Топливо никогда не бывает лишним

Повышение топливной экономичности и снижение уровня выбросов СО2 становится наиболее актуальной проблемой для автопроизводителей в связи с постоянным ростом цен на бензин и угрозой глобального потепления. Многие ведущие фирмы ведут разработку автомобилей с расходом топлива 3 л/100 км и даже 1 л/100 км. В этой связи в ближайшем будущем ожидается значительное снижение веса автомобилей и повышение эффективности работы их двигателей и трансмиссий. Все системы и агрегаты новых автомобилей будут разрабатываться с учетом минимизации потребления энергии. Есть все основания полагать, что благодаря применению новых прогрессивных технологий топливная экономичность автомобилей в течение ближайших 10-15 лет повысится на 20-30%.

За последние 100 лет средняя температура воздуха у поверхности земли повысилась на 0,3-0,6оС. По версии некоторых ученых, глобальное потепление климата земли - это результат роста выбросов в атмосферу двуокиси углерода (CO2), связанных с жизнедеятельностью человека. Повышенное содержание СО2 в атмосфере усиливает "парниковый эффект", задерживает больше солнечного тепла, чем нужно. Если не предпринимать никаких действий по ограничению выбросов СО2, в течение следующих 100 лет температура может повыситься на 3-4оС. Это может обернуться для нашей планеты мировой катастрофой, вызвав рост стихийных бедствий (бурь, ураганов, наводнений, увеличение числа лесных пожаров) и повышение уровня океанов. Последнее обстоятельство наиболее опасно, т.к. его результатом будет исчезновение территорий многих стран, в том числе индустриально развитых.

Снижение содержания СО2 в "выхлопе" автомобильных двигателей - одна из основных задач автомобильной промышленности, так как мировой автопарк выбрасывает в атмосферу 15-20% всех антропогенных выбросов СО2, образующихся в результате деятельности людей. Выбросы двуокиси углерода прямо пропорциональны расходу топлива автомобилей: чем меньше расход топлива, тем чище "выхлоп".

Согласно исследованиям международной организации по экономическому сотрудничеству (OECD), величина общих выбросов СО2 на нашей планете составляет 800 млрд. тонн в год. Из них 770 млрд. т (или 96%) приходится на различные природные источники, а 30 млрд. т (или 4%) - это выбросы, обусловленные деятельностью человека.

В настоящее время не существует международных требований по расходу топлива и выбросам СО2 легковых автомобилей. Однако, ввиду важности проблемы сохранения окружающей среды, правительства ряда стран, в частности, Германии, постановили: к 2005 году все виды транспорта должны снизить расход топлива и выбросы CO2 на 25% по сравнению с теми же значениями 1990 года. Одна диаграмма иллюстрирует тенденцию снижения среднего расхода топлива автомобилей, выпущенных в Германии в 1980 - 2002 годах. Другая диаграмма показывает рост количества выпускаемых в Германии автомобилей, имеющих расход топлива менее 6,49 л/100 км.

По проекту ЕЭС к 2008 году будут введены ограничения на выбросы CO2, не превышающие 140 г/км, что соответствует расходу бензина 6 л/100 км и дизельного топлива - 5,3 л/100 км. В перспективе к 2012 году выбросы CO2 не должны превышать 120 г/км, что соответствует расходу бензина 5,1 л/100 км, а дизельного топлива - 4,5 л/100 км.

В таблицах приведены значения расхода топлива и выбросов CO2 наиболее экономичных современных автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями.

Основные пути повышения топливной экономичности автомобилей

Чтобы понять, насколько можно повысить топливную экономичность, нужно рассматривать автомобиль в целом, как единую систему. Динамические свойства, легкость управления, безопасность, комфорт, надежность, вместимость и грузоподъемность, размеры, дизайн, шум и цена - вот перечень основных свойств автомобиля, важных для потребителя и одновременно влияющих на топливную экономичность.

Автомобиль также должен удовлетворять всем законодательным нормам и требованиям (например, требованиям к уровню пассивной безопасности), т.к. все эти требования очень сильно влияют на конструкцию автомобилей, применяемые технологии и, в конечном счете, на топливную экономичность. Производители должны найти оптимальный компромисс между этими противоречивыми требованиями, чтобы выпускать автомобили, которые были бы привлекательными для потребителей и по цене, и по свойствам.

