Гибридные автомобили: экологичная экономия на колесах

Двадцатый век - период войн, катаклизмов, резких подъемов и падений - ознаменовался эпохой стремительного развития автомобильной промышленности. Сложные и простые, грациозные и неповоротливые машины за сотню лет преодолели путь становления, развития и, наконец, завоевания какой-то «части» жизни каждого из нас. На протяжении всего этого времени вместе с очевидными преимуществами четырехколесных средств передвижения сосуществовали также их явные недостатки, а именно: абсолютная зависимость от источника энергии (топлива) и негативное влияние на окружающую среду продуктов горения этого топлива, в том числе, углекислого газа.

Ученые и инженеры разных стран решили избрать разные пути решения «автомобильных» проблем. Кто-то ограничился введением жестких экологических норм, стимулирующих производителей разрабатывать авто с низкими показателями загрязнения окружающей среды. Некоторые страны развернули кампании по переходу на альтернативные виды горючего, такие как, например, этанол (состоит из этилового спирта и бензина). В то же время азиатские разработчики решили пойти более сложным путем и заняться совершенствованием самих автомобилей, а не топлива, и тем самым сделать их не только экологически «чистыми», но и экономичными, что для рядового потребителя, особенно в наше время, немаловажно. В ходе одного из таких экспериментов свет увидел первый массовый гибрид-современник - герой сегодняшней статьи.

Согласно определению, «гибрид» – это объект, сочетающий в себе свойства других (двух или более) объектов. В этом случае имеется в виду силовая установка гибридного авто, в основе которой лежит симбиоз нескольких абсолютно разных типов приводов (в нашем случае - это двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор).

Этот «гибридный» мир

В жизни с гибридами обычному человеку приходится сталкиваться куда чаще, чем можно предположить. Неторопливый мопед в руках дедушки-пенсионера, тяжелый локомотив на железнодорожной станции и гигантский карьерный самосвал - по сути, все они оснащены силовыми установками смешанного типа. Мопед относят к категории гибридов по причине комбинации в нем движущей силы педалей ездока и бензинового двигателя.

Некоторые типы тяговых агрегатов поездов также принято считать дизель-электрическими гибридами, работающими на топливе и электричестве. В то же время определенные виды железнодорожного транспорта относят к этой категории средств передвижения по причине использования в них электрической коробки передачсхемы передачи энергии от двигателя к колесам (так же, как и в случае с мощными карьерными грузовиками). Причина перехода на электронику электричество – сложность передачи крутящего момента на колеса большой и очень тяжелой движущей установки. Схема функционирования такой системы проста – работающий на горючем топливе двигатель приводит в движение генератор, который обеспечивает энергией тяговые электродвигатели.

К числу гибридов техники-конструкторы относят также современные субмарины, оснащенные дизель-электрическими, атомными силовыми установками.

Несмотря на то, что о гибридах многие автомобилисты узнали лишь в конце ХХ века, история этого «вида» транспортных средств уходит далеко в прошлое.

Страницы истории

Кто бы мог подумать, но первые, пусть простые и медленные, гибридные самоходные установки (автомобилями эти устройства вряд ли получится назвать) появились еще в позапрошлом веке. В отличие от классических авто современности, «гибридные» транспортные средства того времени приводились в движение силой водяного пара, а максимальная скорость такой системы на колесах не превышала десятка километров в час. Самый первый «автомобиль», использовавший в качестве движущей силы электрическую энергию, в 1839 году сконструировал шотландец Роберт Андерсон (Robert Anderson). К сожалению, в то время на изобретение внимание так никто и не обратил.

Спустя 50 лет, на рубеже веков, в летопись эволюции гибридных авто свои имена вписали еще два человека: уроженец Бельгии Генри Пайпер (Henri Pieper), в 1905 году запатентовавший гибридную схему для авто, которая предусматривала использование электромотора наряду с бензиновым, и немец Фердинанд Порше (Ferdinand Porsche). История создания вторым машины Lohner Electric Chaise (Lohner-Porsche Mixte Voiturette) породила множество слухов и легенд.

