Monthly Archives: Сентябрь 2017

Каким должен быть биоэтанол

В марте 2009 года Комитетом Всемирной Топливной Хартии (WWFC) были представлены Руководства по биодизелю и биоэтанолу. Быстрый рост использования этанола и биодизеля вызвал потребность в большей информации об этих важных возобновляемых видах топлива. Так же как и для обычных бензина и дизельного топлива, качество биотоплива должно соответствовать потребностям и характеристикам двигателей и других систем автомобиля. Это особенно актуально в свете грядущих стандартов сверчистых выбросов.

Использование этанола и биодизеля является важным фактором для увеличения поставок бензина и дизельного топлива. В качестве возобновляемых видов топлива они имеют потенциал чтобы сократить уровень выбросов парниковых газов. Правильная рецептура также может помочь обеспечить более низкий уровень выбросов обычных загрязнителей. Ключ к достижению низких выбросов состоит в производстве сырья хорошего качества, а также смешивание и реализация готового топлива способом, который сохраняет его качество до конечного потребителя.

Цель Всемирной топливной хартии состоит в продвижении высококачественных и гармонизированных видов топлива на глобальной основе для оптимизации работы двигателя и автомобиля в целом, повышения их долговечности и обеспечения наиболее чистой работы двигателей и автомобилей. Решение этой задачи принесет пользу потребителям, упростит топливные рынки, облегчит торговлю и поможет правительствам в выполнении целей государственной политики.

Этиловый спирт — одно из топлив, которое используется сегодня в качестве прямой добавки к бензину, а так же в качестве исходного сырья для создание эфирных добавок к бензину. Другими перспективными возобновимыми источниками являются биоэфиры и биобутанол. Хорошее качество этилового спирта — основа для его использования и как топлива, и как исходного сырья для других топливных добавок. Руководство, представленное здесь, содержит рекомендации изготовителям относительно качества этилового спирта, необходимого для надлежащей работы двигателя и других систем автомобиля.

Рекомендуемые нормы установлены для безводного 100%-ого этилового спирта (E100) предназначенного для смешивания с бензином для производства смеси, содержащей до 10% этилового спирта по объему (E10) и подходящей для использования в автомобилях с ДВС. Высокоуровневые смеси(больше чем E10) пригодны для использования только в транспортных средствах, разработанных специально для такого топлива, такими как “ flexible fueled”. Этиловый спирт, используемый для более высоких смесей, может потребовать других норм. Готовые смеси (Е10) должны отвечать требованиям, установленным для бензинов соответствующей категории.

Эти рекомендации основаны на опыте использования этанола, изготовленного из обычного сырья (например, зерна и сахарного тростника) производителями двигателей и автомобилей на различных рынках по всему миру. Высокоскоростное впрысковое смешивание предпочтительнее смешивания разбрызгиванием, так как при этом обеспечивается лучшее качество топлива.

Местные постановления могут потребовать определенных добавок (например, американские денатурирующие требования). Достижение хорошего качества топлива требует применения хороших вспомогательных методов в течение производства, распределения, смешивания и хранения. Производители этилового спирта и его смесей должны тщательно следить за конденсацией и разделением фаз; топливо, загрязненное водой, не должно быть продано потребителям. Изготовителям и продавцам необходимо регулярно заменять фильтры.

Смеси этанола с бензином, особенно содержащие свыше 10%-ого этилового спирта, должны быть должным образом промаркированы, чтобы потребитель мог определить совместимость топлива с рекомендациями изготовителя автомобиля и гарантийными обязательствами. По мере появления новых видов сырья, свойства и нормы, указанные здесь, могут потребовать пересмотра.

Этиловый спирт — не менее 99.2 %. Этот рекомендуемый предел, который относится к безводному этиловому спирту, является мерой качества, вместе с нормами воды и метанола. Некоторые страны требуют, чтобы производители денатурировали этиловый спирт прежде, чем он попадет к потребителю.

Метанол — не более 0,5 % Процессы ферментации могут произвести небольшие количества метанола, и некоторые страны требуют небольшого количества как денатурирующего средства, но метанол оказывает неблагоприятное воздействие, таким образом, его содержание должно быть минимизировано.

