Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №6

Топливная экономия, эффективность, экологичность — атрибуты новых автомобилей, двигателей и систем. Часть 1

Сысоева Светлана


В последние годы в фокусе внимания автопроизводителей находятся уже не только требования повышения функциональных характеристик автомобиля и соответствия стандартам безопасности и нормам эмиссии, зачастую неразрывно связанные друг с другом. Дорожающее бензиновое топливо — еще один важный и явно выраженный фактор, влияющий на активизацию усилий компаний в повышении экономичности производимых ими автомобилей. Топливная экономия, эффективность, экологичность — три важнейших взаимосвязанных цели, которые стоят сегодня при разработке лидирующих автомобильных технологий. Их обзор представлен в данной статье. Прежде всего, речь пойдет о новых технологиях двигателей.

Все статьи цикла:

Введение

Современные автомобили становятся более гармоничными, причем речь идет не только о гармонии функциональности и безопасности автомобиля, но и о гармонии человека, машины и окружающей среды в малых и больших масштабах.

Топливная эффективность — важнейшая функциональная характеристика автомобиля, повышение которой практически равнозначно меньшей эмиссии. Большое количество автомобильных систем, узлов и агрегатов, управляемых электроникой — по сигналам от датчиков и посредством актюаторов, в настоящее время выполняется как мехатронные блоки, классифицировать которые по системной принадлежности к группе Powertrain или контроля эмиссии невозможно, поскольку они работают на обе системы.

Кроме того, хотя прямая корреляция и отсутствует, более «топливно-эффективный» автомобиль является и более безопасным. Так, топливная эффективность более аэродинамичного автомобиля выше, и высокие аэродинамические характеристики одновременно означают лучшую маневренность, управляемость и способность избегать столкновений. Топливная эффективность снижается при недокачке шин, что одновременно потенциально опасный фактор с точки зрения безопасности.

Но только несколько автомобильных технологий двигателей соответствует или может соответствовать в полной мере в будущем одновременно осуществлению всех требований. Это:

  • оптимизация функциональных характеристик;
  • достижение соответствия стандартам и потребительским предпочтениям;
  • приемлемая стоимость инвестиций и эксплуатации.

Перечень этих технологий включает:

  • бензиновые двигатели внутреннего сгорания,
  • дизельные двигатели,
  • гибридные приводы,
  • многие другие, так называемые альтернативные автомобили, работающие на биотопливе типа E85, LPG/CNG,
  • водородные автомобили FCV (Fuel Cell Vehicles).

EPA (Environmental Protect Agency) (www.epa.gov) оценивает показатель mpg (миль на галлон, 1 галлон = 3,8 л) для всех новых автомобилей, что позволяет сравнивать автомобили соответствующего класса и технологии между собой.

Изобретение гибридных автомобилей (Hybrid Electric Vehicles, HEV) было одним из шагов автопроизводителей и послужило для осуществления двух стратегий — экономии топлива и удовлетворению растущего спроса в менее загрязняющих окружающую среду автомобилей. Бензиновые автомобили при эксплуатации создают проблему высокой цены топлива для клиентов, для электрических автомобилей (Electric Vehicles, EV) необходимы высокие начальные инвестиции для производителей и потребителей.

В этой ситуации автопроизводители изобрели гибридные автомобили, работающие и на бензине, и на электричестве (электрический двигатель). Но, несмотря на присутствие на рынке в течение многих лет, количество гибридов все еще не превышает 2% продаж всех новых автомобилей — согласно недавним данным Research & Market. Отмечено также, что в Европе только 0,2% от всех автомобилей являются гибридами, причем такая ситуация сложилась в связи с преобладанием дизельных автомобилей. Доминирование дизельных автомобилей на европейском рынке объясняется развитыми технологиями: прямого впрыска (Direct Injection, DI), турбонаддув с переменной геометрией (Variable Geometry Turbocharging) и Common Rail Direct Injection (CRDI), а также высокой экологичностью.

Многие специалисты R&M высказывают мнение, что спрос на гибридные автомобили может значительно увеличиться в связи с их топливной эффективностью и высокой скоростью роста цен на бензин. Регуляция эмиссии также способствует стимулированию спроса, так как правительства некоторых стран предлагают налоговые стимулирующие факторы (налоговый кредит для покупателей).

Так, согласно исследованиям RNCOS, опубликованным в отчете “Global Hybrid Car Market Forecast to 2010”:

  • Глобальные продажи HEV будут увеличиваться с совокупным среднегодовым темпом роста (Compound Annual Growth Rate, CAGR) порядка 12% в период 2008–2015 гг.
  • Продажи гибридных автомобилей в США достигнут 1 млн в 2012 году.
  • CAGR для японских HEV — 6,6% в период 2008–2011 гг.
  • Рынок батарей для HEV увеличится с CAGR примерно 10,4% (с 2010 по 2015 год).
  • Рынок гибридных компонентов возрастет с CAGR 17,4% с 2008 по 2012 год.

Экологичные гибриды привлекательны не только для правительств или заинтересованных клиентов, но и для производителей, культивирующих имидж технологического лидерства: Toyota, Honda, General Motors и других. Технология применяется и в потребляющих много топлива SUV и люкс-седанах, спортивных автомобилях, в которых электрический привод добавляет мощности (вместе с экономией топлива).

Но преимущественные признаки гибридной технологии значительно различаются для основных типов гибридомобилей:

  • микрогибрид (Micro Hybrid);
  • средний, «умеренный» или «мягкий» (Mild/ Mid Hybrid), иногда также называемый Assist Hybrid;
  • полный гибрид (Full Hybrid).

Кроме того, выделяют также следующие типы гибридных автомобилей:

  • последовательные (Series Hybrids);
  • параллельные гибриды (Parallel Hybrids);
  • последовательно-параллельные гибриды (Series/Parallel Hybrids);
  • одно- и двухрежимные гибриды (One- Mode и Two-Mode Hybrids).