Одни считают, что Chaise, повергнувшая в шок посетителей одной из ярмарок Парижа, приводилась в движение несколькими электрическими моторами и двигателем внутреннего сгорания с генератором, который это электричество производил – такой себе примитивный гибрид. Тем не менее, сторонники другой версии истории Mixte Voiturette уверены, что автомобиль функционировал от перезаряжаемой 44-элементной батареи емкостью 300 Ач, заряда которой хватало примерно на 65 км пути. Несмотря на медлительность, «дилижанс» работал практически бесшумно. Согласно данным исторических источников, «настоящие» гибриды конструктор Порше, работавший в мастерских Lohner, начал собирать немного позже.

Совершенствуя свои разработки, Порше вскоре удивил мир первым в истории четырехприводным полноприводным гибридным авто.

Нужно отметить, что во время Первой мировой войны Порше, не имевший высшего образования, продолжил разрабатывать автомобили с гибридными двигателями, за что вскоре был удостоен звания профессора Венского технического университета.

Конечно, выпускать такие машины с их экономичностью и экологичностью было в то время удовольствием дорогим, поэтому со временем более дешевые классические авто и конвейерная революция Генри Форда (Henry Ford) вытеснили инновационные наработки конструкторов, оставив для них место лишь в павильонах музеев.

Стремительный рост цен на нефть и газ в 1970-х заставил разработчиков и потребителей вновь обратиться к уже практически забытым мечтам конструкторов создать экономичное и универсальное средство передвижения. В этот период на улицах Западной Германии появилися ьзнаменитый концепт европейские гибриды VW Taxi производства Volkswagen, который сочетал в себе параллельную схему включения бензинового и электромотора. В 1992 году пресс-служба Toyota обнародовала данные о намерениях компании всерьез заняться разработкой максимально экономичных транспортных средств с низкими показателями загрязнения окружающей среды. Год 1997 ознаменовался выходом на японский рынок автомобиля Toyota Prius, такого себе символа современной «гибридизации». За 12 первых месяцев маркетологам компании удалось продать около 20 тысяч этих машин.

Европейским автомобилестроителям, к сожалению, не удалось добиться успехов Toyota у себя на рынке. Выпущенная в 1997 году модель Audi Duo, созданная на базе модели А4 с дизльным двигателем 1,9TDI работающим в паре с 29-киловатным электромотором, в Старом Свете потребителя не нашла, поэтому производство этих авто со временем прекратили, а сама компания сосредоточила усилия на разработке дизельных двигателей. Но не стоит думать, что Toyota что-то заработала на Prius. По некоторым даннм, производство не окупилось до сих пор, зато послужило отличной площадкой для отработки технологии.

Спустя два года инженеры Honda порадовали экономных автомобилистов анонсом своего гибрида - двухдверного хэтчбека Insight. Кроме наличия гибридной силовой установки, модель частично была сделана из легкого пластика и имела очень низкий коэффициент сопротивления воздушному потоку. Отсюда – очень низкий расход топлива.

С началом нового тысячелетия Toyota начала поставки Prius за рубеж, тем самым проникнув на рынок США, одну из самых успешных площадок для продаж гибридных автомобилей в мире. Несмотря на блистательный успехсносный уровень продаж, не обошлось без неприятных инцидентов. В 2005 году представители Toyota объявили об отзыве 160 тысяч гибридов Prius для ремонта (75 тысяч единиц в Соединенных Штатах, 70 тысяч в Японии и 14 тысяч в других регионах). Проблема заключалась в сбое программного обеспечения компьютера авто, что зачастую приводило к внезапной остановке бензинового двигателя во время движения.

Как это работает

Давайте сравним самый обычный автомобиль с самым обычным двигателем внутреннего сгорания и электромобиль. В качестве критериев оценки выберем два наиболее общих и, если хотите, значимых:

- преодолеваемое расстояние в километрах без дозаправки или на одном заряде блока аккумуляторов;
- сложность и длительность процесса заправки.

Итак, машина с бензиновым двигателем способна проехать без дозаправки пару-тройку четыре-пять сотен километров и отравить атмосферу традиционным объёмом вредных веществ. Заправочных станций предостаточно в любом регионе. Пополнить запасы топлива можно за считанные минуты.

В свою очередь, электромобиль может проехать на одном заряде блока батарей порядка 80 - 160 км. Он экологически чист, бесшумен и практически безупречен до того момента, пока не наступает очередь подзарядки аккумуляторов. У существующих в наше время «электрических» машин этот процесс может длиться несколько часов, и тут появляется еще один фактор - время, которое для человека иной раз имеет наивысший приоритет. Конечно, экологичность электромобиля зависит и от того, каким путем было поучено электричество для его зарядки. Но это уже отдельная тема.

