ГИБРИДНЫЕ АВТОМОБИЛИ

Очевидным способом преодолеть ограниченный запас хода аккумуляторных электромоби­ лей является использование небольшого ДВС и электрического генератора для подзарядки аккумуляторных батарей во время движения. Рабочий объем ДВС может быть выбран из не­ обходимости получения средней мощности, требующейся автомобилю, а не максимальной, нужной для ускорения. При этом ДВС большую часть времени может работать в режиме наилучшей экономичности и токсичности отработавших газов (или даже на время выклю­ чаться). Для обеспечения необходимой эффективности разгона может одновременно использоваться энергия от аккумуляторных батарей и ДВС.

В действительности гибридные автомобили могут быть разделены на два класса: последо­ вательный гибрид, в котором вся энергия переводится в электричество, и параллельный гибрид (рис. 8.5), в котором ДВС соединяется с ведущими колесами механически через трансмиссию, а поток электроэнергии передается параллельно. Последовательный тип дает конструктору ав­ томобиля наибольший выбор компоновки, потому что все соединения (за исключением привода от тягового двигателя к ведущим колесам) — электрические, каждый узел может быть разме­ щен в любом месте автомобиля и с наибольшим удобством. С другой стороны, при параллель­ ном типе может использоваться более легкий и малогабаритный электродвигатель. В последо­ вательном гибриде электродвигатель должен развивать полную движущую силу, в то время как

Рис. 8.5. Автомобиль компании DaimlerChrysler выполнен по схеме параллельного «гиб­ рида»:1 — ДВС (шестицилиндровый); 2 — электродвигатель № 1; 3 — сцепление; 4 — элек­ тродвигатель № 2; 5 — автоматическая коробка передач

в параллельном гибриде он нужен для обеспечения только 30 % этой силы. Гибридный автомо­ биль включает в себя двигатель внутреннего сгорания и электропривод для оптимального ис­ пользования энергии. Механическая энергия торможения преобразуется в электрическую и на­ капливается в аккумуляторной батарее. ДВС работает при наиболее эффективных скоростях и нагрузках. Фирма Nissan продемонстрировала этот гибридный привод в 1999 г. (рис. 8.6).

В течение долгого времени отношение к гибридному автомобилю определялось стоимостью приме­ нения вместо одной — двух силовых установок: ДВС и электродвигателя, а это означало, что такой автомобиль всегда будет дороже, чем его конкуренты. Совсем недавно проведенный детальный анализ показал, что гибридный автомобиль может быть конкурентоспособным, когда более высо­

кая стоимость компенсируется лучшей эконо­ мичностью и низкими вредными выбросами, ко­ торые являются результатом действия системы управления энергией, заключающейся в ее гиб­ кости и способности запасать, регенериро­ вать и сохранять энергию, которая теряется в обычных ДВС (рис. 8.7). Эти новые подходы привели к созданию фирмами Toyota и Honda гибридных автомобилей моделей Toyota Prius и Insight. Шасси гибридного автомобиля Toyota HV-M4 включает в себя адаптированный бензи­ новый силовой агрегат объемом 2,4 л, который расположен поперечно спереди. Наиболее оче­

Рис. 8.6. Гибридный автомобиль:1 — син­ хронный электродвигатель с постоянными магнитами; 2 — преобразователь; 3 — ионно- литиевый аккумулятор; 4 — вариатор CVT;

5 — электродвигатель; 6 — сцепление; 7 — двигатель OG 18DE

видными новшествами являются: смонтиро­ ванный сзади электродвигатель (с приводом на задние колеса) и батарея аккумуляторов, уста­ новленная выше. По утверждению фирмы Toyota, в 2003 г. автомобили Toyota Prius начали приносить прибыль фирме от их продажи.

Toyota HV-M4Рис. 8.8. Гибридный автомобиль Ford

Гибридный автомобиль Honda Insight представляет собой легковой автомобиль с двухмест­ ным кузовом купе и с гибридной силовой установкой. Силовой узел интегрирован так же, как и на автомобиле Toyota Prius, с использованием концепции Honda (IMA). Используется трехци­ линдровый, 12-клапанный, однолитровый двигатель с электродвигателем-генератором, кото­ рый расположен между двигателем и пятиступенчатой механической коробкой передач. Двига­ тель автомобиля Insight имеет мощность 68 л. с. и максимальный крутящий момент 91 Н-м при 4 800 мин"1. При полном использовании электродвигателя мощность в среднем поднимается до 76 л. с, а максимальный крутящий момент увеличивается до 113 Н-м всего при 1 500 мин*1, что показывает преимущество электродвигателя, который развивает максимальные крутящие моменты при низких оборотах. Эти цифры указывают также на то, что автомобиль Insight явля­ ется гибридом в меньшей степени, чем Toyota Prius — ДВС и электродвигатель сбалансированы в большей степени. Гибридный автомобиль Insight отличается от тех гибридных автомоби­ лей, которые демонстрировались в конце 90-х гг. компаниями Citroen и FIAT, и каждый из ко­ торых был в большей степени электромобилем с небольшим ДВС и генераторами, которые заменили аккумуляторы. При разряженных аккумуляторах и двигателе, работающем в мало­ мощном режиме, эти автомобили могли двигаться со скоростью не более 50 км/ч. В таких слу­ чаях ДВС использовался только как автономный источник электричества, увеличивая возмож­ ное расстояние от зарядной станции. В настоящее время многие автомобильные компании (Volvo, Ford, FIAT, GMC и др.) имеют свои опытные варианты гибридных автомобилей (рис. 8.8).