Первоначально концепция гибридного автомобиля предполагала совместную работу именно бензинового двигателя с привлечением электрического двигателя. Но в дальнейшем эта концепция расширилась и теперь включает следующие разработки и технологии:

  • плагинные гибриды (Plug-in Hybrids);
  • дизельные гибриды;
  • гибриды на топливных ячейках (Fuel Cells);
  • регенеративное торможение;
  • новые батарейные технологии;
  • новые электрические двигатели;
  • 42-вольтные электрические системы;
  • гибридные трансмиссии;
  • стартеры и генераторы: Integrated Starter Alternator Damper (ISAD) (Continental), Belt Alternator Starter (BAS) Delphi;
  • новые электронные компоненты.

Достижения в технологии литий-ионных батарей изменили рынок PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) — так называемых плагинных, или подключаемых к домашней электрической сети для зарядки батареи. Способность PHEV снижать цену топлива оценивается примерно в 75 центов/галлон, кроме того, ввиду отсутствия использования многих механических частей снижается и увеличивающаяся цена масла.

Все же на данном отрезке времени литийионные батареи характеризуются размерами, температурным управлением, надежностью, прочностью, ценой материалов и производства — теми характеристиками, которые создают временные трудности в применении этой технологии. Внимание производителей сфокусировано на инновационных исследованиях и разработках, предназначенных для того, чтобы оптимизировать характеристики батарей.

Глобальный рынок PHEV оценивается по данным R & M в 130 000 автомобилей в 2015 году. Но сравнительно высокая стоимость PHEV и FCV, главным образом именно из-за цены стеков питания, все еще удерживает ценовой зазор между PHEV и FCV, с одной стороны, и обычными автомобилями, с другой. Кроме того, сложности продвижения батарейных технологий также создают проблемы коммерциализации PHEV и FCV. Ожидается, что в расширении рынка сыграют значительную роль правительственные легислации.

С водородными автомобилями на топливных ячейках, продуктом электрохимических процессов которых является вода, связывается большое будущее, и различные автопроизводители разработали свои автомобили, готовые к серийному выпуску. Но массовое распространение сейчас ограничено главным образом их сравнительно высокой ценой, а в последующие годы может быть ограничено отсутствием распределенной топливной инфраструктуры. Поэтому переход на эти экологичные автомобили компании также предполагают осуществить в два или три этапа. На первом этапе — с привлечением гибридной технологии, на втором и третьем этапах — посредством привлечения различных источников энергии (электричества, E85, биотоплив, бензиновых топлив).

Согласно данным R&M, сейчас три автомобильных производителя — Toyota, Ford и Honda — контролируют рынок гибридных автомобилей. Доминирование этих производителей ожидается и в последующем. Но если оценивать рынок гибридов по объемам продаж, то лидерство удерживает Toyota, несколько опережающая GM.

Другие лидирующие компании — General Motors, Daimler, BMW, Chrysler, Mercedes- Benz, Nissan, Renault, Hyundai, PSA Peugeot Citroёn, Volkswagen и ряд других — параллельно работают над осуществлением своих технологических стратегий. Многие производители компонентов для гибридных, альтернативных и водородных автомобилей одновременно работают над созданием plugand- play powertrain платформы для новых автомобилей, сокращая число узлов, отнимающих мощность двигателя и, напротив, извлекая мощность из других источников— энергии торможения, выхлопов, Солнца, химической энергии.

Безусловно, все электронные средства управления и обеспечения безопасности, уровня исполнения и комфортабельности автомобиля, такие как электрические двигатели, дисплеи, средства визуального и звукового предупреждения, навигационные системы, фары, также потребляют мощность, и питание этих систем — важный аспект проектирования систем автоэлектроники следующего поколения.

О том, как осуществляют лидирующие производители свои стратегии на примерах новых автомобилей, разработках и применении новых топливно-экономичных автомобильных технологий — далее в статье.

Новые технологии двигателей General Motors

Ключевая стратегия GM — использование множественных источников энергии для повышения топливной эффективности/экономичности автомобилей, сокращения затрат на топливо, снижения эмиссии.

В рамках этой стратегии GM параллельно разрабатывает следующие технологии для повышения топливной экономичности/эффективности автомобилей:

  • новые технологии бензиновых двигателей;
  • биотопливо;
  • электрические автомобили;
  • гибридные автомобили;
  • технология «чистый дизель»;
  • топливные ячейки (fuel cell).

На данном этапе реализации стратегии, лежащей в основе технологии Advanced Propulsion Technology, в современных линейках автомобилей GM реализован прямой впрыск и другие топливно-экономичные технологии бензинового топлива.

GM предполагает, что разработки в области новых технологий позволят автомобилям 2009 года сэкономить примерно 700 млн галлонов бензинового топлива в сравнении с показателем 2008 года.

Топливно-эффективные/экономичные технологии GM, о которых идет речь, включают:

  • DI — прямой впрыск топлива в цилиндры.
  • VVT (Variable Valve Timing) — переменное время открытия впускного и выхлопного клапанов в зависимости от скорости двигателя, предназначенное для оптимизации расхода воздуха и эмиссии.
  • Active Fuel Management — система активного управления топливом, которая автоматически позволяет двигателю запускаться на половине его цилиндров, если полная мощность не требуется.
  • Турбонагнетатели — работающие от энергии выхлопов турбокомпрессоры воздуха, нагнетаемого в двигатель.
  • Топливно-экономичные системы Powertrain, основной компонент которых — 6-скоростные трансмиссии.

В двигателе с обычным впрыском через порт Port Fuel Injected (PFI) engine воздух и топливо смешиваются прежде достижения камеры сгорания. В DI-двигателях компании GM впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр, где оно смешивается с воздухом и воспламеняется посредством свечи зажигания при приближении поршня к верхней мертвой точке. Причем, когда топливо впрыскивается в цилиндр, и топливо, и воздух являются охлажденными. Это допускает помещение в камеру сгорания в большей степени сжатой и в большем количестве ТВС, следовательно, увеличивается мощность и эффективность двигателя, повышается экономия топлива (больше воздуха дает бóльшую мощность и больший крутящий момент, высокие коэффициенты сжатия обеспечивают эффективность и экономию топлива; холодный воздух уменьшает детонацию).