Существует две основных концепции снижения расхода топлива: повышение общей эффективности узлов и агрегатов (двигателя, трансмиссии, привода…), чтобы обеспечить больше полезной работы при определенном расходе топлива, или снижение затрат энергии автомобиля на преодоление сопротивлений движению (инерции, аэродинамического сопротивления, сопротивления качению), а также на функционирование дополнительных потребителей энергии. Основные факторы, влияющие на расход топлива автомобилей, показаны на рисунке.

Практически на всех современных автомобилях применяются двигатели, работающие на бензине или дизельном топливе. Около 2/3 энергии, получаемой при сгорании топлива, тратится в выхлопной системе, системе охлаждения и на преодоление сил трения. Теоретически, бензиновые и дизельные двигатели могут преобразовывать всю топливную энергию в полезную работу. В действительности, из-за термических и механических потерь, затрат энергии на работу различного оборудования, КПД двигателей не превышает 40-50% у лучших дизельных двигателей. При этом определенная часть полезной работы двигателя расходуется на преодоление сил трения в трансмиссии и других узлах привода. В результате только 12-20% исходной энергии идет на преодоление сопротивления движению автомобиля.

Во время движения автомобиля по городу режим работы двигателя постоянно меняется, что прямо отражается на расходе топлива. При движении в городском цикле около 80% энергии тратится на преодоление инерции и сил сопротивления качению, которые зависят непосредственно от веса автомобиля. Таким образом, масса автомобиля оказывает существенное влияние на расход топлива, особенно при движении в городе. Именно поэтому задача снижения веса является ключевой в таких известных исследовательских проектах, как создание сверхлегкого кузова (ULSAB-AVC), партнерство по созданию автомобиля нового поколения (PNGV) и других.

Прогрессивные способы снижения расхода топлива автомобилей

Очевидно, чтобы уменьшить расход топлива, необходимо снизить вес автомобиля, уменьшить сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. Однако, наибольшие резервы таятся в двигателе.

Изучение последних достижений мирового автомобилестроения, двигатель дает возможность вычленить, для каждой системы автомобиля, наиболее значимые технологии и способы снижения расхода топлива:

