Повышение экологической безопасности транспортных потоков за счет создания и эксплуатации автомобилей с комбинированными энергосиловыми установками

Известно, что в крупных городах и мегаполисах России доля автомобильного транспорта от суммарного экологического ущерба, наносимого транспортно-дорожным комплексом, составляет примерно 80 %. В настоящее время разработаны различные методики оценки уровня воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду. Например, методики расчета выбросов токсичных веществ и шумового загрязнения в зависимости от средней скорости транспортного потока, которая в свою очередь зависит от дорожных, природно-климатических и других условий [1]. Теория транспортных потоков развивается довольно интенсивно и это развитие связано в основном с оценкой экологической безопасности, с улучшением системы управления движением и улучшением дорожных условий эксплуатации. Но очевидно и другое – невозможно обеспечить высокие показатели по экологии транспортных потоков, если участники этих потоков (транспортные средства) не отличаются высокой экологичностью.

При этом следует отметить, что величина выбросов токсичных веществ для конкретного качества топлива и конструктивных особенностей заданного исправного двигателя в основном зависит от количества израсходованного топлива, нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя. Следовательно, уменьшение расходов топлива и обеспечение работы двигателя на более легких режимах за счет конструктивных мероприятий по отношению к транспортной машине является одним из направлений уменьшения негативного влияния транспортных потоков на окружающую среду наряду с методами, перечисленными выше.

Работы по созданию автомобиля с высокими показателями экологичности начаты давно и ведутся по различным направлениям, одним из которых является разработка электромобиля. Чистый электромобиль не может конкурировать с автомобилем, силовой установкой которого служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС), по величине пробега на одной заправке из-за отсутствия в настоящее время накопителей энергии с высокими удельными характеристиками. Учитывая этот факт и отсутствие каких либо значительных перспектив по данному направлению в электротехнической промышленности мира, а также особенности эксплуатации автомобильного парка, желание потребителя иметь достаточную автономность движения за пределами городов, т.е. возможность удаления на значительные расстояния от мест подзарядки накопителей электрической энергии, низкий уровень развития сервисной службы по электротехнической части автомобиля, целесообразно вести работы по созданию экологически чистого экономичного автомобиля в направлении создания электромобиля с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ), состоящей из ДВС, электродвигателя (ЭД) и накопителя электрической энергии. Такие автомобили за рубежом обычно называют гибридными. В настоящее время по данному направлению работают практически все ведущие автомобильные фирмы мира. Безусловным лидером создания такого типа автомобиля является японская фирма Toyota Motor с автомобилем Toyota Prius [2], серийный выпуск которого начат в 2001 г.

Эксплуатация такого типа автомобилей позволит на практике значительно улучшить топливную экономичность, экологичность, уменьшить уровень шума выпускаемых легковых автомобилей, а, следовательно, повысить экологическую безопасность транспортных потоков.

Крутящий момент от КЭУ к ведущим колесам электромобиля конструктивно можно передавать различными способами. По опубликованным источникам в настоящее время наиболее распространенной конструкцией является последовательное соединение: ДВС - генератор - ЭД - ведущие колеса. При этом в качестве накопителей энергии используются аккумуляторные батареи, на которые поступает избыток энергии ДВС и энергия электромобиля при торможении и замедлении (рекуперация энергии). Электрическая энергия, поступающая в накопитель, вырабатывается генератором, вращаемым ДВС. При необходимости энергия с накопителя поступает на ЭД.

Наряду с преимуществами данной конструктивной схемы (малый диапазон работы ДВС на экономичных режимах) она имеет следующие недостатки. При передаче всей энергии от ДВС на ведущие колеса электромобиля происходит трехкратное и более преобразование ее. Одна часть тепловой энергии преобразуется в электрическую энергию, а затем в механическую. Вторая часть энергии преобразуется дополнительно из электрической энергии в химическую и вновь в электрическую. Очевидно, что каждое преобразование энергии сопровождается ее потерями.