В условиях холодного старта прямой впрыск может помогать при создании более богатой ТВС в близости свечи, облегчая зажигание и обеспечивая более «сглаженную» работу двигателя в течение холодного старта и нагрева, когда создается значительная эмиссия. Согласно данным производителя, двигатели GM с прямым впрыском снижают эмиссию холодного старта на 25%.

Поскольку топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, при прямом впрыске— более высокие давления топлива, чем в обычных двигателях с впрыском через порт. Это обеспечивается специальным насосом топливного давления, управляемым одним из распределительных валов двигателя.

Вместе с технологией прямого впрыска новые двигатели GM используют технологию VVT (рис. 1а–б), позволяющую повысить мощность и топливную эффективность на многих рабочих частотах/скоростях, а также снизить эмиссию. VVT оптимизирует процесс сгорания и повышает баланс мощности, эффективности, эмиссии, а также характеристики NVH (noise, vibration, handling) двигателей.



Рис. 1. Новые технологии двигателей и брендовые автомобили General Motors:
а, б) двигатели 2010 года с прямым впрыском DI и VVT (источник: медиа-ресурс GM; согласно условиям использования фото, выражается благодарность GM Corp.):
а) 2010 GM 3.0L V-6 VVT DI (LF1); б) 2010 Ecotec 2.4L I-4 VVT DI (LAF);
в) кроссовер Chevy Equinox 2010 года с лидирующей в классе характеристикой в 30 mpg, оборудованный новыми двигателями GM;
г) Chevy Volt— автомобиль 2011 года со способностью передвижения до 40 миль при использовании только электрической мощности;
д) Cadillac Escalade Platinum Hybrid `2009 — топливно-экономичный люкс SUV

Вот некоторые цифры, опубликованные в декабре 2008 года и характеризующие текущую линейку автомобилей GM в общем:

  • 700 000 автомобилей GM используют технологию прямого впрыска.
  • Более 3,7 млн автомобилей оборудуется VVT.
  • В 600 000 автомобилей применена технология деактивации цилиндров Active Fuel Management, (по другим данным— 1 млн автомобилей с двигателями V-8 и V-6 имеют систему активного управления топливом).
  • 200 000 автомобилей оснащены турбонагнетаемыми двигателями.
  • 42 000 автомобилей используют и прямой впрыск, и турбонагнетение.
  • Более 2 автомобилей оснащено сберегающей топливо 6-скоростной трансмиссией.

Лидирующие показатели топливной экономии в своем классе на шоссе в 30 mpg — у автомобиля линейки 2010 года Chevrolet Equinox (рис. 1в), оборудованном одним из двух новых двигателей, в которых реализована технология прямого впрыска (DI) — 4-цилиндровый двигатель объемом 2,4 л и 3-литровый V-6. На сайте компании опубликованы данные, что клиенты, которые проедут с двигателем Equinox 2,4 L 15 000 миль в год, сохранят 134 галлона топлива или $270–400 ежегодно (при цене горючего $2–3 за галлон) в сравнении с 2009 Equinox. Общая экономия ожидается в $1,4–2,1 млрд в 2009 году и $2,2–3,3 млрд в 2010 году.

Все новые 2010 Chevy Equinox представляют собой 5-местные кроссоверы с показателем 32 mpg на шоссе, что лучше в сравнении с Honda CR-V и Toyota RAV4.2. Гарантия на автомобиль, который сейчас находится в стадии подготовки к серийному производству, — 100 000 миль на 5 лет, коммерческая доступность запланирована с лета 2009 года.

Прямой впрыск был впервые введен в автомобилях 2007 года Saturn Sky Red Line и Pontiac Solstice GXP. Линейка GM 2009 года с осуществленным прямым впрыском включает 6 двигателей в 18 моделях, а в 2010-м GM планирует представить 8 двигателей в 38 моделях, что составляет 10% от глобального объема.

Дополнительные факты об автомобилях GM: 12 моделей линейки 2009 года показывают топливную экономию в 30 mpg и более (Chevrolet Malibu, Saturn Aura — 33 mpg на шоссе; Chevrolet Cobalt XFE и Pontiac G5 XFE — 37 mpg по хайвею).

General Motors и Мичиганский Университет в 2008 году образовали совместный исследовательский институт — GM/U-M Institute of Automotive Research and Education. Его важнейшие цели — повышение экономии топлива и усовершенствования в области технологий двигателей. И одно из направлений исследований — разработка HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), топливно-экономичной технологии двигателей с низкой эмиссией на основе гомогенного сжатия топлива для зажигания без свечей, уже достигшей стадии прототипирования.

GM Voltec Electric Propulsion System — следующая инновационная разработка GM, включающая электрический привод в автомобиле, способном брать энергию из различных источников: запускаться от электричества, E85, бензинового топлива. Система включает генератор, непосредственно устанавливаемый на двигателе мощностью 53 кВт в нетурбированном варианте 4-цилиндрового двигателя 1,4 л, позволяющего удерживать управление автомобилем во время перезарядки батарей.

Примером реализации данной системы, коммерчески доступным для большого числа покупателей, в скором времени станет Chevy Volt (рис. 1г).

Линейка Chevrolet Chevy сейчас включает 9 моделей с показателем 30 mpg или более на шоссе, включая три гибридные модели. Более 2,5 млн Chevrolet работают на топливе E85. В следующем, 2010 году, Chevrolet будет предлагать покупателям Chevy Volt — электрический автомобиль со способностью передвижения на расстояние 40 миль без использования горючего.

Данные, собранные GM, показывают, что многие автовладельцы проезжают в день не более 40 миль. Поэтому, если дальность поездки не превышает 20 миль в один конец, вождение может быть чисто электрическим. Система Voltec Electric Propulsion System может быть заряжена ночью от обычного домашнего 110-Вт источника, что позволяет проехать до 40 миль в течение дня.