Вода — не более 0,3 %. Вода в топливе может способствовать коррозии и росту микроорганизмов. Вода может попадать в этиловый спирт во время производства и путем конденсации во время распределения топлива и хранения. Если содержание воды слишком высоко, может произойти расслаивание после смешивания с бензином. Нерастворенная вода в топливной магистрали приводит к неустойчивой работе или остановке двигателя.

Добавление этилового спирта к бензину изменяет количество воды, которое может содержаться в бензиновой смеси без отделения, так как у этих трех изделий (бензин, вода и этиловый спирт) различная растворимость. Этиловый спирт растворяется и в бензине и в воде, но вода практически не растворяется в беспримесном бензине. Это означает, что смеси бензина с этанолом могут содержать больше воды, таким образом увеличивая потенциал для коррозии и микробного роста. Это также означает, что расслоение произойдет с большей вероятностью при более низком содержании этилового спирта в бензиновой смеси. Производители должны стремиться минимизировать содержание воды. Присутствие воды указывает на необходимость улучшить методы хранения этилового спирта, например добавляя азотный затвор к хранилищу.

Неорганический хлорид и сульфат являются катализаторами коррозии в топливных магистралях и способствуют появлению отложений на топливных форсунках.

Металлы ускоряют окисление топлива и способствуют образованию отложений в системе впрыска. Производство этилового спирта в материалах, содержащих с медью, может привести к попаданию металла в топливо.

Фосфор и сера могут попасть в этиловый спирт при производственных процессах. Они приводят к выходу из строя катализатора и повышению вредных выбросов.

Топливо должно быть прозрачным и не содержать видимой воды и осадка. Наличие этих признаков указывает на некачественные производственные процессы. Вода и осадок загрязняют топливные фильтры, что может привести к неустойчивой работе или остановке двигателя.

Система EGR

Exhaust Gas Recirculation – система рециркуляции выхлопных газов, предназначенная для снижения выбросов окислов азота. Она устанавливается и на бензиновые (кроме турбированных), и на дизельные двигатели. В первых при этом снижаются насосные потери и риск детонации, а работа вторых становится более «мягкой». Кроме того, снижается расход топлива.

Стоит отметить, что EGR зачастую превращается в головную боль для наших автомобилистов. Система довольно капризна, при ее работе (особенно на отечественном топливе) клапан EGR, впускной коллектор и находящиеся в нем датчики покрываются нагаром, что приводит к нестабильной работе двигателя. Клапан EGR – деталь дорогостоящая, поэтому многие автовладельцы вместо его замены прибегают к глушению всей системы.

Принцип работы EGR

Идея состоит в подмешивании части выхлопных газов к воздуху во впускном коллекторе. Повышенное содержание окислов азота в ОГ вызывается высокой температурой в камере сгорания. Катализатором реакции горения, как известно, является кислород. Выхлопные же газы, смешанные с воздухом, уменьшают содержание в нем кислорода. В результате температура сгорания смеси и, соответственно, токсичность ОГ понижаются.

Устройство системы EGR

Основная деталь системы – клапан EGR. Именно с его помощью регулируется количество отработанных газов, подаваемых обратно на впуск. Если принцип работы во всех автомобилях одинаков, то конструктивное исполнение системы может отличаться в зависимости от того, как управляется клапан. В первом типе систем открытие клапана регулируется электрическим способом на основании показаний датчика положения, который передает сигнал контроллеру двигателя. Второй способ управления – электропневматический. Управляющий сигнал формируется на основании показаний датчиков массового расхода воздуха, давления во впускном коллекторе или датчика температуры воздуха на впуске.

На некоторых двигателях в системе EGR применяется дополнительное охлаждение газов. Для этого клапан рециркуляции включается в штатную систему охлаждения. Такая мера позволяет еще больше снизить выброс оксидов азота.

