Предел экономичности: На строгую диету
Оставить в стороне теорию глобального потепления не удастся, даже если она неверна. Хотя бы потому, что меры по снижению выбросов углекислого газа СО2 в атмосферу уже приняты.
Европейский Союз с 2015 года ограничивает для легковых автомобилей уровень выбросов СО2 уровнем 130 г на 1 км пути в режиме стендовых испытаний по европейскому ездовому циклу MVEG. В более понятных цифрах это означает, что средний комбинированный расход топлива легковым автомобилем (36,82% пробега приходится на городские улицы, 63,18% – на загородные трассы) должен быть снижен до 5,4–5,5 л бензина или 4,85–4,95 л дизтоплива на 100 км. Автомобили, которые будут превышать этот норматив, станут заметно дороже, поскольку их изготовителям придется платить штрафы, а покупателям – дополнительные налоги. В целом по ЕС, если учитывать применение альтернативных видов топлива, суммарный уровень выбросов СО2 на один новый автомобиль планируют снизить даже до 120 г/км. Аналогичные меры принимаются и в США, где к 2016 модельному году средневзвешенный расход топлива у новых легковых автомобилей и легких грузовиков будет снижен до уровня 35,5 мили на галлоне топлива, или 6,63 л/100 км. Для бензиновых машин это означает выброс примерно 156 г СО2 на километр.
Очевидно, что в ближайшем будущем автомобиль претерпит серьезные изменения. Причем временное снижение стоимости нефти и углеводородного топлива едва ли их существенно затормозит. Новое поколение экологичных транспортных средств будет отличаться не только малым расходом топлива, но и пониженным потреблением любой энергии, расходуемой на движение.
ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ
Введение жестких нормативов на выбросы СО2 неизбежно ведет к определенной рационализации техники. Так, из-за повышенного сопротивления движению, вероятно, сократят выпуск машин с более высокими параметрами проходимости, фактически предназначенных для обычных дорог (кроссоверы и вседорожники). Возможно, снизится спрос на автомобили представительского класса, стоимость эксплуатации которых возрастет из-за их несоответствия нормативам выбросов СО2.
Зато еще большее распространение получат мини-, компактные и средние автомобили, относящиеся к европейским размерным классам А, В и С. Переход их на гибридные силовые установки состоится нескоро, а при условии сохранения цен на углеводородное топливо растянется на десятилетия.
Но для более крупной и дорогостоящей техники (седаны, авто представительского и бизнес-класса, минивэны и кроссоверы) «гибридизация», пожалуй, неизбежна. Даже с экономичными дизельными двигателями им не уложиться в заданные пределы выброса СО2. Впрочем, уже сегодня ясно, что поначалу казавшиеся чрезмерными европейские нормативы оказались вполне выполнимы, так что европейцам не придется поголовно пересаживаться на микроавтомобили.
Способы снижения расхода топлива и выброса СО2 хорошо известны. Это, во-первых, снижение суммарного дорожного сопротивления, складывающегося из аэродинамического и сопротивления качению шин. Во-вторых, более эффективное преобразование энергии топлива в механическую (уменьшение потерь в двигателе и трансмиссии). Есть и третье направление – экономия энергии, затрачиваемой на привод вспомогательных агрегатов: сервоприводов, кондиционера, мультимедиасистемы.
Кое-чем здесь могут помочь солнечные батареи на крыше, которые восполнят недостаток зарядки аккумулятора.
Если возможности снижения сопротивления у современных автомобилей практически исчерпаны, то процесс преобразования энергии топлива в механическую все еще далек от оптимального. Существующие ДВС плохо приспособлены для работы с малой нагрузкой – именно в этом режиме их эффективность оставляет желать лучшего. Использование различных технических приемов (отключение цилиндров, изменение фаз газораспределения, турбонаддув), конечно, дает полезный эффект, но резервы огромны!
Даже в наиболее благоприятных условиях КПД современных двигателей относительно их стендовой мощности, как правило, не превышает 46% для дизелей и 35% для бензиновых моторов. При работе с частичной нагрузкой он в полтора-два раза меньше! Поэтому отключение ДВС при движении с малой, от 5 до 50 км/ч, скоростью (либо его работа под более высокой нагрузкой для
привода генератора) дает существенную экономию топлива у гибридного автомобиля с дополнительным электродвигателем. Причем для движения на таких скоростях требуется совсем небольшая мощность!
