В. Хортов, старший научный сотрудник
Современный автомобиль имеет достаточно мощный двигатель внутреннего сгорания, чтобы хорошо разогнать и придать высокую скорость машине. Однако ДВС потребляет много горючего. По прогнозам специалистов, в 2000 году на Земле будет курсировать 750 миллионов автомобилей, и расход топлива каждым составит в среднем 20 литров в сутки.
Двигатель автомобиля используется большей частью неэффективно — уровень мощности до необходимой величины снижается дросселированием в магистрали топливо-подачи, из-за чего и низкий «от роду» КПД двигателя еще падает вдвое. Плата за универсальность ДВС, то есть возможность манипулирования мощностью двигателя путем дросселирования, выражается в повышенных расходах топлива и загрязнении атмосферы вредными выбросами. А ведь езда по городу не требует высоких скоростей. В большинстве случаев они бывают ограничены сорока — шестьюдесятью км/ч. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям для движения автомобиля массой в одну тонну со скоростью 60 км/ч нужна мощность всего 5—10 л. с. Мощные же двигатели необходимы лишь для разгона и для скорости 130—150 км/ч, используемой не очень-то часто.
Можно ли на транспортное средство (ТС), в частности автомобиль городского типа, поставить ДВС мощностью на порядок меньше нынче применяемых, сохранив при этом высокие динамические качества (разгон)? Да. Но для этого надо оснастить автомобиль дополнительными узлами, которые будут накапливать лишнюю энергию, отдавая ее по мере необходимости.
Среди таких накопителей можно назвать устройства со сжатым газом, маховики, аккумуляторные батареи. Ближайшим прототипом предлагаемого нами транспортного средства будем считать «гибридные автомобили», которые движутся электрическим током. Вырабатывают ток генераторы переменного или постоянного тока, вращаемые двигателем внутреннего сгорания. Разгону машины помогают аккумуляторы, которые на время подключаются дополнительно, работают в паре с генератором. Однако аккумуляторная батарея создает неудобства в обслуживании автомобиля. Она громоздка и тяжела. На изготовление аккумуляторов идут дефицитные материалы, а характеристики прибора сильно зависят от температуры. К тому же аккумуляторы загрязняют окружающую среду.
В лаборатории перспективных разработок Московского автомеханического института вели экспериментальные и теоретические исследования, имевшие своею конечной целью добиться повышения динамических качеств автомобиля при значительно меньшей мощности ДВС, не прибегая к аккумуляторам; снизить расход горючего и уровень токсичности автомашин. Нами было предложено транспортное средство, не имеющее аналогов в мировой практике. В его составе — ДВС, состыкованный с ним генератор постоянного или переменного тока, тяговый электродвигатель, система управления ТС и емкостный накопитель энергии. Накопитель посредством блока управления подключают к тяговому двигателю при разгоне ТС, чтобы обеспечить ускорение (или торможение для заряда конденсаторов от кинетической энергии ТС).
Таким образом городской автомобиль с комбинированной энергоустановкой разгоняется за счет конденсаторов. Они способны отдать накопленную энергию куда большей мощности, чем аккумуляторы, ибо внутреннее сопротивление конденсаторов на порядок меньше такого же сопротивления аккумуляторов.
Кроме того, конденсаторы заряжаются за сколь угодно малое время, аккумуляторы же — в лучшем случае за несколько часов. Значит, городской автомобиль с такой энергоустановкой всегда готов к эксплуатации, что не присуще машинам, использующим аккумуляторы. При этом удельная мощность конденсаторов на много порядков выше аналогичных показателей других накопителей энергии, о чем говорит таблица.
Одна из блок-схем городского автомобиля будущего. По схеме ДВС значительно меньшей мощности, чем ДВС обычного автомобиля, вращает генератор электроэнергии. Она поступает в емкостный накопитель, а уж из него — в тяговый электродвигатель, которым вращаются колеса транспортного средства. Количество электроэнергии, необходимое для того или иного маневра ТС, регулируется электронными устройствами. При торможении тяговый электродвигатель работает в режиме генератора, отдавая анергию в конденсатор-накопитель для использования при последующем разгоне. Или для запуска двигателя после остановки. Теперь ДВС, который в новом типе автомобиля не связан с механической трансмиссией, можно размещать спереди, сзади и даже на прицепной тележке.
Показатели некоторых накопителей энергии
| Тип накопителя | Удельная мощность, Вт/г |
| Пружины Резина Сжатый газ Хим. аккумуляторы Маховики Индуктивный Емкостный (конденсатор) |
10 0,8 10 0,8—1,5 10 1000 100000 |
При торможении автомобиля энергия, накопленная движущейся массой, легко преобразуется электродвигателем обратно в электрическую и вновь используется для разгона (например, после светофора).