• Снижение механических потерь. Значительно повысить КПД двигателя и уменьшить потери на трение можно с помощью улучшения качества изготовления деталей, оптимизации их конструкции, применения легких материалов, совершенствования моторных масел. Снижение механических потерь позволит снизить расход топлива на 2-6% по сравнению с базовым двигателем.
• Многоклапанное газораспределение. Использование в двигателе схемы с тремя, четырьмя, пятью клапанами на цилиндр дает возможность снизить потери на трение, повысить удельную мощность, уменьшить рабочий объем двигателя, повысить степень сжатия и снизить насосные потери. Экономия топлива может составить от 2 до 5% без ущерба для тягово-динамических характеристик двигателя, даже с уменьшенным рабочим объемом.
• Регулируемые фазы газораспределения с изменяемой величиной подъема клапанов. Чтобы обеспечить более полную очистку цилиндров от продуктов сгорания и лучшее наполнение их горючей смесью, клапаны открываются и закрываются с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов называются фазами газораспределения. Регулирование времени и величины открытия клапанов в зависимости от оборотов и режима работы двигателя (системы Honda i-VTEC, Toyota VVT-i, BMW Volvotronic, Porsche VarioCam Plus) способствует снижению расхода топлива на 3-8%.
• Отключение части цилиндров при малых нагрузках. Отключение части цилиндров у двигателей с шестью, восемью и двенадцатью цилиндрами при работе на холостом ходу или в некоторых других случаях, когда максимальная мощность двигателя не требуется, позволяет сэкономить 3-6% топлива.
• Улучшение систем двигателя. Многие системы двигателя, такие, как система смазки и охлаждения, насос усилителя рулевого управления, могут быть оптимизированы для снижения потерь энергии и улучшения функциональности на всех режимах работы. Применение бортовой сети с напряжением 42 вольта, например, способствует снижению стоимости отдельных компонентов и систем двигателя, улучшает их характеристики. Улучшение систем двигателя позволяет снизить расход топлива на 1-2%.
• Уменьшение рабочего объема двигателя, применение наддува. Дополнительное снижение расхода топлива может быть достигнуто путем уменьшения рабочего объема двигателя и увеличения удельной мощности за счет повышения давления в двигателе (турбокомпрессором или механическим нагнетателем). При этом необходимо предусмотреть оптимизацию работы систем трансмиссии, каталитических нейтрализаторов и прогрева двигателя. Ожидается уменьшение расхода топлива от 5 до 7%. Однако, когда данное решение осуществляют одновременно с введением многоклапанного газораспределения, возможна почти 10%-ная экономия топлива по сравнению с 2-клапанным базовым двигателем.
• Электронное управление дросселированием двигателя. Последние достижения в области электроники, мехатроники, сенсорных технологий и материаловедения позволяют уже сейчас разрабатывать и осваивать производство систем электромеханического дросселирования двигателя, в которых отсутствует дроссельная заслонка (например, BMW Valvotronic). Система позволяет использовать обычные каталитические нейтрализаторы и уменьшает насосные потери, что, в конечном счете, снижает расход топлива на 3-6% по сравнению с 4-клапанным двигателем и на 6-12% по сравнению с 2-клапанным. Высокая цена и сложность таких решений пока ограничивают применение данной технологии в серийном производстве.
• Электронное (бескулачковое) управление работой клапанами. Дальнейшее развитие систем регулируемых фаз газораспределения идет по пути создания электромеханических элементов с электромагнитным управлением (Siemens, BMW). В некоторых случаях управление клапанами осуществляется гидравлической системой с электронным управлением (Ford). Кроме снижения насосных потерь, данная технология позволяет отключать цилиндры и использовать обычные каталитические нейтрализаторы. Экономия топлива при этом достигает 5-10%.
• Изменение степени сжатия. У современных двигателей степень сжатия обычно ограничена значениями 10-10,5:1 из-за риска возникновения детонации при высокой нагрузке. Изменение степени сжатия может дать значительную экономию топлива: высокая степень сжатия (13-14:1) повышает КПД двигателя при малой нагрузке, а низкая степень сжатия (8:1) позволяет двигателю работать без детонации на предельно высокой нагрузке. В настоящее время многие автопроизводители исследуют различные технологии изменения степени сжатия. Снижение расхода топлива от внедрения данных технологий составит 2-6%. Высокая сложность таких систем, малый срок их службы и стоимость пока не приемлемы для промышленного производства. Ожидаемый срок внедрения систем изменения степени сжатия - 2008 год.
• Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском. Бензиновые двигатели, работающие на бедных и сверхбедных смесях (когда воздуха поступает больше, чем необходимо для сгорания топлива), имеют повышенный КПД. Двигатели с непосредственным впрыском (Mitsubishi GDI, Saab SCC, VW FSI, Ford DISI) дают возможность снизить расход топлива на 10-15%. Однако при внедрении данной технологии возникает проблема нейтрализации выбросов окислов азота (NOx). Бедная рабочая смесь неизбежно ведет к повышенному содержанию NOx в отработавших газах. Возможно, проблема будет решена с помощью совершенствования системы рециркуляции отработанных газов и применения эффективных накопителей NOx.