Известна другая конструктивная схема реализации КЭУ, которая позволяет получить более высокие показатели по топливной экономичности: параллельная работа ЭД и ДВС, работающего в режиме генератора или двигателя в зависимости от условий движения электромобиля. Эксплуатационные возможности и надежность этой конструктивной схемы выше. В этом случае возможно движение, во-первых, только при работе ДВС; во-вторых, только при работе ЭД (энергия от накопителя электрической энергии); в-третьих, при совместной работе ДВС и ЭД.

В последней конструктивной схеме можно использовать преимущества каждого из типов двигателей КЭУ для компенсации недостатков другого типа двигателя. ДВС имеет необходимые мощности на высоких частотах вращения коленчатого вала для движения с большими скоростями, но обладает плохой динамикой разгона электромобиля. ЭД позволяет компенсировать этот недостаток за счет реализации высоких крутящих моментов на малых частотах вращения вала. Поэтому необходимую дополнительную энергию при разгоне электромобиля можно получать от накопителя энергии через ЭД, а продолжать движение с установившимися и близкими к ним скоростями (при малых ускорениях) только на ДВС. В этом случае отпадает необходимость многократного преобразования большей части энергии и предоставляется возможность использовать экономичные менее мощные и материалоемкие ДВС, ЭД и преобразователь электрической энергии для получения хорошей динамики разгона электромобиля.

По проблемам создания легкового автомобиля с КЭУ в России выполнен большой объем исследований в Ижевском государственном техническом университете совместно с ОАО "Ижевский автомобильный завод". Результаты научно-исследовательских работ отражены в ряде отчетов [3, 4, 5 и др.]. Основные эксплуатационные показатели экспериментального образца автомобиля, оборудованного КЭУ: повышение топливной экономичности примерно на 25-31 % в сравнении с базовой моделью автомобиля ИЖ-2126, оборудованного серийным двигателем, при одновременном уменьшении выбросов токсичных веществ на 30-40 %. Отметим, что в качестве носителя КЭУ взят без каких либо доработок автомобиль ИЖ-2126.

Наряду с достаточно хорошими результатами, полученными на экспериментальных образцах автомобилей, проведенные работы по созданию КЭУ позволили выявить ряд проблем, которые необходимо решить при доведении разработанных конструкций до серийного производства:

- создание (проектирование, конструирование, разработка технологической оснастки и производство) специального эффективного ЭД переменного тока, предназначенного для работы в составе КЭУ автомобилей, т.к. в настоящее время подобные ЭД в нашей стране не производятся;

- создание элементной базы и специализированных фирм по разработке и производству электронных систем управления работой КЭУ в составе автомобиля;

- разработка и организация производства более эффективных накопителей электрической энергии в электрохимической промышленности, подобных накопителям, используемым иностранными фирмами, например, никель-гидридные, никель-кадмиевые аккумуляторные батареи и т.п.;

- разработка специальной конструкции автомобиля, оборудованного КЭУ: кузов, шасси, электрооборудование и др.;

- создание специального маломощного экономичного двигателя с расчетными мощностными параметрами и характеристиками;

- привлечение государственных органов для координации в рамках страны и поддержки данного перспективного направления (такая поддержка осуществляется во многих странах, например, Япония, США и др.) для нашей страны – создание экономичных малотоксичных комбинированных энергосиловых установок.

Дальнейшее совершенствование конструкций разработанных КЭУ может вестись в направлении отказа от используемой в трансмиссии коробки передач с ручным управлением и перехода на схему без коробки передач за счет применения, например, планетарного согласующего редуктора. Это обеспечит не только дополнительное улучшение (в сравнении с разработанными ранее КЭУ) экологических показателей автомобиля и снижение расхода топлива по расчетным данным на 7-9 % за счет возможности реализации работы теплового двигателя на более экономичных режимах, но и облегчит управление автомобилем и повысит безопасность его движения, т.к. отпадает необходимость манипулировать в процессе движения рычагом переключения передач и педалью муфты сцепления.

В настоящее время исследования по данному перспективному направлению проводятся в соответствии с разделом "Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки" программы Министерства образования и науки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)"