Если поездка—на расстояние свыше 40 миль, для зарядки электрической литий-ионной батареи может использоваться бензиновый, E85 или биодизельный топливный источник. В течение долгого вождения на старте поездки может использоваться заряженная электрическая батарея. Затем будет использоваться внешний источник питания. При удерживании управления с двигателем, работающим на основе топлива, батарея вновь заряжается, и с комбинированием этих двух источников мощности возможно достичь показателя порядка 50 mpg. В Cvevy Volt будет использоваться нетурбированный вариант двигателя: поскольку он служит вспомогательным, но параллельно GM развертывает производство и турбированных 4-цилиндровых двигателей (1,0–1,4 л), в 2011 году двигателем 1,4 л будет оборудоваться Chevrolet Cruze.

Рассмотренная технология, по сути, представляет собой универсальную плагинную гибридную технологию.

В текущей линейке GM сейчас представлено 8 гибридных автомобилей. Стандартная (однорежимная) гибридная система GM характеризуется на 10–20% более высокой топливной экономией и включает 36-В никель-металл-гидридную батарею и 3-кВт электрический двигатель, работающий вместе с 4-цилиндровым двигателем и автоматической трансмиссией. Система сохраняет топливо посредством выключения двигателя, например, при замедлении и движении по инерции, и характеризуется признаком регенеративного торможения, используемого для захвата энергии и заряда 36-В батареи.

Двухрежимная система работает с использованием мощности двигателя, электрической мощности и комбинации обеих. Модуль управления вычисляет требуемую мощность для каждого момента времени и выбирает подходящий рабочий режим, также с использованием регенеративного торможения.

В гибридном режиме 1 (на низких скоростях и при малых нагрузках) гибриды компании GM могут питаться от бортовой 300-В батареи. Режим 1 может также использовать комбинацию электрической мощности и мощности двигателя. Потребление топлива снижается в условиях stop-and-go трафика, когда используется электрическая мощность. В городских условиях, при частых остановках и стартах автомобиля, это заметное преимущество.

В гибридном режиме 2 потребление топлива снижается посредством использования некоторой гибридной мощности батареи, являющейся в данном режиме дополнением к двигателю 6L V-8 (Chevy Tahoe, GMC Yukon, Cadillac Escalade).

Cadillac Escalade Platinum Hybrid`2009 (рис. 1д) — выпущен компанией Cadillac как наиболее технически продвинутый большой люкс-автомобиль, SUV, в котором объединены признаки модели Platinum с топливносберегающими технологиями Escalade Hybrid. Его характеристика — 20 mpg в условиях городского вождения, что на 50% лучше, чем у негибридных моделей.

Двухрежимная гибридная система Escalade позволяет экономить топливо, при этом обеспечиваются признаки автомобиля SUV класса «люкс».

Escalade Platinum Hybrid доступен в конфигурациях 2WD и полноприводной 4WD.

Двухрежимная гибридная система GM в данном автомобиле состоит из электрической трансмиссии (Electrically Variable Transmission, EVT) и 300-В никель-металл-гидридной системы запаса (Energy Storage System, ESS). Эти системы работают вместе со стандартным 6-литровым бензиновым двигателем 4-го поколения V-8 с системой активного управления топливом (Active Fuel Management, AFM) и технологией закрытия впускного клапана с запаздыванием (Late-Intake Valve Closing, LIVC). Процесс сгорания в двигателе осуществляется согласно циклу Аткинсона вместо распространенного цикла Отто. (С циклом Аткинсона ход расширения мощности длиннее, чем ход сжатия, так что энергия сгорания может более эффективно использоваться для производства мощности двигателя. Это дает более низкие температуры выхлопных газов.) Мощность двигателя — 332 л. с. (248 кВт), крутящий момент — 498 Н·м.

В двухрежимной гибридной системе Escalade электрическая мощность, которая используется для того, чтобы вести автомобиль, генерируется гибридной системой самостоятельно. Обеспечивают мощность для EVT два электрических двигателя и 300-В никель-металл-гидридная ESS. Когда прикладывается торможение или автомобиль двигается по инерции, электрические двигатели в гибридной системе вырабатывают электричество, которое запасается в 300-В батарее. Запасенная энергия используется для того, чтобы продвигать автомобиль, и цикл регенеративного торможения возобновляется.

Батарея размещена под сиденьем второго ряда, что фактически не требует дополнительного места и не ухудшает доступ к сиденьям.

По достижении скорости 0 км/ч в условиях городского вождения или в условиях stopand- go бензиновый двигатель автоматически выключается, и автомобиль движется только от электрической мощности (режим Auto Stop). Система выхлопов и резонатор специально настраиваются для работы LIVC AFM двигателей — и для V-4, и для V-8, так что гарантируется комфортабельная акустика автомобиля и выхлопные тоны. Электрически управляемый 300-В компрессор кондиционирования воздуха снижает вибрацию и позволяет системе HVAC охлаждать пассажирское оборудование, даже когда бензиновый двигатель выключается. Климат-система— стандартная тризонная. Электрически управляемая 42-В система рулевого управления также снижает вибрации и обеспечивает до 0,5 mpg экономии топлива: улучшение за счет снижения паразитных потерь, обычных для гидравлических систем с ременным управлением. В системе ESS охлаждающий системный вентилятор настраивается также для работы на низких скоростях, когда шум вентилятора могут услышать пассажиры.

В батарейном пакете Escalade Platinum Hybrid прочность и надежность поддерживаются посредством оптимизированных циклов заряда и разряда, так же как и для охлаждающей системы. Как часть автомобильной системы контроля эмиссии, энергосберегающая система ESS гарантируется на 8 лет/100 000 миль.

Другие технологии модели Escalade Platinum включают светодиодные фары и систему магнитного контроля подвески Cadillac Magnetic Ride Control. Фары LED эмулируют характеристики натурального дневного света в большей степени, чем традиционные. Полезный срок службы — в 20 раз выше галогеновых.

Magnetic Ride Control — система подвески, дающая более точный контроль движения корпуса Escalade Platinum, представляющая собой систему демпфирования в реальном времени, прочитывающую дорогу в пределах миллисекундных интервалов. Система замещает обычные амортизаторы с механическими клапанами электронно-управляемыми с синтетической жидкостью, включающей частицы железа. В присутствие магнитного поля частицы выравниваются и обеспечивают сопротивление демпфирования практически непрерывно.