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливный элемент — это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В ре­ зультате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. Топлив­ ный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию.

Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува, который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива — водород, который соединялся с кислородом в среде окис­ лителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.

В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим си­ стемам для преобразования энергии (включая газовую турбину на электростанциях) ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. Двигатели внут­ реннего сгорания сжигают топливо и используют давление, созданное расширением вы-

деляющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энер­ гию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Карно доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энер­ гией сгорающего топлива) в механическую выше 50 %. Топливный элемент не имеет дви­ жущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50 %, КПД и особенно эффектив­ ны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных ус­ ловиях движения.

Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряже­ ния, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле. Имеются несколько типов топ­ ливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для примене­ ния их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.

Щелочной топливный элемент — это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водоро­ да и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, ско­ рее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стацио­ нарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффек­ тивными для использования в автомобилях.

Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генера­ торов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или насе­ ленные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °С). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но. с дру­ гой стороны, имеется преимущество — пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.

Одна из наиболее многообещающих систем — протонно-обменный мембранный топливный элемент — ПОМТЭ (PEMFC — Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.

В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водо­ рода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топлив­ ных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящи­ еся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положи­ тельный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как по­ бочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента — водяной пар (рис. 8.9).

Электричество, произведенное топливны­ ми элементами, может использоваться в элек­ трической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асин­ хронного двигателя переменного тока) для по­ лучения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразова­ теля электроэнергии заключается в преобра­ зовании постоянного электрического тока, произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяго­ вый электродвигатель транспортного средства.

Протонно-обменная мембрана топлив­ ного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента (рис. 8.10).

Сначала рассмотрим, как устроен топ­ ливный элемент.

Анод, отрицательный полюс топливной ячей­ ки (рис. 8.11), проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем элек­ трическом контуре (цепи). Для этого в нем гра­ вируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализа­ тора. Катод (положительный полюс топлив­ ной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверх­ ности катализатора. Он также проводит элек­ троны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с обра­ зованием воды. Электролит — протонно- обменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но облада­ ющий способностью пропускать положитель­ но заряженные ионы и блокировать проход электронов.

Катализатор — специальный материал, который облегчает реакцию между кисло­ родом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеро­ дистую бумагу или ткань. Катализатор дол­ жен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембра­ ной (ПОМ).

Рис. 8.9. Химические процессы в топлив­ ном элементе

Рис.8.10. Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембра­ ной:1 — анод; 2 — протонно-обменная мембрана (РЕМ); 3 — катализатор (крас­ ный); 4 — катод

Рис. 8.11. Отдельная ячейка топливного элемента

Газообразный водород (Н2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула Н2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (Н+) и два электрона (е~). Электроны проводятся через анод, где они про­ ходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в дейст­ вие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.

Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (02) про­ давливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих ато­ мов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов Н+через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внеш­ него контура (цепи) с образованием молекулы воды (Н20).

Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много от­ дельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов.

Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.

На протяжении последних лет большинст­ во из ведущих мировых производителей авто­ мобилей (DaimlerChrysler, GM, Ford, Honda, Toyota и др.) инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, ис­ пользующих топливные элементы. К 1999 г. многие из производителей автомобилей про­ демонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощност- ными и динамическими характеристиками, хо­ тя они имели довольно высокую стоимость. Совершенствование конструкций таких авто­ мобилей происходит очень интенсивно.

Рис. 8.12. Автомобиль на топливных эле­ ментах производства DaimlerChrysler из­ готовлен на базе Mercedes А-класса, ис­ пользует силовую установку, располо­ женную под полом автомобиля

Рис. 8.13. Автомобиль Honda FCX исполь­ зует для движения электрическую энер­ гию, получаемую с помощью топливных элементов

Компания DaimlerChrysler в 1994 г. впер­ вые представила микроавтобус NECAR I на топливных элементах, в котором оставалось место только для водителя, а все остальное пространство занимал экспериментальный силовой узел. Другой автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes- Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами располо­ жена под полом автомобиля (рис. 8.12).

