа№5Н6. Это позволяет поглощать до 0,5 м3 водорода на 1 кг носителя.
При удельной массе водорода рн = 0,0899 кг/м3 и теплоте сгорания Яц(Н) = 143-10б Дж/кг энергоемкость гидридных аккумуляторов составляет примерно 6,5-106 Дж/кг.
Следует отметить, что все создаваемые автомобили с гибридными СУ в настоящее время стоят значительно дороже автомобилей, оборудованных классическими СУ с ДВС. Однако существующие тенденции увеличения стоимости топлива, ужесточения норм на эмиссию выбросов вредных веществ с ОГ и применения новейших технологий в области электропривода, несомненно, приведут к повышению конкурентоспособности автомобилей с гибридными СУ.
Таблица 2
Тенденции развития мирового рынка батарей 2000 / 2010 гг.
Области Количество Объем продаж, Объем продаж, Стоимость
применения батарей кВт-ч тыс. $ Втч, $
Электромобили 340000 / 100000 50000 / 1500000 58000 / 900000 1,16/ 0,6
Гибридные СУ 5340000 / 1500000 40000 / 1800000 50000 / 1080000 1,19/ 0,6
Автомобильные 266020000 / 89380000 / 8258000 / 0,09/
батареи 271340400 109000000 9806000 0,09
ЛИТЕРАТУРА
1. Von Heitland Н., Rinne G., Wislocki К. Chncen hybrider Antriebssysteme im zukunftigen Strabenverkehr. - MTZ, 1994. - N 55. - P.94-101.
UDC 621.436.001
PROSPECTS of DEVELOPMENT the ENGINE of HYBRID AUTOMOBILES
S.V. Gusakov, Abdel Munim Musher Hashem
Departament of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University
Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
In article the estimation of a condition of manufacture of automobiles with hybrid power-plants in the world is resulted, advantages of this type of vehicles are shown and the basic problems of their creation are designated.