В фокусе Cadillac — топливная эффективность и функциональность новых автомобилей. Так, Cadillac будет также запускать летом SRX кроссоверы, отличающиеся высоким уровнем функциональности и двигателем 3,0 л с прямым впрыском V-6, обеспечивающим больше мощности и 10–15% экономии топлива по сравнению с замещаемыми двигателями 3,6 л, который ранее попадал в десятку Ward's AutoWorld как один из 2009 “Ten Best Engines”.CTS Sport Wagon, тоже запускаемый этим летом, с тем же топливно-эффективным двигателем (как и седаны CTS/STS) также предлагает бóльшую функциональность.

Технология прямого впрыска и электрические/гибридные двигатели и приводы — это не полный перечень направлений работы GM по осуществлению стратегии питания от различных источников энергии. Высокие цены на бензин/нефть активизировали усилия многих автопроизводителей по созданию автомобилей, способных работать на биотопливе, или так называемых FlexFuel автомобилей — с топливной системой, гибко приспосабливающейся к имеющемуся топливу. Наибольшее распространение в сравнении с другими видами топлива получил этанол E85 — смесь из 85% этанола и 15% бензина, которую производят посредством переработки или утилизации отходов сахарного тростника, кукурузы, лозняка. Это восполнимое топливо, чисто сгорающее и менее дорогое, чем бензин.

В Соединенных Штатах в настоящее время уже более 7 млн автомобилей, которые могут применять E85, причем GM — лидер в производстве автомобилей FlexFuel, работающих на E85: более 3 млн FlexFuel автомобилей (по данным сайта www.gmaltfuel.com — уже 3,5 млн) и 18 моделей GM в 2009 году находятся на дорогах США. Цель GM — половина E85 или биодизелей в 2012 году. В числе этих автомобилей — Cadillac Escalade, GMC Yukon, Hummer H2 и H2 SUT, Opel Ampera, Saab 9.3 X и 2,5 млн автомобилей Chevy.

Некоторые исследования показывают, что в 2030 году этанол может обеспечить замещение до 35% потребления бензина в США, хотя параллельно существует мнение, что значительно ранее большинство новых автомобилей станет полностью водородными, миновав стадию гибридных FCV.

Chevy Equinox Fuel Cell 2010 питается от системы Fuel Cell Propulsion System GM 4-го поколения и проезжает уже 150 миль без перезаправки, достигая скорости 100 миль в час, но пока этот автомобиль еще не представлен к продаже, в отличие, например, от уже продаваемой с 2008 года Honda FCX Clarity.

Издание Green Car Journal удостоил автомобиль Chevy Equinox Fuel Cell своей наградой Green Car Vision Award, отметив его на фоне таких номинантов, как Honda FCX Clarity и Toyota Prius Plug-In, о которых также будет рассказано в данной статье.

В 2010 году на легких грузовиках Chevrolet Silverado и GMC Sierra будет устанавливаться дизельный двигатель Duramax 4,5 л V-8.

Chevrolet и GMC будут также предлагать лидирующую в классе полноскоростную трансмиссию или новый двухрежимный гибрид, обеспечивающий повышение достижимого показателя mpg на 40% в городских условиях и на 25% — улучшение эффективности в общем.

Каталитический конвертер, фильтр частиц, охлаждаемая система Exhaust Gas Recirculation (EGR), турбонагнетатель переменной геометрии — все это используется вместе с дизелем DURAMAX 6600 и позволяет значительно снизить эмиссию. Дизельная технология GM Clean Diesel Technology реализована в следующих транспортных средствах: 2009 Chevy Express, 2009 Chevy Silverado, 2009 GMC Savana, 2009 GMC Sierra.

Технологии Ford: Ecoboost, гибриды, Powertrain

Ford Motor Company в настоящее время выделяется среди других автопроизводителей, прежде всего, тем, что активно развертывает производство двигателей EcoBoost как сигнатурной части новой технологии, представленной ранее на автошоу NAIAS 2009 и 2008 года (рис. 2а). Оценивается, что топливная экономия, достижимая с применением этой технологии, составит 20%, снижение эмиссии CO2 — до 15%, вместе с функциональными улучшениями. Первые автомобили, оснащенные этим двигателем, — Ford Flex 2010 года (рис. 2б) и Lincoln MKS, MKT 2010 года.



Рис. 2. Топливно-экономичные/эффективные технологии Ford для новых автомобилей: EcoBoost, гибриды, разработки Powertrain:
а) двигатель Ford EcoBoost Engine в действии;
б) автомобиль 2010 Flex с двигателем EcoBoost — двойным турбонагнетаемым 3,5-литровым EcoBoost V-6;
в–е) иллюстрация технологии EcoBoost;
ж) автомобиль Ford Fusion Hybrid 2010 года;
з) 2010 Ford Fusion SmartGauge с EcoGuide;
и) концепция BEV автомобиля 2011 года;
к) иллюстрация новой технологии dry dual-clutch PowerShift

Топливно-эффективная технология EcoBoost (рис. 2а, в–е) — это комбинация прямого впрыска и турбонагнетения, усиливающая 4- и 6-цилиндровые двигатели. Прямой впрыск топлива обеспечивает впрыск топлива в каждый цилиндр двигателя в малых и точных количествах. Как уже отмечалось, в сравнении с обычным впрыском, прямой впрыск обеспечивает более холодный и плотный наддув, обеспечивает бóльшую экономию топлива и улучшенные характеристики.

Важной особенностью технологии является применение двойных спаренных турбонагнетателей, принцип работы которых основан на переводе выхлопной энергии обратно в двигатель для усиления его мощности, позволяющих обеспечивать автомобилям типа Flex и MKS мощность двигателя V-8 с сохранением эффективности V-6. 3,5-литровый Duratec EcoBoost дает 355 л. с. на 5700 об/мин с крутящим моментом 350 ft.-lb (примерно 475 Н·м) на 3500 об/мин.