Такое конструктивное решение дает воз­ можность разместить в салоне автомобиля че­ тырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топ­ лива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (уст­ ройства, перерабатывающего метанол в водо­ род), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование

Рис. 8.14. Концептуальный автомобиль Ну Wire компании General Motors имеет сило­ вую установку на топливных элементах

реформера на борту автомобиля дает возмож­ ность использовать в качестве топлива практи­ чески любые углеводороды, что позволяет за­ правлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теорети­ чески топливные элементы не производят ниче­ го, кроме электричества и воды. Преобразова­ ние топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, не­ сколько снижает экологическую привлекатель­ ность такого автомобиля. Альтернатива заклю­ чается в использовании в автомобиле сжатого или сжиженного водорода, но в этом случае за­ правка автомобиля не настолько удобна, и, хотя в некоторых странах (США, Япония, Германия) уже существуют водородные заправки, их явно недостаточно для широкого распространения водородных автомобилей. Рано или поздно на­ ступит момент, когда бензин станет очень доро­ гим, а основные запасы нефти исчерпаются. Кроме того, использование бензина мало по­ может в решении проблемы с выбросами С02. Использование водорода может сделать систе­ му на топливных элементах гораздо проще, но потребует решения огромных проблем в связи с хранением топлива, его передачи и распреде­ ления, а также выполнения строгих мер по безо­ пасности.

Компания Honda, которая занимается топ­ ливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей

Honda FCX-V4 с протонно-обменными топлив- Рис. 8.15. Шасси автомобиля Ну Wire

ными элементами мембранного типа фирмы

Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для приво­ да ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим мо­ ментом 272 Н-м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традици­ онной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную дина­ мику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.

Рис. 8.16. Компания BMW совместно с фир­ мой Magna Steyer разработала конструк­ цию "безопасного» топливного бака для сжиженного водорода:1 — заправочное устройство; 2 — наружный бак; 3 — опоры;

4 — датчик уровня; 5 — внутренний бак; 6 — заправочная линия; 7 — изоляция и ваку­ ум; 8 — нагреватель; 9 — крепежная коробка

Рис. 8.17. Испытания на безопасность ав­ томобиля BMW 750 hL по существующим методикам подтвердили безопасность ис­ пользования топливного бака с жидким водородом

Рис.8.18. BMW 750 hL — первый в мире серийный автомобиль с топливным эле­ ментом вместо аккумуляторной батареи

Автомобиль Honda FCX — первый в мире ав­ томобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нор­ мам ZEV — Zero Emission Vehicle (автомо­ биль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти ав­ томобили, а передает порядка 30 автомоби­ лей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок.

Большие исследования по разработке и со­ зданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors (рис. 8.14). При создании концептуального автомобиля GM Ну Wire было получено 26 патентов.

Основу автомобиля составляет функцио­ нальная платформа (рис. 8.15) толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управле­ ния автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Ну Wire пред­ ставляет собой платформу небольшой тол­ щины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: балло­ ны для водорода, топливные элементы, ак­ кумуляторы, электродвигатели и системы управления. Такой подход к конструкции да­ ет возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля

Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по произ­ водству топливных элементов.

Проблеме использования водорода в ка­ честве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фир­ мой Magna Steyer, известной своими работа­ ми по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разрабо­ тала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомоби­ лях (рис. 8.16).

Компания провела серию испытаний на бе­ зопасность конструкции по стандартным мето­ дикам и подтвердила ее надежность (рис. 8.17). В сентябре 2002 г. на автосалоне во Франкфур- те-на-Майне (Германия) был показан автомо-

Рис. 8.19. Топливный элемент автомобиля BMW 750 hL не превосходит размерами обычный свинцово-кислотный аккумулятор

биль Mini Cooper Hydrogen, который использует в качестве топлива сжиженный водород. Топлив­ ный бак этого автомобиля занимает такое же место, как и обычный бензобак. Водород в этом автомобиле используется не для топливных элементов, а в качестве топлива для ДВС.

В 2003 г. фирма BMW объявила о выпус­ ке первого серийного автомобиля с топлив­ ным элементом BMW 750 hL (рис. 8.18). Ба­ тарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора.

Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работаю­ щий на водороде, а топливный элемент слу­

Рис. 8.20. Заправка водородом автомоби­ ля BMW производится роботом, водитель не участвует в этом процессе

жит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционе­ ра и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработа­ ющим двигателем (рис. 8.19).

Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, кото­ рые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом (рис. 8.20).

Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на соз­ дание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные си­ ловые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широ­ кое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, эконо­ мическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо соз­ дать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности.

Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водо­ родном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на во­ дород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.