Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/325/5308872.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 17 (325) сентябрь 2017 года

Смогут ли электромобили и «гибриды» стать полноценной заменой автомобилям с ДВС?

Новые технологии К. т. н. Евгений Дубровин, к. т. н. Игорь Дубровин, инженер Николай Филаткин

По данным СМИ, известные европейские автопроизводители Volkswagen и Volvo официально объявили, что в ближайшее время намерены перейти к производству электромобилей и гибридных автомобилей.

Шведский концерн Volvo решил полностью отказаться от производства автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), а немецкий концерн Volkswagen планирует заменить большую часть выпускаемых автомобилей с ДВС на электрические и гибридные. Означает ли это окончание эпохи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания? Смогут ли электромобили стать полноценной заменой автомобилям с ДВС? Покажет время.



Автомобильный выхлоп – проблема техническая

Сегодня самым распространенным и мощным источником загрязнения окружающей среды признан оборудованный бензиновыми и дизельными двигателями автотранспорт. Загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами в развитых странах приобрело глобальный характер, и этого никто не отрицает.

Авторы считают, что проблему загрязнения атмосферы автомобильными выхлопами следует решать как минимум в два этапа. На первом этапе нужно перевести находящиеся в эксплуатации автомобили на гидротопливо. Действительно, одним из способов повышения экологической чистоты ДВС сегодня является применение в их двигателях водотопливных эмульсий на основе бензинов и дизельных топлив, но, в целом, технология использования гидротоплив – это вчерашний день и может применяться только на находящихся в эксплуатации автомобилях. На втором этапе следует внедрять в ДВС автомобилей принципиально новые системы, влияющие на показатели продуктов сгорания – выхлопных газов.

Известно, что непосредственно на качество подготовки топлива к сжиганию и сам процесс сжигания топлива, а значит, и на состав и объемы газовых выбросов в атмосферу первостепенное влияние оказывают топливная и воздушная системы двигателя. Не секрет, что эти системы давно морально устарели и готовят экологически опасную топливовоздушную смесь, именно поэтому они должны быть заменены принципиально новыми системами.



Результаты неправильных решений

В большинстве случаев проблему загрязнения атмосферы автомобилями пытались и до сих пор пытаются решать различными административными и организационными мерами: ограничением эксплуатации автомобилей или чередованием дней их использования, запрещением эксплуатации автомобилей в тех или иных местах, организацией свободных от автотранспорта зон, повышением штрафов за загрязнения, поощрением водителей за отказ от использования автомобилей и другими. Однако опыт развитых стран показал, что, как правило, достигаемое этими мерами снижение автомобильных выбросов носит кратковременный характер.

Нет сомнения, что автомобильные концерны постоянно уделяли и уделяют серьезное внимание вопросу повышения экологической чистоты производимых ими автомобилей с ДВС по нескольким направлениям.

Одним из таких направлений явилось создание и использование более экологически чистых видов углеводородного автомобильного топлива – Евро-1, Евро-2, Евро-3, Евро-4, Евро-5, Евро-6. Эти горючие имеют пониженное содержание опасных химических элементов, веществ и соединений, таких, как углерод, тяжелые (полициклические ароматические) углеводороды, сера и серосодержащие, азот и азотосодержащие и другие. Причем чем выше индекс топлива, тем ниже в нем содержание вредных включений. Использование в автомобильных двигателях топлив марки «Евро» действительно несколько снизило концентрацию экологически опасных элементов, веществ и соединений в продуктах сгорания – выхлопных газах. Однако, к большому сожалению, негативным последствием удаления из автомобильных топлив марки «Евро» многих элементов и соединений стало снижение их теплотворной способности / калорийности, и, как следствие, некоторое повышение расхода топлива на двигатель для получения той же полезной работы. Таким образом, повышение экологической чистоты автомобилей за счет удаления вредных составляющих из топлива весьма сомнительно, поскольку суммарное количество вредных выбросов, хотя и с меньшей концентрацией, все же возросло.

Еще одним направлением стало сжигание в ДВС биотоплива (например, рапсового масла), в составе которого отсутствуют многие вредные элементы и соединения, свойственные традиционным нефтяным горючим. Однако опыт снижения вредных газовых выбросов за счет использования биотоплива показал, что под каждый вид биотоплива необходимо адаптировать не только топливную систему, но и весь двигатель, что дорого и технически невыгодно.

Результаты работ по совершенствованию автомобильных топлив убедительно свидетельствуют: несмотря на все усилия, главная проблема – повышение экологической чистоты автомобильных двигателей – так и осталась нерешенной. В результате ряд автомобильных концернов и принял решение переориентироваться на выпуск гибридных и электромобилей.