Применение технологии позволяет автомобилю 2010 Flex достигать 22 mpg на шоссе и 18 mpg в городе, MKS — 25 mpg, с 16 mpg в городе. Это больше мощности и лучшая экономия на шоссе в сравнении с лидирующими автомобилями 2009 Lexus GS460 и 2009 Infiniti M45.

Новый двойной турбонагнетаемый 3,5-литровый двигатель EcoBoost V-6 дебютирует этим летом на моделях 2010 Lincoln MKS, MKT, Ford Flex и Taurus SHO. В дальнейшем в планах Ford — осуществить технологию EcoBoost как признак 90% автомобилей линейки Ford Motor Company к 2013 году с полумиллионом автомобилей, работающих на этом двигателе.

Топливная система двойного турбонагнетаемого 3,5-литрового EcoBoost V-6 с топливопроводом— пример сотрудничества Ford с поставщиками: в данном случае Bosch (рис. 2е). Топливное давление в системе прямого впрыска EcoBoost может достигать 2150 psi, что в 35 раз больше, чем в обычном V-6 с впрыском через порт, поэтому здесь требовался специфический инжиниринг.

Большинство топливных систем делятся на подсистемы: топливные насосы, топливные линии — топливопроводы, магистрали, инжекторы. Факторы, которые оказывают влияние на системные характеристики, следующие:

  • расход топлива,
  • тепловое распределение,
  • распределение топлива,
  • NVH,
  • гидравлические пульсации.

Эти входные факторы требуют тщательного системного тюнинга.

Bosch — поставщик аппаратной части GDI системы Ford EcoBoost и разработчика уже второго поколения технологии бензинового прямого впрыска GDI, для осуществления которого компания сконцентрировала свои усилия на трех ключевых компонентах в системе: насос высокого давления, датчик высокого давления и инжекторы. Насос высокого давления характеризуется мембранным дизайном и включает малый поршень, который активируется некоторыми рабочими кулачковыми выступами на распределительном валу — тремя или четырьмя, в зависимости от расхода топлива и требований топливного давления. Система контролирует мембрану с непрерывным контролем рабочего цикла. Давление в магистрали измеряется датчиком давления Bosch, который использует сенсорный элемент из нержавеющей стали с металлическими тонкопленочными измерителями напряжения. Драйвер, активирующий инжекторы, оптимизирован для каждого применения, в зависимости от числа инжекторов и цикла сгорания. Это дает гибкость и возможность осуществления множественных инжекций в течение одного цикла. В сравнении с системой инжекции через порт (Port Fuel Injection, PFI), где топливная инжекция должна быть закончена, прежде чем впускной клапан закроется, с системой прямого впрыска топливо может впрыскиваться после того, как впускной клапан закроется. Это имеет различные преимущества: эффект охлаждения и нагнетение больше воздуха, а топливная эффективность на 3–4% выше в сравнении с PFI. Дальнейшие преимущества — возможность оптимизации системы с VVT с помощью стратегий инжекции и нагнетения.

Гидравлические пульсации или стук двигателя — обычное явление для всех топливных систем прямого впрыска, которое влияет на распределение топлива и срок службы/прочность компонентов. Ford и Bosch разработали гидравлические модели и методы для настройки гидравлической частоты в каждой подсистеме, в результате чего гидравлические пульсации были снижены, поэтому обеспечивается лучшее распределение топлива и улучшенная прочность компонентов, повышается функциональность/уровень исполнения и снижается эмиссия.

Другой новый метод, реализованный в EcoBoost, — паттерны (Bolting Pattern) для топливных магистралей высокого давления, предназначенные для уменьшения эффекта механического перемещения магистрали при гидравлическом давлении порядка 2150 psi.

Ford и Bosch разработали также новую систему питания с Y-топливопроводом, который отличается от обычных мультитопливных систем. Метод Y-топливопровода обеспечивает в системе прямого впрыска частные преимущества, включая сниженные пульсации, разделение гидравлических частот, улучшенное распределение топлива, улучшение технологии сборки. Y-pipe также одновременно заполняет две половины магистрали — в противоположность мультитопливной системе, где одна магистраль должна заполняться полностью прежде наполнения другой магистрали.

Двойные турбонагнетатели в системе EcoBoost представляют новый подход Ford к осуществлению топливно-экономичных/ эффективных бензиновых двигателей. EcoBoost включает два турбонагнетателя Honeywell GT15 — по одному на каждом блоке цилиндров, работающие в тандеме. Эта технология, использующая выхлопной газ в комбинации с прямым впрыском топлива, позволяет EcoBoost V6 обеспечивать мощность V-8. EcoBoost V-6 объемом 1,5 л — первый бензиновый двигатель прямого впрыска с двойным турбонагнетением, произведенный в Северной Америке.

Электронное управление уравнивает уровни усиления и крутящего момента и непрерывно обеспечивает крутящий момент — что, как следует заметить, не является типичным признаком для турбонагнетаемых двигателей предыдущего поколения.

В системе турбонагнетателя — шлюз выбросов с контролируемым давлением и тщательно настроенным внутренним клапаном. Выхлопной газ, текущий через турбонагнетатель, вращает турбинное колесо на очень высокой скорости (≈170 000 об/мин) и ведет турбину компрессора на стороне с чистым воздухом. Вентилятор с высокой плотностью заполняет впускным воздухом двигатель (воздух сжат до 12 psi), что дает увеличенные характеристики. С этим двойным турбонагнетателем EcoBoost V-6 дает на 25% больше воздуха, чем 3,5-литровый Duratec V-6.

Сконструированные для надежности с долгим сроком службы, турбонагнетатели EcoBoost характеризуются водяной охлаждающей рубашкой подшипников/опорных поверхностей. Эта архитектура предназначена для предотвращения масляного «коксования» (Oil Coking), типичного для предыдущих версий турбонагнетателей. Новый дизайн EcoBoost означает, что водителям не нужно следить за специальными рабочими предупреждениями типа холостого хода двигателя прежде его выключения.

Турбонагнетатели рассчитаны на срок службы 150 000 миль, или 10 лет. Плюс, Ford EcoBoost обещает окупить затраты за 2,5 года за счет экономии топлива. В сравнение, дизельные двигатели требуют 7,5 лет окупаемости, гибриды — 12 лет.