Как работает система EGR

Это зависит от типа двигателя. В дизелях клапан открывается на холостом ходу и обеспечивает до 50% воздуха на впуске. С ростом оборотов клапан пропорционально закрывается до полного закрытия при максимальной нагрузке. При прогреве мотора клапан также полностью закрыт. В бензиновых двигателях EGR не включается на холостом ходу и на оборотах максимального крутящего момента. При низкой и средней нагрузке система обеспечивает 5-10% подаваемого на впуск воздуха.

Неисправности системы EGR

Неполадки в работе системы EGR чаще всего возникают из-за отложений нагара на пластине или гнезде клапана. Нагар возникает из-за некачественного топлива, нарушений в работе системы питания и системы вентиляции картера, износа цилиндропоршневой группы, неисправности турбокомпрессора, неисправностей датчиков, от которых зависит управление клапаном.

Засорение клапана приводит либо к его заклиниванию, либо к замедленному срабатыванию. Заклинивание может происходить как при открытии, так и при закрытии клапана. В первом случае результатом будет неустойчивая работа бензинового двигателя на холостом ходу, снижение мощности дизеля. Во втором у бензинового мотора вырастет расход топлива, а дизель будет работать более «жестко». Замедление открытия клапана не приводит к ярко выраженным последствиям и в основном отражается на работе двигателя на холостом ходу.

Первый гибрид Audi

 

Автомобиль Audi Q5 hybrid quattro — первая гибридная модель Audi. Его силовая установка включает в себя бензиновый мотор 2.0 TFSI и электродвигатель, установленные непосредственно друг за другом по параллельной схеме. Совокупная мощность составляет 245 л.с. (180 кВт), а крутящий момент — 480 Нм. Автомобиль разгоняется до 100 км/ч за 7,1 с, максимальная скорость достигает 222 км/ч. При таких высоких динамических характеристиках расход топлива Q5 hybrid составляет менее 7,0 л на 100 км в смешанном режиме движения.

Для установки на Q5 hybrid двигатель 2.0 TFSI был доработан. Инженеры убрали привод вспомогательных устройств, улучшили подшипники коленчатого вала и отрегулировали настройки турбокомпрессора. Подверглась изменениям и восьмиступенчатая АКПП. Вместо гидротрансформатора используется «мокрое» многодисковое сцепление. Оно служит для соединения и разъединения электродвигателя и ДВС. При выключенном двигателе давление масла в гидросистеме поддерживается электронасос, что обеспечивает функционирование системы старт-стоп.

Блок силовой электроники (инвертор), соединенный с батареей и электродвигателем высоковольтными кабелями, расположен в моторном отсеке. Он исполняет роль контроллера для аккумуляторной батареи, которая выдает постоянный ток, и электродвигателем, работающим на переменном токе. Для охлаждения инвертора используется отдельный водяной контур. В состав блока входит преобразователь, который отвечает за сопряжение 12-вольтной бортовой системы с сетью высокого напряжения.

Синхронный электродвигатель с постоянным возбуждением выполняет три функции: стартера, привода колес, а в режиме рекуперации — генератора. Он выдает мощность 45 л.с. (33 кВт) и крутящий момент 211 Нм. Электродвигатель и ДВС имеют общую систему охлаждения.

Источником питания служит литиево-ионный аккумуляторный блок весом 38 кг и объемом 26 л. Он расположен под полом багажника и практически не влияет на его вместимость. Батарея состоит из 72 ячеек и при напряжении 266 В обеспечивает номинальную емкость 1,3 кВтч и выходную мощность 39 кВт. Ее воздушное охлаждение осуществляется двумя способами в зависимости от условий эксплуатации. При низкой термической нагрузке она обдувается внутрисалонным воздухом при помощи вентилятора. Если температура превышает определенную отметку, включается отдельный охлаждающий контур с испарителем, соединенный с системой климат-контроля автомобиля.

Параллельная система гибридного привода обеспечивает Q5 hybrid возможность работать в пяти различных режимах: с использованием только ДВС; только электромотора; с задействованием и ДВС, и электродвигателя (гибридный режим); режим рекуперации и форсированный режим.

Во время кратковременных остановок система старт-стоп выключает оба двигателя. При этом система климат-контроля продолжает работать. При отпускании педали тормоза автомобиль возобновляет движение. До 100 км/ч автомобиль можно разогнать исключительно с помощью электродвигателя. При движении с постоянной скоростью 60 км/ч дальность хода на электротяге составит три километра.