СКОЛЬКО НУЖНО?
В таблице даны примерные затраты мощности и расход дизельного топлива на движение трех условных легковых автомобилей – представителей размерных классов А и С, а также 7-местного минивэна – в диапазоне скоростей от 7,2 до 90 км/ч. При расчете минимальной мощности, необходимой для движения, учитывалось лишь дорожное сопротивление, КПД механической трансмиссии и затраты (450–500 Вт) на привод генератора. Так, для городского хэтчбека класса А при движении со скоростью 36 км/ч (выше, чем средняя скорость в испытательном цикле MVEG!) требуется всего 1,76 кВт (2,4 л.с.) мощности, для машины же размерного класса С – лишь 2,15 кВт (2,9 л.с.). Кстати, в европейском MVEG средняя скорость движения в городском цикле – всего 19,2 км/ч (максимальная – 50 км/ч), в пригородном – 62,6 км/ч (максимальная –120 км/ч)! Это обстоятельство и позволяет автомобилям с гибридной силовой установкой довольствоваться маломощными электродвигателями: их 10–15 кВт (13,6–20,4 л.с.) достаточно для движения почти во всех режимах MVEG! Так, в случае установки 15-киловаттного мотора на наши гипотетические машины классов А и С их максимальная скорость в «электрическом» режиме будет достигать немалых 110 и 106 км/ч соответственно. Потребность в подключении основного бензинового или дизельного двигателя появится лишь
при езде с более высокой скоростью и, конечно, при движении в общем потоке с интенсивными разгонами и ускорениями.
Кстати, чтобы обеспечить машине собственной массой 1200 кг разгон с места до 100 км/ч за 12–13 с, потребуется энерговооруженность порядка 80–90 л.с./т. Это значит, что при суммарной мощности силовой установки 70–80 кВт
(96–108 л.с.) динамика автомобиля будет вполне приемлемой. На долю ДВС придется всего 60–65 кВт (82–88 л.с.).
ЧЕГО ЖДАТЬ ОТ ГИБРИДОВ
Для гибридных машин, которые оснастят никель-металлогидридными батареями небольшой емкости и дизельными двигателями, можно ожидать выбросов СО2 ниже 130 г/км даже в размерных классах D и Е, а также у средних минивэнов и кроссоверов. Так, уже сегодня технологически достижим уровень выбросов СО2 в 90 г/км и расход около 3,4 л/100 км дизтоплива (MVEG) для хэтчбеков гольф-класса, а для машин класса В реальны значения 80–81 г/км (3,0 л/100 км). Бензиновые двигатели потребляют на 20–25% больше топлива, но с применением непосредственного впрыска и наддува разрыв сократится до 12–17%. Это позволит снизить расход бензина до 3,4–3,5 л/100 км (класс В) и 3,8–4,0 л/100 км (класс С). Однако массовыми гибриды смогут стать только в случае радикального роста цен на топливо или при дальнейшем ужесточении норм.
Расход топлива подзаряжаемых гибридов с более совершенными литий-ионными батареями и мощными электромоторами формально может быть равен… нулю, поскольку испытательный цикл MVEG длиной 11 007 м можно пройти только на электротяге без подключения ДВС. Такой гибрид правомерно называть электромобилем с автономным источником питания, а вместо расхода топлива указывать потребление энергии на единицу пройденного пути. Расход топлива будет уже переменной
величиной, зависящей от дневного пробега на электротяге, и потребление топлива, например, на дистанции 100 км будет заметно меньше, чем на 500-километровом маршруте.
К сожалению, по-настоящему легких, энергоемких и недорогих тяговых батарей, пригодных для установки на легковые авто, пока не производят, электромобили еще не в силах конкурировать с обычными машинами по дальности пробега. Так что ближайшее будущее остается за традиционным двигателем внутреннего сгорания, но для больших машин в Европе умеренная «гибридизация» выглядит неизбежной.
10737