Важное отличие системы EcoBoost также состоит в следующем. Обычный турбонагнетаемый бензиновый впрыск использует датчик массового расхода воздуха и MAP (датчик абсолютного давления впускного патрубка). Система Ford использует только MAP-датчик.

Технологии Powertrain и гибридная система Ford Fusion Hybrid 2010 года (рис. 2ж) обеспечивают для этого автомобиля лучший в классе показатель — 41 mpg в городских условиях и 36 mpg на шоссе, что на 8 mpg в городе и на 2 mpg выше, чем, например, у Toyota Camry Hybrid. Fusion Hybrid получает мощность от двух источников: электрического двигателя, питающегося от NiMH- батареи, и двигателя следующего поколения 2,5 л I-4, функционирующего в соответствии с циклом Аткинсона. Комбинированная мощность — 191 л. с. Данный бензиновый двигатель также характеризуется поздним закрытием клапана (Late Intake Valve Closing Timing, iVCT или LIVC) и специально разработанным микропроцессорным управлением на этапе перехода от электрического к бензиновому двигателю.

Для того чтобы проехать более 700 миль с топливным баком в 17,5 галлонов, Fusion Hybrid может достигать в чисто электрическом режиме скорости до 47 миль/ч, что является очень высоким для гибридного автомобиля показателем. (Параллельно можно отметить довольно высокие показатели гибрида Ford Escape Hybrid— 34 и 31 mpg в городе и на шоссе соответственно и скорость 40 миль/ч.)

Кроме того, в автомобиле Fusion Hybrid задействована электронная бесступенчатая трансмиссия electronic Continuously Variable Transmission (e-CVT) (Aisin Powersplit), допускающая более сглаженный переход от электрического режима к обычному и наоборот.

Другие гибридные системы Fusion включают:

  • Батарею NiMH — малую и более легкую, а также на 20% более мощную, чем предшествующая.
  • Улучшенное управление дросселем с уменьшением расхода воздуха при выключении, что снижает необходимость в топливе при последующем старте.
  • Регенеративную систему торможения, запасающую около 94% энергии, часть из которой теряется вследствие трения.

Инновационная разработка Ford, дебютирующая в 2010 году в Fusion Hybrid — двойной кластер SmartGauge с EcoGuide (рис. 2з)— с инструментальным кластером, помогающим водителю в осуществлении более топливно-экономичного вождения.

В планах Ford также разработка гибридов плагинного типа PHEV и гидрогенных Fuel Cell автомобилей.

Ford продолжит разработку батарейных литий-ионных систем, которые будут питать будущие электрические, гибридные электрические и плагинные автомобили 2010–2012 года. В больших объемах их цена ниже, чем у батарей NiMH: примерно на 30% в объемах партии из 3 млн гибридных автомобилей.

Ford планирует использовать Li-ion системы для того, чтобы питать чисто батарейный коммерческий автомобиль BEV Transit Connect commercial van 2010 года и пассажирский BEV 2011 года, разработанный в сотрудничестве с Magna International (рис. 2и).

Можно добавить также, что, согласно майским данным сайта Ford и Clean Green Cars (www.cleangreencars.co.uk), именно Ford сейчас лидирует по уровням снижения CO2, что прямо связано с улучшенным потреблением топлива. Две топливно-эффективные модели 2009 года — Fiesta и Ka. Эмиссия Ford Fiesta ECOnetic — всего 98 г/км (что эквивалентно 76,3 mpg). Ford Ka характеризуется выходом CO2 от 112 г/км (67,3 mpg).

Более эффективные коробки передач— еще одна ключевая часть технологий Powertrain Ford. 6-скоростная, так называемая сухая трансмиссия dry dual-clutch PowerShift (рис. 2к)— одна из недавних инноваций. Два сцепления контролируются двумя ручными коробками, что дает эффективность ручной и функциональность автоматической коробок. В отличие от концепции автоматизированной ручной передачи, качество переключения повышено.

Ford производит также гидравлическую трансмиссию с двойным сцеплением для европейских автомобилей. В «сухой» версии используется мехатронный подход. Два двигателя контролируют и сцепление, и вилки переключения передач. Мехатронный дизайн исключает преобразователи крутящего момента и гидравлический насос — основные потребители мощности в традиционной автоматической коробке, что обеспечивает консервативное улучшение экономии топлива до 9% в сравнении с 4-скоростными. Данная технология дополняет EcoBoost.

«Экологичные» технологии Honda: IMA, Eco Assist, FCX Clarity

Гибридная технология Honda представлена двумя моделями: Civic Hybrid и Insight Hybrid (рис. 3а–б). Honda Civic Hybrid характеризуется как автомобиль AT-PZEV CARB по эмиссии, показателем до 45 mpg на шоссе и оснащается интегрированной системой помощи Honda Integrated Motor Assist (IMA), принцип работы которой показан на рис. 3в.



Рис. 3. Новые технологии автомобилей Honda:
а, б) гибридные автомобили Honda:
a) Civic Hybrid 2009 года; б) Insight Hybrid 2010 года;
в) принцип работы;
г) внешний вид системы Integrated Motor Assist (IMA) в автомобиле Honda Insight Hybrid;
д) система Ecological Drive Assist System (Eco Assist) в автомобиле 2010 Insight Hybrid;
е) CNG автомобиль Civic GX;
ж) внешний вид водородного автомобиля FCX Clarity;
з) принцип работы: 1— водородный бак запасает водород; 2— топливный стек FC генерирует электричество; 3— литий%ионная батарея запасает электричество; 4— блок управления мощностью Power Drive Unit (PDU); 5— электрический двигатель привода продвигает автомобиль

Данная система — классический пример параллельного гибрида, в котором оба двигателя — и электрический, и бензиновый — могут передавать мощность на ведущие колеса параллельно, в отличие от последовательной схемы, в которой ведущие колеса, как правило, непосредственно управляются только электрическим двигателем. Отличием системы IMA является то, что бензиновый двигатель (4-цилиндровый двигатель i-VTEC мощностью 110 л. с.) в ней является основным агрегатом, а электрический — вспомогательным или ассистирующим. Также в системе для запасания энергии торможения применяется батарея, электродвигатель в данном режиме работает как генератор. В Civic Hybrid применены последовательное зажигание и CVT.