Водитель по желанию может выбрать одну из трех программ управления. Режим EV задействует преимущественно электродвигатель для передвижения в городских условиях, режим D обеспечивает оптимальный расход энергии совместной работой обоих двигателей, а режим S предназначен для движения в спортивном стиле.

При быстром ускорении электродвигатель работает в паре с бензиновым TFSI, обеспечивая максимальную эффективность и экономию топлива. При резком нажатии на педаль газа в режиме S оба мотора задействуются на полную мощность. Когда водитель сбрасывает газ, электродвигатель работает как генератор, подзаряжая батарею. При этом в большинстве случаев двигатель TFSI отсоединяется от трансмиссии, чтобы избежать инерционных потерь. При незначительном нажатии на педаль тормоза замедление происходит за счет электродвигателя, работающего в режиме рекуперации, при более сильном нажатии — одновременно включается гидравлическая тормозная система.

Как делают биодизель

Для получения биодизеля используют любые виды растительных масел — подсолнечное, рапсовое, льняное и т.д. При этом биодизели, произведенные из разных масел, имеют некоторые отличия. К примеру, биодизель, полученный из рапсового масла, имеет наибольшую калорийность, но и самую высокую температуру фильтруемости и застывания. Биодизель, приготовленный из рапса, уступает пальмовому по калорийности, но зато легче переносит холод, а потому более всего подходит для холодного климата.

Суть процесса приготовления биодизеля заключается в уменьшении вязкости растительного масла, чего можно достичь различными способами. Любое растительное масло — это смесь триглицеридов (эфиров, соединенных с молекулой глицерина) с трехатомным спиртом. Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Поэтому, чтобы получить биодизель, необходимо удалить глицерин, заместив его на спирт. Этот процесс называется трансэтерификацией.

В качестве первичного сырья может использоваться и отработанное растительное масло. В этом случае необходима предварительная фильтрация для удаления примесей и воды. Если воду не удалить, то вместо реакции трансэтерификации произойдет гидролиз триглицеридов. В результате получим не биодизель, а соли жирных кислот.

В процессе реакции масло вначале нагревается до определенной температуры (для ускорения реакции), а затем в него добавляется катализатор и спирт. Если применяется метанол — образуется метиловый эфир, если этанол — этиловый эфир. Для ускорения реакции также может применяться кислота. Смесь определенное время перемешивается и отстаивается. После отстаивания смесь расслаивается, образуя биодизель в верхнем слое (называемый химически «эфир»), затем слой мыла и на дне остается глицерин. Глицерин и мыльный слой впоследствии отделяются, а биодизель промывается различными способами для удаления остатков мыла, катализатора и других возможных примесей. После промывок он осушается для удаления остатков воды, например, сульфатом магния. Затем осушитель удаляется простой фильтрацией. Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается приблизительно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.

После завершения реакции на дне осаждается глицерин. Биодизель должен быть цвета меда, глицерин – более темного цвета. При поддержании температуры около 38 градусов глицерин остается в жидком состоянии и может быть легко удален снизу смесителя отдельным шлангом. Глицерин, полученный из отработанных масел, обычно коричневый и твердеет при температуре 38 градусов, глицерин из свежего масла остается в жидком состоянии при более низких температурах. Его можно использовать как побочный продукт, предварительно выпарив из него метанол нагреванием до 65,5 градусов.

Качество получившегося продукта определяется, прежде всего, визуально и проверкой рН. На вид биодизель должен выглядеть как чистое подсолнечное масло. Не допускается наличие никаких взвесей, примесей, частиц или замутнений. Мутность означает присутствие воды, которая удаляется нагреванием. После первого применения биодизеля обязательно следует проверить топливные фильтры.

Стандарты заправки водородом

Европа, Япония и США выразили твердое намерение развивать инфраструктуру для транспортных средств на топливных элементах (FCEV). Ожидается, что к 2016 году будет открыто свыше 230 водородных заправочных станций, а к 2025 году их число достигнет 1680. Семь автопроизводителей объявили о совместных планах продавать или сдавать в лизинг автомобили на топливных элементах — BMW-Toyota, Daimler-Ford-Nissan и Honda-GM.