Получается, что у каждого типа двигателя есть свои преимущества и недостатки. Гибридный же автомобиль является компромиссным решением, так как сочетает в себе универсальность бензинового агрегата и экономичность + экологичность электромотора.

Силовая установка гибрида состоит из:

- бензинового двигателя - практически такой же, как и на обычных авто, только меньшей мощности, а значит, более экономный, плюс, работающий в щадящем и более экологичном режиме;

- топливного бака – резервуар для горючего (бензина, к примеру). Нужно отметить, что способность концентрации энергии жидким топливом намного выше показателей тех же батарей. К примеру, на сегодняшний день для сосредоточения энергии, вырабатываемой 3,7 литрами горючего топлива, необходимо задействовать 400 килограммов аккумуляторов;

- электромотора – усовершенствованный вариант стандартного агрегата. Эта «совершенность» объясняется возможностью устройства работать как мотор и как генератор;

- генератора – служит для выработки электричества;

- аккумулятора – устройство для накопления и хранения электроэнергии, которая впоследствии будет использована электромотором;

- трансмиссии – выполняет те же функции, что и в обычных авто. Гибридные авто Honda Insight комплектовались стандартными трансмиссиями, хотя при сборке Toyota Prius инженерам приходится использовать модифицированные варианты.

По принципу взаимодействия электрической и топливной составляющих авто, гибридные приводы принято разделять на две категории: последовательный и параллельный.

В последовательном гибриде двигатель внутреннего сгорания соединения с колесами не имеет вообще, но служит в качестве генератора для зарядки батарей. Роль тяговых тут играют электромоторы, питаемые или батареями, или генератором. Если же имеем дело с параллельной схемой, то здесь к колесам «присоединен» и двигатель внутреннего сгорания (посредством коробки передач), и электромотор.

В структуре силовой установки автомобиля Toyota Prius, которую мы рассмотрим, присутствуют элементы системы и параллельного, и последовательного привода. При разработке Prius японские инженеры поставили перед собой две задачи – заставить авто проехать дальше и снизить уровень загрязнения окружающей среды.

В определенной мере им это сделать удалось.

Используя электромотор в качестве вспомогательного, инженеры получили возможность отказаться от прожорливого и мощного двигателя внутреннего сгорания. Движок меньшей мощности вырабатывает меньше энергии (что вполне допустимо) и потребляет меньшее количество горючего – вот она, долгожданная экономия. В суетливом и тесном городе при движении на скорости до 30 км/ч Prius превращается в электромобиль. Бензиновый агрегат включается лишь в случае сильной нагрузки – во время обгона активного набора скорости или движения по скоростной магистрали. Разумеется, когда запас энергии в аккумуляторах низок, бензиновый двигатель не выключается и заряжает их.

Чтобы организовать слаженную работу всех элементов гибридной системы, машину комплектуют бортовым компьютером, который следит за всеми параметрами и даже торможением.

Говоря о тормозных системах, используемых в современных моделях гибридных автомобилей, часто оперируют понятием «рекуперативное торможение». Это процесс, когда кинетическая энергия, которой обладает движущийся на скорости объектавтомобиль, при торможении не рассеиваетсяпревращается в тепло между тормозными колодками и дисками, а собирается электрогенератором используется для подзарядки батарей.

Преимущества и недостатки гибридов

Как и любое другое изобретение, автомобили с электротопливными силовыми установками имеют преимущества и недостатки. Несомненно, самым ярким преимуществом таких авто потребители считают экономичность использования, при которой гибриду удается соответствовать главным параметрам обычного авто – скорость, мощность, универсальность. Экологам машины с бензин-электрическим приводом нравятся потому, что снижение расхода горючего позволяет сократить выбросы углекислого газа. Нужно сказать, что уровень развития технологий в этой сфере уже позволяет разрабатывать автомобили самых разных категорий – от «спокойных» семейных авто до заносчивых и дерзких внедорожников, готовых пройти где угодно и когда угодно. Другим очевидным преимуществом гибридных машин является резкое увеличение дальности пробега, что лишает вечно торопящегося владельца необходимости часто посещать автозаправочные станции.