«Дизельгейт» и его последствия

Длительное время автомобили с дизельными двигателями были наиболее престижными и востребованными в странах Западной Европы и Северной Америки, однако обман американских потребителей компанией Volkswagen сильно подорвал авторитет не только этого известного немецкого автоконцерна, но и двигателей внутреннего сгорания как таковых.

После скандала с Volkswagen американские власти провели массовое обследование экспортных дизельных автомобилей других европейских и азиатских производителей. Оказалось, что во многих автомобильных компаниях, в том числе, например, в KIA, есть недостатки и нарушения, что приводит к несоответствию экологической чистоты автомобилей с ДВС заявленной. Обнародование результатов обследования экспортных дизельных автомобилей в конечном итоге привело к «дизельгейту».

Сознательный обман автоконцерном Volkswagen в вопросе реальных значений экологически опасных автомобильных выбросов и сомнения в экологической чистоте автомобилей других компаний стали причиной серьезного кризиса всей мировой автомобильной отрасли. Несоответствие показателей экологической чистоты заявленным характеристикам вызвало дискуссии о влиянии дизельных двигателей на окружающую среду и резкое падение спроса на дизельные автомобили.

Последствия «дизельгейта» не заставили себя долго ждать. Так, шведский концерн Volvo, понимая, что производимые им автомобили с ДВС также могут не соответствовать современным экологическим требованиям, объявил о прекращении их выпуска и решил сосредоточиться на выпуске исключительно электромобилей и «гибридов», считая их альтернативой автомобилям с традиционными моторами. В ближайшем будущем Volvo планирует производить только три типа автотранспортных средств: полностью электрические и два вида «гибридов». Руководство автоконцерна Volkswagen, в свою очередь, попросило население не поддаваться панике, сохранять спокойствие и без особой нужды не торопиться принимать решение о продаже своих дизельных автомобилей. Одновременно этот автоконцерн планирует начать выпуск двух видов электромобилей премиум-класса под брендом Audi.

Рассмотрим влияние на окружающую среду предлагаемых альтернатив – электромобилей и «гибридов» более подробно.



Электромобили

В начале ХХ в. электрические транспортные средства уже использовались в Западной Европе и США в качестве такси, почтовых фургонов, коммунальных машин, а также как легковые автомобили. Максимальная скорость, достигнутая электромобилем, составляла не более 100 км / ч.

В 60‑х гг. ХХ в. в связи с резким увеличением загрязнения воздушного бассейна и усилением шума, вызванного эксплуатацией автомобилей с ДВС, ученые вновь вспомнили об электромобилях – транспортных средствах с тяговым электродвигателем, получающим питание от аккумуляторных батарей.

Наиболее широкое распространение электромобили получили в качестве городского транспорта, чему способствовал их относительно небольшой средний суточный пробег в городе (до 100 км), ограничение скорости до 60 км / ч и возможности организации сети зарядных станций, позволяющих заряжать аккумуляторные батареи.

Основные достоинства электромобилей – полное отсутствие газовых выбросов, минимальные вибрация и шум, более высокая эффективность работы (к.п.д. = 60 %) по сравнению с эффективностью использования углеводородного топлива (к.п.д. = 17 – 20 %), отсутствие взрывов и пожаров, сопровождающих дорожно-транспортные происшествия. Однако ограниченные скорость и запас хода, низкая энергоемкость и большая масса аккумуляторов, малая полезная нагрузка, невозможность длительного хранения электроэнергии в батареях, длительность зарядки батарей (от 30 мин. до 8 и более часов) по сравнению с заполнением полного бака автомобиля топливом на автозаправочной станции (не более 10 мин.), необходимость развитой инфраструктуры, ограниченная автономность, невозможность хранения дополнительного запаса энергоносителя в автомобиле, необходимость постоянной зарядки аккумуляторов, значительный расход электроэнергии при торможении и ускорении, зависимость функционирования аккумуляторов и характеристик электрической энергии от температуры и влажности воздуха, невозможность эксплуатации в условиях низких и высоких температур, сложности переработки и утилизации элементов питания не позволили электромобилям занять ведущее место в городской транспортной системе. Кроме того, с их внедрением появилась реальная опасность поражения человека электротоком и электролитными жидкостями, а также загрязнения окружающей среды парами жидкостей и оксидами металлов из аккумуляторных батарей.

К сожалению, по целому ряду эксплуатационных свойств электромобили все же уступают транспортным средствам с ДВС, поэтому они так и не стали их полноценной заменой. Именно поэтому в глобальном масштабе рынок электромобилей невелик и составляет не более 1 % от всех продаж транспортных средств.