В связи с этим возникает необходимость в разработке единых стандартов заправки водородом. Разработанные в лабораториях и проверенные на практике в течение последнего десятилетия, эти стандарты создают основу для создания первичной инфраструктуры водородных заправок по всему миру. В настоящее время существует четыре стандарта, разработанных SAE: качества водородного топлива (SAE J2719); заправки водородом (SAE J2601); коммуникации между автомобилем и водородной станцией (SAE J2799); конструкции заправочных сопла-гнезда (SAE J2600).

Стандарт SAE J2719

Стандарт SAE J2719 устанавливает минимально допустимую чистоту водорода 99,97%, а также максимальные уровни содержания различных загрязняющих веществ.

В топливных элементах используется платиновый катализатор, который наносится на поверхность пористого углеродного анода. Катализаторы чрезвычайно чувствительны к химическим загрязнениям, и даже небольшое количество примесей, содержащихся в водороде, приводит к их порче и невосстановимым потерям в производительности топливных ячеек. Это предъявляет высокие требования к чистоте водорода, используемого в качестве топлива для FCEV. Допустимые уровни некоторых видов примесей находятся в диапазоне нескольких частей на миллиард.

Требования стандарта SAE J2719 к чистоте водорода
Загрязняющие примеси Химическая формула Максимально допустимые уровни (ppmv)
Вода H2O 5
Углеводороды (C1 basis) 2
Кислород O2 5
Гелий He 300
Азот N2 100
Аргон Ar 100
Двуокись углерода CO2 2
Окись углерода CO 0.2
Соединений серы 0.004
Формальдегид HCHO 0.01
Муравьиная кислота HCOOH 0.2
Аммиак NH3 0.1
Галогенированные соединения 0.05
Твердые частицы 1 mg/kg

Стандарт SAE J2601

Назначение стандарта SAE J2601 – установить единый всемирный протокол заправки легких транспортных средств на топливных элементах (FCEV) на заправочных станциях с давлением 35 MПa и 70 MПa. Увеличение сжатия водорода до 70 MПa позволяет повысить дальность поездки FCEV на одной заправке. Стандарт SAE J2601 относится к легким FCEV с водородным баком, вмещающим от 2 до 10 кг водорода при давлении 70 MПa и от 2,4 до 6 кг при давлении 35 MПa. Отдельные документы стандарта касаются заправки тяжелых грузовиков и вилочных погрузчиков.

Стандарт SAE J2601 позволяет безопасно и быстро (в течение 3-5 минут) полностью заправить легкие транспортные средства на топливных элементах, включая модели с дальностью поездки свыше 500 км. При этом достигается высокая степень наполнения водородных баков и хранилищ водорода без превышения эксплуатационных ограничений. SAE J2601 считается ключевым стандартом, необходимым для коммерциализации автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций.

SAE J2601 устанавливает ограничения по безопасности и требования к производительности раздаточного устройства газообразного водорода. Критерии включают: максимальную температуру топлива у сопла дозатора, максимальную скорость истечения топлива, максимальную скорость повышения давления и другие параметры, базирующиеся на охлаждающей способности раздаточной колонки станции.

 

Стандарт SAE J2601 для FCEV малой грузоподъемности использует справочные таблицы для заправки при давлении 35 MПa и 70 MПa. Эти таблицы могут быть запрограммированы в блок управления раздаточного устройства для контроля над процессом заправки. Стандарт J2601 определяет четыре типа раздаточных колонок в зависимости от температуры, до которой предварительно охлаждается водород. В устройствах типа «A» газ охлаждается до -40°C, типа «B» — до -30°C, типа «C» — до -20°C, устройства типа «D» не имеют функции охлаждения. Скорость заправки напрямую связана с охлаждающей способностью раздаточной колонки. Охлаждение необходимо для компенсирования тепла, выделяемого при сжатии газа. В качестве исходных данных в таблицах используются начальное давление в баке FCEV, температура окружающей среды и тип раздаточного устройства. По этим значениям вычисляется допустимая скорость заправки (средняя скорость повышения давления в рампе) и конечное давление, при котором дозатор отключается.