В качестве ДВС в установке можно использовать силовой агрегат мощностью всего 5—10 л. с. (Сравните это с мощностью ДВС «Волги», которая равна 95—105 л. с.) Работает он в режиме постоянных частот вращения, значит, его легко настроить на минимальный расход топлива либо на минимальную токсичность выхлопных газов. Но корректно ли сравнивать мощность подобного ДВС с мощностью двигателя «Волги»? Вполне. Дело ведь не только в мощности двигателя как таковой, а в отношении массы какого-либо ТС к мощности его двигателя. Подобное отношение для массовых автомобилей примерно одинаково и в среднем равно двадцати. Так, вес «Запорожца» 1,1 т, № дв=40 л. с., вес «Жигулей» (ВАЗ-2106)— 1,4 т. № дв=70 л. с., вес «Волги» (ГАЗ-24) — 1,8 т, № дв=95 л. с.
Автомобилю с такой энергоустановкой на базе конденсаторов не нужны коробка передач, муфта сцепления, педаль сцепления и карданный вал, поскольку ДВС не участвует в передаче механического вращающего момента на колеса в электротрансмиссиях. Здесь двигателем ВС вращается вал генератора, а последний передает электроэнергию непосредственно или через конденсатор-накопитель тяговому электродвигателю, которым вращаются колеса машины.
С помощью конденсаторов автомобиль разгоняется до скорости 60 км/ч за 10—12 с. Есть и другие преимущества нового ТС в сравнении с традиционным: мощность его ДВС в 3—4 раза меньше; во столько же раз меньше расход горючего; при торможении энергия рекуперируется; тормоза не изнашиваются. Энергоустановка, как было указано, не имеет механической связи с трансмиссией автомобиля, ее можно расположить в любом месте ТС и даже вне его. Например, на прицепе. Эту установку легко снять и использовать как источник электроэнергии для любых целей. Износ ДВС снижается, а моторесурс повышается за счет постоянной частоты вращения.
Специальный автомобильный генератор здесь не нужен, так как есть более мощный источник энергии — он по-новому решает проблему электроснабжения ТС. Не нужен и электростартер, ибо пуск ДВС идет со стороны генератора (ведь электромашины обратимы и генератор может быть электродвигателем).
Энергоемкие аккумуляторы тоже не нужны — пуск осуществляется все теми же конденсаторами.
Отпадает необходимость и во вспомогательных устройствах системы пуска, таких, как тяговое реле, коммутационная аппаратура. Нет нужды в маховике и зубчатом венце двигателя, так как роль маховика выполняет якорь генератора. Не нужны сложные системы зажигания, так как резко меняется характер работы ДВС в установке.
Можно будет использовать даже газотурбинные ДВС с частотой вращения, скажем, 30 тыс. об/мин, так как не потребуется глубоко редуцировать обороты двигателя, который теперь напрямую связан с генератором. Кстати, газотурбинные двигатели куда менее токсичны, чем ДВС, особенно по окиси углерода — СО.
Подобная энергоустановка на городском транспорте резко улучшит экологическую обстановку в городах — ведь 75% загрязнения воздуха приходится на выхлопные газы ДВС.
Потребление топлива двигателями снизится, а это уменьшит число АЗС в городах. Значит, уменьшится количество и очагов загрязнения, и очагов повышенной пожароопасности.
Но и этим не исчерпываются преимущества подобных транспортных средств. На автомобильных и двигательных заводах станут ненужными цехи, где производят коробки передач. А ведь оборудование там дорогое.
Сократится объем производства автомобильных генераторов и электростартеров. Управление автомобилем упростится, условия эксплуатации его улучшатся.
Ремонт энергетических установок станет более удобным, поскольку они будут съемными. Словом, преимуществ не счесть. Однако насколько они реальны? В Московском автомеханическом институте создан первый в мире лабораторный образец транспортного средства с комбинированной энергоустановкой на базе емкостных накопителей энергии — конденсаторов. Исследования показали, что комбинированная энергоустановка эффективно осуществляет ускорение транспортного средства при относительно небольшой массе конденсаторов.
Так, лабораторный автомобиль массой 300 кг разгоняется до 40 км/ч за несколько секунд при массе конденсаторов 5—10 кг. Мощность ДВС составляет при этом 1 л. с., мощность же тягового двигателя и генератора — всего 500 Вт! Настала пора использовать разработку на серийном автомобиле, для чего потребуется несколько автомашин. То есть предметов, которые можно причислить к эталонам дефицита и инфляции на нашем отечественном смутном рынке.