Теперь о недостатках. Гибридные автомобили чрезвычайно сложны, поэтому за ремонт сломавшейся машины взяться сможет не каждый. Отметим, что большинство станций техобслуживания с большой неохотой берутся за ремонт гибрида, а иной раз можно и отказ получить. Исправность автомобиля теперь зависит не только от стабильного функционирования механики, но и от работы бортового компьютера, отказоустойчивость которого никогда не приближалась к 100% отметке и вряд ли приблизится.

Другой аспект – аккумуляторы, срок службы которых ограничен десятком-другим летнесколькими годами. Честно говоря, никто пока что всерьёз не изучал утилизацию использованных батарей; вопрос этот - лишь дело времени. К тому же гибридные автомобили всё еще дороги, и переплачивать за перспективную экономию и экологию во многих странах могут себе позволить лишь люди состоявшиеся.

Нефтяная действительность и экология – послезавтра может уже не быть

Недавно опубликованный доклад Межправительственной группы экспертов ООН дает возможность понять, что все изменения климата (отнюдь не в нашу пользу) на 90% вызываются воздействием человечества на окружающую среду. Мы не раз слышали пугающие истории о том, что однажды арктические льды растают, уровень воды в океане поднимется, и целые регионы окажутся затопленными. Не секрет, что действовать решительно и уже сейчас браться за решение этой проблемы могут многие, но просто не хотят.

По словам Ганса Верольма (Hans Verolme), директора исследовательских программ по климатическим изменениям Всемирного Фонда дикой природы (WWF), глобальные изменения климата имеют прямое отношение к ухудшению условий жизни миллиардов людей и понижению благосостояния экономик многих стран. Ученые утверждают, что если сократить выбросы двуокиси углерода в ближайшее время не удастся, человечеству придется столкнуться с резкими и непредсказуемыми последствиями своих же ошибок.

К счастью, некоторые успешные компании уже сейчас готовы идти навстречу экологам и всячески противостоять надвигающейся беде. Совсем недавно, к примеру, 150 компаний из Европы, Соединенных Штатов, Китая и Австралии подписали документ-прошение о принятии правительствами государств мер по борьбе с негативными факторами, вызывающими глобальное потепление. Среди организаций, участвующих в проекте, можно отметить разработчика мобильных телефонов Nokia, известную всем спортсменам компанию Nike, а также Britsh Airways, eBay, L'Oreal. Как видим, бизнесмены заинтересованы в поддержке частными и государственными структурами программ по ужесточению контроля за экологией производства товаров и предоставления услуг, поощрению «зеленых» инициатив.

Конец осени 2007 года для рынка нефти ознаменовался непредсказуемыми ценовыми рекордами, десятками миллионов долларов доходов для одних участников и убытков для других. В этот период цена нефти успела преодолеть несколько рубежей и вплотную приблизилась к отметке в $100, хотя в начале этого года на рынке за баррель ископаемого топлива платили всего $50. Среди факторов, влияющих на рост цен на черное золото, многие эксперты отмечают нестабильность доллара, ситуацию в Ираке, Турции, природные катаклизмы, неопределенность в отношениях с Ираном.

Помимо роста цен, сталкиваемся еще с одной проблемой уже недалекого будущего – нефть скоро закончится. На первых порах нехватки сырья индустрия чувствовать не будет, однако для удовлетворения потребностей энергетиков добытчикам уже сейчас необходимо запускать новые мощности для производства добычи нефти. По прогнозам аналитиков, объемы необходимых капиталовложений в сегмент ближе к 2030 году могут превысить 5 триллионов долларов. Есть еще мнение, что альтернативные источники энергии будут найдены и нефть, не успев закончится, будет уже не нужна.

Нужно сказать, что практически абсолютная зависимость индустрии от ископаемых источников энергии (до 90% в 2030 году) может спровоцировать нехватку пищи для миллиардов людей. На первый взгляд, очевидной связи между двумя абсолютно разными секторами нет. Рассмотрим такую ситуацию – нефть дорожает, и потребитель пытается найти альтернативу черному золоту. Один из вариантов – биотопливо, вырабатываемое из сельскохозяйственных культур. Фермеры готовы отдать большую часть угодий под выращивание технических зерновых, и до определенного момента это будет выгодно. С другой стороны, на увеличение стоимости продуктов питания влияет рост цен на экспорт, вызванный той же нестабильностью на рынке нефти. Чтобы найти выход из сложившейся ситуации, экономисты предлагают реформировать сельское хозяйство и обратиться к забытому в позапрошлом веке натуральному производству.

