Коммерческий транспорт гибридного типа (ч. 1)

Мировая автомобильная промышленность остро ощущает давление двух современных тенденций – постоянно растет стоимость топлива и ужесточаются экологические требования к отработавшим газам (ОГ) двигателей. Эти мощные тренды породили безостановочный рост цен на нефть и надвигающаяся угроза изменения климата планеты, то есть глобального потепления. В этой связи все автопроизводители, за исключением разве что российских, начали активно искать решение экологических и экономических проблем – как сделать эффективное транспортное средство, которое в идеале не сжигало бы дорогое ископаемое топливо и, следовательно, не загрязняло окружающую среду.

Двигатели, работающие на альтернативных видах топлива
За последние несколько лет возникли такие направления этих поисков, как ДВС, работающие на альтернативных видах топлива, различные гибридные системы, водородные двигатели и электроприводы. Двигатели, работающие на разных видах биотоплива, это тот же доведенный до совершенства ДВС, только предназначенный для работы на сжиженном натуральном газе или этаноле (транспортный спирт), или биодизель. Да, казалось бы, этот путь альтернатива ископаемому топливу, но по сути проблема этим не решается, так как дополнительно к биотопливу нужно использовать ископаемые нефтепродукты. Токсичные составляющие в ОГ также остаются, а вопрос глобального дефицита продовольствия из-за «утекания» пищевых продуктов в баки транспортников может поставить крест на массовом распространении этанола и биодизеля.
Без сомнений, водородные топливные элементы и электрические аккумуляторные батареи большой емкости станут основными источниками энергии для дорожного транспорта XXI века, поскольку и водород, и электроэнергия как вид автомобильного топлива абсолютно не загрязняют окружающую среду и в то же время относятся к возобновляемым источникам энергии. Но проблемы экономически эффективного производства и трудности хранения в настоящее время затормозили «водородную» технологию на стадии нескольких опытных образцов и стендов, демонстрирующих суть технологии. Скорее всего, развитие этого «правильного» автомобильного направления можно прогнозировать лишь на долгосрочную перспективу, не раньше 2025 года.
Отмечая неоспоримые преимущества электромобилей и даже их нарастающий сегодня выпуск, надо сказать о ряде присущих им недостатков: это высокая цена – примерно вдвое выше, чем дизельного аналога, необходимость длительного заряда аккумуляторов – более 8 часов, это и большая масса блока АКБ – около 500 кг, уменьшающая полезную нагрузку машины, а также недостаточная дальность пробега – до 200 км, недоступность использования существующей сети заправочных станций и сравнительно небольшое число циклов перезарядки аккумулятора – около тысячи.
Поэтому в ближайшей перспективе дорожный транспорт в ожидании «водорода» или «суперэлектронакопителя», скорее всего, переживет «автогибридную» революцию. Именно о гибридных транспортных средствах я постараюсь рассказать поподробнее.

Что же это такое – гибридный автомобиль?
Гибридный автомобиль – это транспортное средство, оснащенное современным экологически чистым дизельным или бензиновым двигателем, электродвигателем-генератором небольшой мощности, автоматизированной коробкой передач и достаточно большим блоком аккумуляторных батарей. Такой набор узлов присущ только автомобилю с параллельной электрогибридной силовой установкой. Это означает, что транспортное средство может приводиться в действие отдельно от автомобильного ДВС или от одного электродвигателя, или от обеих силовых установок одновременно .
Уже давно разработан и производится последовательный электрогибридный привод, то есть когда двигатель соединяется с электрогенератором, а вместо механической коробки передач и системы карданных валов используются электрические провода и мотор-колеса. Эта идея реализована в конструкциях железнодорожных локомотивов и большегрузных карьерных самосвалов. Применение последовательной гибридной схемы обусловлено огромными сложностями при передаче механическим путем очень большого крутящего момента на приводные колеса мощного транспортного средства .
Схема работы автомобиля с параллельным гибридным приводом аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь из-за включения в нее очень высокотехнологичного узла – электродвигателя с функцией генератора, который монтируют между сцеплением и автоматизированной коробкой передач, а также наличия блока аккумуляторных батарей, но в отличие от электромобиля меньшей емкости и, следовательно, более легких.

Как он работает
Электроника без участия водителя включает электродвигатель либо ДВС, либо обе установки в зависимости от вида движения. В момент начала движения и ускорения дизель и электродвигатель одновременно разгоняют транспортное средство. Во время хода автомобиля с эксплуатационной скоростью его приводит в движение только дизельный или электродвигатель. Благодаря использованию автоматической коробки передач в автомобиле отсутствует педаль сцепления. Трансмиссия плавно переключает передачи, а значит водитель меньше устает и повышается безопасность движения. При торможении электродвигатель переключается в режим генератора и преобразует в электричество энергию вращения ведущих колес. Во время остановки в транспортном потоке бортовой компьютер гибридомобиля своевременно отключит ДВС, а после начала движения не станет его запускать, если не потребуется полная мощность, то есть поездка продолжится на одном электродвигателе, который начнет потреблять энергию из аккумуляторных батарей.
Важно отметить, что у «параллельных» по сравнению с последовательными гибридами двигатель внутреннего сгорания работает в самом экономичном режиме и не так часто на пиковой мощности, особенно при движении по городу, тогда как в последовательных гибридах транспортное средство всегда приводится в действие с помощью электротрансмиссии. То есть ДВС постоянно работает на максимальной мощности для преобразования кинетической энергии вращения двигателя в электрическую.