Если сравнивать автомобили на топливных элементах с электромобилями, то с учетом нынешнего КПД FCEV, достигающего 60%, заправка водородом (5-10 кг) эквивалентна заряду 100-200 кВтч электроэнергии за время, не превышающее 5 минут. Благодаря SAE J2601 на данный момент FCEV можно считать единственной технологией с нулевым выбросом, которая способна конкурировать по времени заправки и дальности поездки с автомобилями с бензиновыми ДВС.

Стандарт SAE J2799

 

В дополнение к стандарту SAE J2601 с целью дальнейшей оптимизации процесса заправки и обеспечения высокой степени наполения (95-100%) был разработан стандарт беспроводной связи между FCEV и водородной станцией SAE J2799. Этот опциональный протокол использует технологию инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association technology) для обмена информацией между транспортным средством, водородным баком и дозатором. Повышение наполняемости бака позволяет достичь большей дальности поездки без дозаправки.

Стандарт SAE J2600

SAE J2600 регламентирует конструкцию и порядок испытания заправочных разъемов, сопел и емкостей, предназначенных для заправки наземных транспортных средств, в которых в качестве топлива используется сжатый водород. Разъемы, сопла и емкости в обязательном порядке должны отвечать требованиям стандарта и пройти все установленные испытания, чтобы считаться совместимыми с SAE J2600.

Стандарт применяется к устройствам, которые имеют классы давления H11, H25, H35, H50 и H70. Целями разработки SAE J2600 являются:

  • предотвращение возможности заправки автомобиля на топливных элементах (FCEV), имеющим класс давления ниже, чем класс давления дозатора;
  • допуск возможности заправки FCEV дозатором, имеющим равный или меньший класс давления;
  • предотвращение возможности заправки FCEV на заправочных станциях другого сжатого газа (не водорода);
  • предотвращение возможности заправки других транспортных средств, использующих в качестве топлива сжатый газ, на водородных заправочных станциях.

Двигатель, заглохни!

В условиях городского движения в Европе доля работы двигателей на режиме холостого хода составляет до 35 %. Система старт-стоп, автоматически выключающая мотор при остановке автомобиля, позволяет существенно снизить выброс вредных веществ и обеспечивает экономию топлива до 8-9 %.

В использовании система очень проста. На автомобилях с механической КПП двигатель глушится как только автомобиль остановится, водитель отпустит педаль сцепления и переведет рычаг коробки в нейтральное положении. При выжимании педали сцепления система запускает двигатель. На машинах с автоматической КПП двигатель выключается при полной остановке и удержании педали тормоза нажатой. Запускается двигатель при отпускании педали тормоза.

Алгоритм работы системы старт-стоп

Система старт-стоп приводится в состояние готовности только при определенных условиях:

  • закрыты капот и дверь водителя;
  • пристегнут ремень безопасности водителя;
  • скорость движения выше 4 км/ч;
  • нет прицепа.

Если хотя бы одно из условий не выполнено — система не работает.

Двигатель не будет заглушен системой в следующих случаях:

  • температура ОЖ ниже 25 градусов (двигатель не прогрет);
  • обороты двигателя выше оборотов холостого хода;
  • температура в салоне автомобиля отличается от заданной климатической установке больше чем на 8 градусов (салон не прогрет);
  • включен обогрев лобового стекла;
  • недостаточен заряд АКБ для дальнейшего запуска двигателя;
  • неисправен генератор;
  • рулевое колесо повернуто на большой угол (например, маневрирование на стоянке);
  • остановка произошла после выключения заднего хода;
  • сажевый фильтр находится в режиме регенерации (для дизелей);

Система самостоятельно запускает двигатель (без участия водителя) при таких условиях: после остановки автомобиль начал катиться (на склоне) и скорость превысила 3 км/ч; выполнились условия, изложенные в предыдущем абзаце.