Гибриды сегодня и завтра

Многие потребители утверждают, что ездить на гибриде сегодня модно. В этом даже есть своя доля патриотизма, скрытая под капотом универсальной покупки, позволяющей экономить. Однако в каждой стране к таким машинам с электротопливными тяговыми установками относятся по-разному. Возьмем, к примеру, американцев, у которых имеется своя точка зрения на экологию их государства и мира в целом. Сейчас в стране действуют серьезные экологические нормы, которые стимулируют разработчиков авто делать безопасные машины.

Несколько лет назад, когда на рынке страны появились первые Toyota Prius, большинство жителей США относились к таким авто с опаской. Кто-то остерегался непредвиденных поломок и затрат, кого-то смущала еще ничем не оправданная дороговизна. Тем не менее, сегодня в Соединенных Штатах продается больше гибридных авто, чем где-либо в мире, по улицам колесят гибридные купе, внедорожники и даже автобусы не только от японских разработчиков, но и родных General Motors, Ford. Популярностью пользуются мощные и большие машины, такие как, к примеру, Mercury Mariner.

Интересно отметить, что в рамках проходившего в этом месяце в Лос-Анджелесе традиционного ежегодного автосалона 2007 Los Angeles Auto Show - сто первого по счёту, более половины компаний могли похвастаться гибридными приводами.

Наибольший интерес аудитории вызвали дорогие и массивные внедорожники Porsche Cayenne, Dodge Durango, Cadillac Escalade Hybrid. Ценителей дорогого и раритетного эксклюзива сотрудники Porsche решили порадовать показом легенды истории гибридных автомобилей - Lohner Electric Chaise, о котором мы говорили ранее. Автомобиль впервые покинул границы Европы и предстал во всей красе перед десятками тысяч посетителей выставки. Представители компании также раскрыли несколько секретов долгожданного гибрида Cayenne.

Оснащенный параллельным электротопливным гибридным приводом, Cayenne способен с помощью одного лишь электромотора разгоняться до 120 км/ч. Блок аккумуляторов расположился под багажником, на месте запаски. Зарядка батарей может производиться посредством, как рекуперативной тормозной системы, так и самого бензинового двигателя объемом 3,6 литров. Системой управляет бортовой компьютер.

Инженеры обещают, что этот гибридный, довольно дорогой внедорожник сможет порадовать владельца неплохими показателями экономии - «всего» 8,9 литров топлива на 100 километров.

Европейский рынок, признаться, вступил в век гибридизации немного иначе. Дело в том, что на дорогах стран Старого Света очень распространены автомобили с дизельными двигателями. Вместо огромных и прожорливых американских «вездеходов» здесь колесят экономные малолитражки, которым преимущества гибридизации, казалось бы, не нужны вовсе. Зачем европейцу переплачивать за дорогой бензиново-электрический агрегат и ломать голову в поисках сети сервисных центров?

Но так думает лишь определенное число владельцев авто. По данным компании Toyota, в последнее время все большее количество состоятельных людей готовы стать владельцами машин с бензиново-электрическим приводом. Нельзя не отметить грамотный ход маркетологов японской компании, которые помимо семейных и слегка простоватых Prius пустили на дороги Европы красивые и статусные гибридные авто Lexus. Для них гибридный привод становится неким элементом престижности и технологичности.

Гибридные автомобили в России

В качестве итога хотелось бы сказать пару слов о гибридах и России, с ее бесконечными столичными пробками и насущными проблемами каждого автомобилиста.

По мнению большинства экспертов, для отечественного потребителя век гибридизации еще не наступил. Разработчики лишь присматриваются к нашему рынку и осторожно выбрасывают в павильоны автосалонов мелкие партии новых моделей гибридов.

Причин такого поведения производителей автомобилей может быть несколько. Первый фактор – цены. Если за рубежом гибрид обходится покупателю всего на пару тысяч долларов дороже, то в нашей стране иной раз приходится переплачивать в несколько раз больше. На рынке России не работает проверенная схема окупаемости затрат и разрекламированной экономии.

Другая причина – банальное незнание большинством наших соотечественников простых вещей - «что это такое» и «как это работает».

Несомненно, в ближайшем будущем гибриды на отечественных дорогах будут оставаться достоянием состоятельных людей – либо в качестве игрушки на пару месяцев, либо в качестве полюбившегося средства передвижения на каждый день.