Необходимо добавить, что для обеспечения постоянной зарядки аккумуляторов электромобилей где‑то должна работать электростанция. С целью компенсации потерь тока в линиях электропередачи она должна постоянно функционировать в режиме не ниже номинального (1,0N), что приведет к повышенной техногенной нагрузке на окружающую среду. Таким образом, использование электромобилей не устраняет причин загрязнения природной среды, а просто переносит вредное воздействие на другие территории!

nt2.jpg




«Гибридные» автомобили

Для повышения экологической чистоты транспортных средств на рубеже 1960‑1970‑х гг. стали разрабатываться и внедряться «гибридные» автомобили, представляющие собой транспортные средства с комбинированной силовой (энергетической) установкой, включающей дизельный или бензиновый двигатель и электрический мотор.

Комбинированная силовая установка современных «гибридных» автомобилей может иметь различные конструктивные решения. В настоящее время «гибриды» производятся в двух исполнениях: мягкие «гибриды» и подключаемые «гибриды». В первом исполнении автомобиль имеет двигатель внутреннего сгорания с небольшой мощностью, работающий в постоянном малотоксичном режиме и приводящий в действие электрический генератор, от которого подзаряжаются аккумуляторные батареи, питающие тяговый электромотор (электродвигатель). Во втором исполнении автомобиль оснащен более мощным ДВС, который на определенных режимах работы одновременно приводит в движение ходовую часть и генератор (непосредственно или через работающую от выхлопных газов газовую турбину), заряжающий аккумуляторы тягового электродвигателя.

К сожалению, «гибриды» не всегда сочетают в себе наилучшие свойства своих составляющих, в связи с чем им присущи не только достоинства автомобиля с ДВС и электромобиля, но и их недостатки. К основным недостаткам «гибридных» автомобилей следует отнести наличие газового и теплового загрязнения атмосферы, зависимость от углеводородного топлива и его качества, сложность конструкции, повышенную токсикологическую опасность, сложность управления, невысокий коэффициент полезного действия, дороговизну изготовления и эксплуатации.

Известно, что абсолютно все режимы работы ДВС сопровождаются вредными газовыми выбросами, при этом самыми токсичными считаются нерасчетные режимы, такие как холостой, малые и переходные.



Результаты отказа от производства автомобилей с ДВС

Полный отказ от производства бензиновых и дизельных автомобилей может привести к негативным последствиям.

Во-первых, нормальная эксплуатация электромобилей и «гибридов» может осуществляться только в регионах с развитой инфраструктурой, однако таких регионов на Земле не так уж много. Таким образом, наибольшая концентрация и массовое использование электромобилей и «гибридов» будет сосредоточено в основном в развитых странах Западной Европы и Северной Америки. Это значит, что спрос на электромобили и «гибриды», а следовательно, и рынок продажи этих транспортных средств может быть не таким большим, как предполагает производитель.

Во-вторых, при массовом использовании электромобилей и «гибридов» интересы автоконцернов, несомненно, столкнутся с интересами нефтяных компаний, которые будут терпеть убытки от снижения объема продаж автомобильного горючего.

В-третьих, производители электромобилей и «гибридов» станут серьезными конкурентами американского производителя электромобилей Tesla, что также приведет к конфликту интересов.
В-четвертых, переход на электротранспорт может стать причиной прекращения дальнейших работ по модернизации и совершенствованию автомобильных ДВС, в том числе в вопросе повышения их экологической чистоты.

В-пятых, окончательный переход автоконцернов на производство электромобилей и «гибридов» может вызвать значительное сокращение их прибыли, например, из‑за снижения или отсутствия производства бензиновых и дизельных автомобилей, запчастей и комплектующих к ним.

В-шестых, широкое использование электромобилей и «гибридов» может привести к резкому росту производства электроэнергии, очевидно, что увеличится и число аварий на электросетях.

И, наконец, освободившаяся ниша в производстве автомобилей с ДВС и соответственно рынок их продаж будет немедленно занят другими автопроизводителями.

Полный или частичный переход известных автопроизводителей на производство электромобилей и «гибриды», по мнению авторов, убедительно показывает, что традиционное автомобильное двигателестроение в вопросе экологической чистоты своей продукции зашло в тупик и не способно самостоятельно найти выход из него.

По мнению авторов, электрические и «гибридные» транспортные средства только тогда смогут стать полноценной заменой традиционным автомобилям и успешно конкурировать с ними, когда будет реализована технология изготовления принципиально новых источников электроэнергии. То есть тогда, когда появятся легкие, компактные, долговечные, безопасные мобильные источники электроэнергии большой емкости, способные надежно функционировать не только в различных климатических зонах, но и в широком диапазоне параметров (температуры, влажности, давления) окружающей внешней среды. Не секрет, что электромобили и «гибриды» имеют недостаточный, по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями, опыт эксплуатации, в связи с чем к массовому производству указанных транспортных средств следует подходить очень осторожно, оценивая в том числе все возможные последствия и риски.