Honda Insight 2010 года отличается улучшенной системой IMA для 1,3-литрового двигателя i-VTEC, а также интерактивной технологией повышения экономии топлива посредством акцентирования внимания водителя, названной Ecological Drive Assist System (Eco Assist)(рис. 3б–д). Eco Assist (рис. 3д) включает два главных компонента: кнопку ECON, которая модифицирует работу автомобиля, и систему обратной связи. Эти компоненты могут работать индивидуально или в тандеме, усиливая экономию топлива. При нажатии зеленой кнопки ECON водителем активируется режим ECON, оптимизирующий работу CVT-трансмиссии и двигателя.

Eco Assist также имеет функцию обратной связи, которая использует Ambient Meter— усиленный цветом фон спидометра, для того чтобы обеспечивать руководство в вождении в соответствии с окружением. Когда управление эффективно, цветовой фон зеленый. Вождение в агрессивной манере соответствует синему/голубому цвету. Если стиль вождения соответствует среднему из стилей, цвет переключается от зеленого к синему.

Функция Eco Guide обеспечивает дальнейшую обратную связь о методах вождения, функция Eco Scoring обеспечивает обратную связь о стиле вождения. Когда вождение эффективно, система информирует об этом иконкой листочка. Мультиинформационный дисплей (Multi-Information Display, MID) позволяет видеть топливно-экономичные фигуры за прошлые три поездки, обеспечивает сбор мгновенной и средней статистики. Таким образом, Eco Assist помогает разрабатывать топливно-эффективные характеристики вождения в течение длительного времени.

Характеристики EPA для этого автомобиля: 40 mpg в городе; 43 mpg на шоссе; 41 mpg комбинированных.

Honda выпускает также автомобиль Civic GX, работающий на CNG-топливе (рис. 3е)— AT-PZEV автомобиль с 16-клапанным 4-цилиндровым 1,8-литровым двигателем SOHC i-VTEC мощностью 113 л. с.

Honda FCX Clarity (рис. 3ж–з) — более топливно-эффективный автомобиль в сравнении с обычными бензиновыми автомобилями.

В бензиновых двигателях бензиновое топливо используется для нагрева и расширения воздуха, который тогда управляет поршнями двигателя и коленчатым валом. Водородные автомобили (Fuel Cell Vehicles, FCV) намного более эффективны, поскольку преобразование водорода в электричество, используемое для питания электрического двигателя, — электрохимический процесс, продуктом которого является только вода.

FCX Clarity характеризуется значительно меньшим числом компонентов в своей системе привода, отсутствием поршней, распределительных валов, поэтому потери энергии в этих системах исключаются.

Эволюция FCX Clarity ведет отсчет с 1999 года, когда были созданы первые прототипы автомобилей FCX-V1 и FCX-V2. Стеки питания вначале отличались значительными размерами, но, работая над своими оригинальными стеками Fuel Cell (FC), специалисты Honda сделали их меньше и легче.

В2000 году были введены прототипы FCX-V3, а в 2001 они были оборудованы батарейными стеками Honda. При разработке автомобилей следующих поколений инженеры стремились достичь таких целей:

  • безопасность автомобиля для публики;
  • работа в условиях заморозков;
  • способность к вождению в течение существенных расстояний без пополнения топливной системы;
  • легкость пополнения топлива;
  • уровень исполнения и комфортабельность.

Прототипы FCX-V4 в 2002 году были сертифицированы Environmental Protection Agency (EPA) и California Air Resources Board (CARB) и одобрены для коммерческого использования. С этого момента автомобили Honda выпускались малыми партиями для удовлетворения частных, правительственных/ведомственных/коммерческих заказов, а с лета 2008 года автомобили FCX Clarity представлены к продаже для клиентского применения. Фактически, именно Honda становится первым в мире производителем коммерческих FCV-автомобилей, хотя концептуальные модели, готовые к серийному выпуску, разработали и другие производители.

Как известно, главный барьер для распространения водородных автомобилей — отсутствие инфраструктуры питания. Honda разрабатывает также домашние электростанции Home Energy Station, позволяющие обеспечивать энергией дом и автомобиль.

Эксперименты с целью разработки домашних электростанций начались в США в 2003 году. Honda FC Stack — это поколение систем питания уже было способно работать при –20 °C, и компания в 2005 году на основе этих систем разработала второе поколение автомобилей FCX. Дебют FCX Clarity как первого в мире FCV-автомобиля состоялся на лос-анджелесском автошоу. Новый стек на 20% меньше и на 30% легче, чем предшественник, старт возможен при температурах 23 °F.

Наиболее отличительный признак FCX Clarity помимо наличия FC — схема линейного течения, позволившая сделать powertrain- компоненты более компактными и эффективными.

Назначение основных powertrain-компонентов следующее (рис. 3з):

  • FC комбинирует водород и кислород и генерирует электричество, которое затем питает электрически двигатель, продвигающий автомобиль. Вода как единственный гидропродукт остается позади автомобиля.
  • Водородный бак запасает водород.
  • Литий-ионная батарея запасает электричество.
  • Блок управления мощностью Power Drive Unit (PDU) — назначение явствует из названия.
  • Электрический двигатель и привод продвигают автомобиль.

С EPA-сертифицированным эквивалентом в 60 mpg (60 миль на кг), FCX Clarity способен проехать до 240 миль без пополнения запасов топлива. Газообразный водород для FCX Clarity измеряется в килограммах. Для сравнения, один килограмм виртуально сравним с галлоном газа, и заполнение бака составляет по времени только 1 минуту. Легко и безопасно можно получить его на одной из водородных заправочных станций — при их на- личии в распределенной инфраструктуре, создание которой — задача будущего для топливного бизнеса и правительства.

Данный автомобиль был назван «зеленым автомобилем мира» в текущем году — 2009 World Green Car.

Продолжение статьи

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке