Комбинированные силовые установки

Для российского человека комбинированная силовая установка, или как ее еще называют комбинированный привод, вот уже многие годы продолжает оставаться некоторой экзотикой, которой пресса кормит доверчивых читателей. Между тем и в Западной Европе, и в Штатах снабженные КСУ мотороллеры и легковые автомобили уже продаются, а рейсовые автобусы этого типа можно встретить на улицах городов. Разумеется, использование комбинированного привода не носит массового характера.

Вообще говоря, общепринятый подход к использованию альтернативных ДВС силовых установок кажется довольно странным. Все почему-то непременно хотят использовать их на автомобилях, и обязательно легковых. Но эта идея пока не находит массового отклика в сердцах покупателей. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что экономия топлива пока далеко не так велика, как это обещают расчеты, а стоимость машины заметно больше стоимости обычного автомобиля. Вместе с тем есть области, где применение КСУ выглядит более чем привлекательным. В первую очередь это относится к цеховому транспорту и мобильной погрузочной технике. Особенно, если в качестве накопителя энергии будет использоваться долговечное и нетоксичное устройство, например конденсаторное, а не традиционный аккумулятор. Уже то, что отпадут проблемы с обновлением батарей и утилизацией отработавших аккумуляторов и сокращение списка вредных производств на одну позицию (аккумуляторный цех), сулит солидную экономию.

Необходимые для подобных машин компоненты в нашей стране уже существуют, а недостающие могут быть быстро созданы. Правда, учитывая положение в отечественной экономике, для организации производства скорее всего все же потребуется государственная программа.

С каждым годом экологическая ситуация в городах, особенно крупных, ухудшается. Основными источниками загрязнения являются промышленные предприятия и транспорт. Значительная часть загрязнений приходится на транспортные средства, эксплуатируемые в городе.

Низкие динамические характеристики участвующих в дорожном движении машин, особенно грузовых автомобилей и автобусов, плохое состояние дорожного покрытия, отсутствие научно обоснованного подхода к организации движения ведут к снижению пропускной способности улиц и магистралей, снижению среднетехнической скорости до 12 – 20 км/ч (данные на 1997 год). Все это, конечно же, не способствует уменьшению выбросов вредных веществ.

К большому сожалению, в нашей стране до настоящего времени отсутствует законодательная, материальная и организационная база по экологизации хозяйственной деятельности. Отсутствует механизм стимулирования ресурсосбережения, внедрения экологически чистых технологий и сокращения отходов производства. Однако разработки отечественных ученых не только не уступают, но нередко и превосходят разработки зарубежных коллег.

В целом можно выделить три основных направления по уменьшению вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду. К сожалению, каждое из них не лишено некоторых недостатков.
Первое направление – установка на части автомобилей и автобусов каталитических нейтрализаторов отработавших газов, а также повышение мощности двигателей при одновременном снижении их токсичности за счет использования турбонаддува.

К сожалению, эти меры не в состоянии уменьшить расход топлива, снизить потребление воздуха, сократить энергетическое загрязнение окружающей среды, решить проблему пропускной способности улиц. Следует учесть и то обстоятельство, что нейтрализаторы очень чувствительны к качеству топлива и требовательны к техническому состоянию двигателя. И если теоретически эти устройства могут снизить содержание в отработавших газах вредных компонентов на 70 – 80%, то их реальная эффективность окажется несколько ниже.

Второе направление – перевод транспорта на более дешевые и менее токсичные топлива: бензин – дизельное топливо, дизтопливо – природный газ (водород). Данный шаг позволит приостановить ухудшение экологической ситуации, но не позволит полностью решить проблему.

Третье направление – активное внедрение транспортных средств с аккумуляторными батареями в качестве источника энергии. К сожалению, такие машины по своим эксплуатационным свойствам пока еще очень далеки от машин с двигателями внутреннего сгорания. Главная причина этого – аккумуляторная батарея.

Она имеет большую массу (порой превышающую 50% массы всего транспортного средства), высокую стоимость, соизмеримую со стоимостью всей машины, низкую удельную мощность, крайне ограниченный срок службы, требует значительного времени на подзарядку. Кроме того, ее рабочие характеристики существенно зависят от температуры окружающей среды. При этом общий КПД системы «электростанция – автомобиль» не превышает 10%.

С точки зрения экологии аккумуляторная батарея далеко не безобидна. Материалы, применяемые для их изготовления, токсичны, а само производство связано с большим выбросом вредных веществ в окружающую среду. По окончании срока службы возникают серьезные проблемы с утилизацией.

Перечисленные недостатки электромобилей делают понятным стремление разработчиков целого ряда всемирно известных фирм, а также научных организаций к соединению достоинств силовых установок с электрическим и тепловым двигателем. Оно достигается объединением в одной комбинированной силовой установке (КСУ) электромотора и ДВС.

Существуют две схемы исполнения КСУ:

– последовательная;

– параллельная.

При последовательной схеме ДВС приводит в действие генератор, который питает электромотор или отдает излишки энергии в накопитель, из которого она по мере надобности (например, для интенсивного разгона) извлекается.

При параллельной схеме ДВС и электрический мотор-генератор работают на общий выходной вал. При этом электрическая машина в зависимости от нагрузки или добавляет свою мощность к мощности ДВС, или вырабатывает энергию для зарядки энергоаккумулятора.

В последнее время все большей популярностью пользуется сочетание этих двух схем, в котором тепловой и электрический двигатели и генератор связаны между собой системой дифференциальных механизмов.

В процессе движения транспортное средство потребляет энергию крайне неравномерно. При разгоне расход энергии максимален. Большая ее часть тратится на преодоление сил инерции. При равномерном движении энергия расходуется на преодоление сопротивления качению и сопротивления воздуха. Движение накатом происходит за счет сил инерции. При торможении кинетическая энергия машины превращается в тепловую в тормозных механизмах и рассеивается. На остановках энергия не расходуется совсем. У обычного автомобиля двигатель работает во всех пяти случаях, при чем почти постоянно в изменяющемся режиме, крайне неблагоприятном и по расходу топлива, и по токсичности выхлопа, и по долговечности самого мотора.

Для определения расхода топлива автобусом с КСУ возьмем стандартный городской цикл движения (SAE j 227, «С»). Он включает в себя разгон с места до 48 км/ч в течение 18 с, равномерное движение с этой скоростью в течение 20 с, движение накатом, торможение и остановку, время которой составляет 25 с. Время цикла 80 с, средняя скорость 25 км/ч, проходимый путь – 540 метров.

Как показывают расчеты, для выполнения одного цикла автобусу ЛиАЗ-5256 требуется с учетом КПД трансмиссии 1600 кДж. Значит, именно такое количество энергии и должен вырабатывать ДВС. При удельном расходе топлива 200 г/кВтџч (дизель, стационарный режим) расход топлива составит 24,4 л/100 км; базовая норма расхода топлива для ЛиАЗ-5256 – 46 л/100 км пробега.

При этом работающий в стационарном режиме двигатель практически не загрязняет воздух, а энергоаккумулятору не требуется огромная емкость. Это позволяет отказаться от традиционных аккумуляторов в пользу накопителей другого типа, например, конденсаторных, намного более легких и со сроком службы, не меньшим, чем срок службы автобуса.

Применение КСУ на специализированном транспорте (цеховом, коммунальном, муниципальном) может существенно снизить расходы на его эксплуатацию.