Зачем создали гибридомобиль?
Главной причиной начала производства гибридных автомобилей стал спрос потребителей на подобные автотранспортные средства, вызванный высокими ценами на топливо и постоянным повышением требований к экологичности машин. Первым автопроизводителем легкового гибридомобиля стала японская корпорация Toyota – она начала это направление с 1997 года.
Сейчас в США спрос на комбинированные машины так велик, что покупатели должны несколько месяцев ожидать свой заказ из Японии. Массовое производство гибридных легковых автомобилей пока сдерживается дефицитом никель-металлгидридных аккумуляторов. Возможно, что вскоре эта проблема будет решена, так как корпорация Toyota уже объявила о намерении к 2009 г. увеличить объемы выпуска гибридных легковых автомобилей до 300 тысяч в год, а к 2012 году вообще перейти исключительно на выпуск легковых гибридомобилей.
При создании гибридного коммерческого автомобиля конструкторам пришлось искать непростые решения, чтобы сохранить параметры обычного грузовика: мощность, скорость, приемистость, грузоподъемность и полезный объем. Их реализация стала возможна только в современных условиях высокотехнологичного производства с применением мощных бортовых компьютеров. Первый гибридный дизель-электрический легкий армейский грузовик выпустила корпорация GM в 2003 году. Годом позже в Европе появился гибридный Mercedes-Benz (Sprinter). В том же в 2004-м американские корпорации International Truck and Engine Corp. и Eaton Corp. выпустили совместно коммунальный грузовик с гибридным приводом. Первым японским коммерческим гибридом в середине 2005 года стал Isuzu Elf Diesel Hybrid Truck.

Преимущества
Главным преимуществом гибридомобиля является сравнительно низкий расход топлива. Вот несколько примеров. Когда компания Coca-Cola приобретала в 2007 г. 120 грузовых автомобилей Kenworth , оснащенных гибридными приводами Eaton, автотранспортники провели предварительные испытания нескольких машин. В итоге они получили 37% экономию топлива и 32%-ное сокращение эмиссии ОГ по сравнению с дизельными грузовиками аналогичной грузоподъемности. Гибридная установка грузовика Kenworth состояла из 4,5-литрового дизеля PACCAR FR (Euro 5) мощностью 136 кВт и 6-ступенчатой компьютеризированной трансмиссии Eaton Fuller UltraShift.
Японский грузовик Hino Dutro Hybrid 125 полной разрешенной массой 6500 кг оснащается 4-литровым турбодизельным двигателем мощностью 110 кВт, электродвигателем-генератором переменного тока мощностью 23 кВт, автоматизированной 6-ступенчатой трансмиссией Eaton и блоком никель-металлгидридных АКБ. Для демонстрации технических возможностей Hino 125 был организован 24-часовой марафон. В ходе испытательного пробега машина с 500-килограммовым грузом проехала расстояние 512 км по улицам старой части города, сделав 2349 остановок на светофорах. Средний расход топлива составил 10,9 л/ 100 км.
Развозной автомобиль Mitsubishi Canter Eco Hybrid достиг 30%-ной экономии топлива при эксплуатации по сравнению с аналогичным дизельным конкурентом. А уровни содержания сажи и NOx в ОГ снизились на 46% и 41% соответственно. Этот 3-тонный «японец» оснащается 3-литровым турбодизелем мощностью 92 кВт. Дизель соединен с электродвигателем мощностью 35 кВт и автоматизированной трансмиссией Mitsubishi Fuso Inomat II .
По опыту других компаний у гибридного среднетоннажного автомобиля экономия топлива может достигать 30% при движении на пригородных маршрутах и до 50% на развозной работе по городу.
Надо отметить уникальную способность гибридного автомобиля не терять понапрасну энергию торможения, а рекуперировать ее. То есть в гибридомобиле устранен существенный недостаток транспортного средства с ДВС – невозможность трансформации энергии торможения в энергию движения. В качестве накопителя применяются литиево-ионные аккумуляторы достаточной емкости или специальные конденсаторы. Помимо явных экономичных достоинств эта «гибридная» способность дает автовладельцам дополнительные «мелкие радости» в виде уменьшенного износа тормозных колодок.
Очень актуально сегодня уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами, что стало прямым следствием снижения расхода топлива у гибридомобилей. А при работе на электроприводе эмиссия вообще нулевая, это имеет неоценимое значение для больших городов, в том числе в России. Как показывает опыт эксплуатации, в городе гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля.
Наличие двигателей двух типов позволяет отказаться от установки одного мощного двигателя, рассчитанного исходя из пиковых нагрузок эксплуатации транспортного средства. Когда гибридомобилю потребуется максимальная мощность, в работу одновременно включаются ДВС и электромотор. Это позволяет установить менее мощный ДВС, работающий большую часть времени в экономичном режиме.
Сокращение числа заездов на АЗС благодаря меньшему расходу топлива позволяет сэкономить около трети рабочего времени.
И последнее, пусть и небольшое преимущество гибридомобиля – это заправка углеводородным топливом. У электротранспортных средств остается один существенный недостаток – необходимость длительного заряда аккумуляторов. Процесс этот долгий, и к тому же требует специально подготовленного пункта зарядки. Электромобиль пока непригоден для длительных междугородных поездок. У гибридного автомобиля этого недостатка нет.

(Окончание следует)