В то же время авторы убеждены, что сегодня вполне реально снизить количественно-качественные показатели и объем вредных газообразных выбросов автомобилями с ДВС, например, за счет замены «отживших» топливной и воздушной систем системами, в основу работы которых положены другие физические явления.

Основная причина возникновения «дизельгейта», по мнению авторов, кроется в отсутствии (или в нежелании использовать!) современных технологий топливоподготовки и оптимальной организации процесса сгорания топлива в дизельных и бензиновых двигателях, поэтому единственным выходом из «дизельгейта» может стать поиск или разработка таких технологий. Очевидно, что реализация новых технологий топливоподготовки и оптимальной организации процесса сгорания топлива потребует принципиального изменения топливной и воздушной систем ДВС, оказывающих основное влияние на формирование и объемы газовых выбросов в атмосферу.

Например, снижения газового и теплового загрязнения при работе топливосжигающей установки авторы достигли за счет соединения воздушной и топливной систем в единую воздушно-топливную систему, использование которой позволило:

• заменить основной или первичный компонент для приготовления горючей смеси –топливо – на атмосферный воздух;

• приготавливать воздушно-топливную горючую смесь вместо топливо-воздушной;
• приблизить соотношение компонентов приготавливаемой горючей смеси к теоретическому значению (11 кг воздуха: 1 кг топлива);

• исключить из состава системы ряд сложных дорогостоящих элементов, например традиционную топливную аппаратуру;

• добиться более тонкого распыла топлива в пределах 5÷10 мкм и более качественного его смешения с воздухом;

• исключить высокие и сверхвысокие давления рабочих сред (топлива и воздуха).

Объединенная воздушно-топливная система, созданная авторами, является универсальной, поскольку, во‑первых, после некоторой адаптации к конкретной топливосжигающей установке система может использоваться на котлах, в газотурбинных, дизельных и бензиновых двигателях. Во-вторых, система способна приготавливать к сжиганию и подавать на горение все виды жидкого и газообразного углеводородного топлива, включая некондиционные; сырую нефть; топливные и нефтяные эмульсии. И наконец, для надежного функционирования на различных видах жидкого и газообразного топлива система не требует замены составляющих ее элементов и изменения их геометрических размеров и проточных каналов.

Практическое использование объединенной воздушно-топливной системы в составе топливо­сжигающей установки позволило сэкономить около 15 % топлива и, таким образом, повысить ее экологическую чистоту, как минимум на 15 % за счет исключения из процесса формирования сбрасываемых в воздушный бассейн вредных газовых выбросов лишнего количества углеводородного топлива и атмосферного воздуха.

По мнению авторов, использование объединенной воздушно-топливной системы на двигателях внутреннего сгорания позволит повысить не только их экологическую чистоту, но и восстановит утраченный авторитет автоконцернов и автомобилей с ДВС. Продукция автопроизводителей вновь станет популярной среди потребителей и ликвидным товаром для производителей.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 17 (325) сентябрь 2017 года:

  • «РТСофт»: создавая технологии будущего
    «РТСофт»: создавая технологии будущего

    В этом году компания «РТСофт» отмечает 25‑летие – для инженерной компании дата серьезная. Позади большой путь: реализовано более девяти тысяч проектов, накоплен опыт работы в сфере промышленной автоматизации, программных разработок и встраиваемых компьютерных технологий в России и за рубежом. ...

  • Энерговоры всегда в проигрыше
    Энерговоры всегда в проигрыше

    В конце августа специалисты филиала МРСК Северо-Запада (дочерняя компания ПАО «Россети») «Новгородэнерго» совместно с сотрудниками полиции провели рейд по выявлению бездоговорного и безучетного потребления электроэнергии. ...

  • Электроэнергетика должна перейти на риск-ориентированную модель
    Электроэнергетика должна перейти на риск-ориентированную модель

    Развитие экономики России во многом зависит от выбора приоритетов и определения драйверов роста, запуска процессов и механизмов развития. ...

  • Атомный сервис: российские методы ремонта и обслуживания АЭС
    Атомный сервис: российские методы ремонта и обслуживания АЭС

    По состоянию на август на семи энергоблоках российских атомных станций работниками осуществлялись текущие, средние и капитальные ремонты энергоблоков. Все сервисные работы на станциях обычно выполняют дочерние структуры «Росатома». ...

  • Баланс «кнута и пряника» не соблюдается
    Баланс «кнута и пряника» не соблюдается

    Российское правительство не будет переносить вступление в силу механизма перехода на наилучшие доступные технологии (НДТ), которое начнется с 2019 г. ...