• Дизельные двигатели с непосредственным впрыском. Применение в легковых автомобилях турбодизельных двигателей с непосредственный впрыском и общей топливной рампой (Common Rail) получило очень широкое распространение в Европе. Увеличение удельной мощности (более 70 л.с./л), снижение шума и вибраций, практически бездымные и "непахучие выхлопы" дизельных двигателей последнего поколения значительно повысили спрос на них. Высокий крутящий момент на низких оборотах двигателя и относительно пологая кривая крутящего момента также позволяют существенно улучшить ездовые свойства автомобиля. При этом расход топлива дизельных двигателей на 30-40% ниже, чем у бензиновых двигателей с распределенным впрыском. Основные проблемы, возникающие при освоении производства дизельных двигателей, - невыполнение строгих норм выбросов окислов азота и твердых частиц, а также сравнительно высокие цены (дизельные двигатели на 2-3 тыс. долл. дороже бензиновых).
  Трансмиссия
• 5-ступенчатая автоматическая трансмиссия. 5-скоростная автоматическая коробка перемены передач позволяет двигателю работать более эффективно, чем 4-скоростная. Применение 5-ступенчатой АКПП способствует снижению расхода топлива на 2-3%.
• Бесступенчатый вариатор (CVT). Несколько типов CVT производятся в Европе, Японии и Соединенных Штатах (Honda и Toyota). Обычно в таких трансмиссиях применяются специальные ремни или цепи для передачи крутящего момента. Передаточное отношение плавно изменяется посредством двух шкивов различного диаметра. Сейчас разрабатываются и другие концепции вариаторов, имеющие более высокий КПД. В зависимости от типа вариатора и диапазона мощности двигателя технология CVT позволяет сократить расход топлива примерно на 4-8%.
• 6-ступенчатая автоматическая трансмиссия. Усовершенствованные 6-скоростные АКПП можно сравнить с вариаторами. Они имеют практически неограниченные возможности по передаче крутящего момента. 6-ступенчатые АКПП дополнительно сокращают расход топлива на 1-2% по сравнению с 5-ступенчатыми. Однако из-за их более высокой стоимости и сложности в управлении, такие трансмиссии, по-видимому, будут использоваться только в эксклюзивных и представительских автомобилях.
  Кузов и другие узлы
• Снижение аэродинамического сопротивления. Это мера может быть очень эффективной, если оптимизация формы автомобиля ведется с самого начала разработки проекта. Дизайн автомобиля и пассивная безопасность существенно влияют на его аэродинамические свойства. Снижение аэродинамического сопротивления на 10% уменьшают средний расход топлива автомобиля на 1-2%.
• Снижение сопротивления качению. Прогресс в области изготовления шин направлен прежде всего на снижение сопротивления качению без ущерба для комфорта, устойчивости, управляемости и тормозных свойств автомобиля. Вполне выполнимым считается снижение расхода топлива на 1-1,5% за счет уменьшения сопротивления качению.
• Снижение веса автомобиля. Снизить массу автомобиля без ущерба для пассивной безопасности и вместимости - трудная задача. Продолжаются споры по поводу того, в какой степени допустимо снижение массы автомобиля и как это повлияет на пассивную безопасность. Можно выделить три основных способа снижения веса автомобиля:
  1. применение легких материалов;
  2. оптимальное размещение оборудования;
  3. применение новых технологий, позволяющих уменьшить количество или размеры оборудования.
• Бортовая сеть с повышенным напряжением. Большинство производителей планирует переход на 42-вольтовые электрические системы, чтобы обеспечить электроэнергией постоянно возрастающее чисто потребителей в автомобилях следующих поколений. Высокое напряжение в сети снижает потери и повышает эффективность работы электрооборудования автомобиля. Это также позволит внедрить такие новые технологии, как электроусилитель руля и другие. Благодаря переходу на 42-вольтовые электрические системы расход топлива может быть снижен на 1-3%.
• Стартер/генератор. В реальных условиях дорожного движения значительное улучшение топливной экономичности можно получить с помощью отключения двигателя при работе на холостом ходу, временно переключая все необходимое оборудование, например, кондиционер, на электрические источники питания. Стартер и генератор, интегрированные в один узел, обеспечивают почти мгновенную остановку и запуск двигателя, и многие фирмы планируют в скором времени освоить производство такого узла. Отключение двигателя на холостом ходу и ряде других условий эксплуатации дает 4-7% экономии топлива в зависимости от размеров и типа аккумуляторных батарей.
• Автомобили с гибридными силовыми установками и автомобили, работающие на топливных элементах, позволяют снизить расход топлива на 15-30%, но их широкое применение начнется не раньше 2015 года. Это - технологии будущего и тема для отдельного разговора.

Вывод

Снижение расхода топлива и выбросов CO2 становится приоритетным направлением развития автомобильной техники, судя по большому количеству нововведений и разработок в этой области в последние годы. Они наглядно иллюстрируются таблицей, в которой приведены данные по эффективности и стоимости основных технологий двигателя, трансмиссии и автомобиля в целом, промышленное освоение которых в ближайшие 10-15 лет приведет к 20-30%-ному снижению расхода топлива и выбросов СО2.

Таблица 1

Таблица 2.

Таблица 3