Варианты конструкций системы старт-стоп

Существует несколько вариантов конструктивного исполнения системы старт-стоп. В первом случае используются «усиленные» элементы электрооборудования: более износостойкий стартер с усиленным приводом и АКБ со стекловолокнистым наполнителем, пропитанным электролитом, выдерживающая большее число циклов заряда-разряда.

Второй вариант — использование в системе реверсивного генератора, который еще называют стартер-генераторм. Его назначение ясно из названия. Для его работы используется специальный приводной ремень и натяжитель, позволяющий ротору вращаться в обоих направлениях. В отличие от первого варианта для управления такой системой старт-стоп применяется отдельный блок управления.

Японцы из Мазда разработали свой вариант системы, который не требует применения специальных узлов. Идея довольно остроумная — используя данные датчика положения коленвала остановка мотора производится в тот момент, когда поршни оказываются в оптимальном для дальнейшего запуска положении. При запуске в цилиндр, находящийся на такте рабочего хода, подается топливо и искра, что облегчает работу стартера и уменьшает время запуска.

Совместно с системой старт — стоп может применяться и система рекуперативного торможения.

Аэродинамика и экология

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. Она зависит от двух параметров автомобиля: площади поперечного сечения (S) и коэффициента аэродинамического сопротивления (Cx). Например, автомобиль с S=2,73 кв.м и Cx=0,34 при скорости 150 км/ч будет тратить 50л.с. мощности на преодоление сопротивления воздуха. Таким образом, снизив лобовое сопротивление, можно добиться заметного снижения расхода топлива и выбросов токсичных веществ. Но уменьшить площадь поперечного сечения означает уменьшить высоту и ширину автомобиля, что нежелательно. Поэтому усилия инженеров направлены в основном на улучшение обтекаемости кузова, то есть коэффициента Cx.

Величина Cx зависит от трех факторов: сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон (12%); сопротивления трения между воздушным потоком и поверхностью кузова (10%); и сопротивления формы кузова (78%), проявляющееся в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Последний фактор возникает вследствие того, что спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова.

Аэродинамика различных типов кузовов

Главный элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова.

Наименее эффективным является кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. И лишь слегка поправить положение может дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – разряжение слегка упадет.

Хэтчбеки, с точки зрения аэродинамики, немного предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Но большинство хэтчбеков имеют гораздо больший угол наклона, а потому по обтекаемости практически не отличаются от универсалов.

На седанах и купе оторвавшийся с крыши поток вначале опускается на крышку багажника, а затем уже отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx. Дополнительный эффект дает и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации гораздо больше, а потому на практике именно седаны и купе, особенно больших размеров, имеют наилучшую обтекаемость.

Как улучшают Cx

Коэффициент Cx определяется в аэродинамической трубе при обдувании воздухом строго по направлению продольной оси автомобиля. Чтобы изучить реакции автомобиля при появлении бокового ветра, машину поддувают под небольшим углом, определяя действующий на неё поворачивающий момент и момент крена. Парадокс состоит в том, что автомобили с минимальным Cх оказываются наименее устойчивыми, а модели с плохой обтекаемостью, наоборот, почти не реагируют на подобные воздействия.

Неоптимальная с точки зрения аэродинамики форма кузова имеет еще одно неприятное последствие – низкую прижимную силу. Нижний поток воздуха под днищем проходит по прямой, а верхний вынужден ускоряться, чтобы обогнуть автомобиль сверху. Возникающая разница в давлении создает подъемную силу. Большая ее часть компенсируется давлением воздуха на капот и лобовое стекло. Но если передок автомобиля догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова оказывается в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса.

Как борются с этим явлением? Стремление к плавному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает областей резко пониженного давления. К тем же последствиям приводит и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.

С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, необходимо найти нужный баланс – слишком большой спойлер, наоборот, увеличит область разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он делается выдвижным, чтобы вступать в работу только в нужный момент.

Литий-ионные аккумуляторы

Конструкция и применяемые материалы

Основой для отрицательного электрода в Li-ion аккумуляторах служит углеродная матрица. Она может изготавливаться из природного или синтетического графита, кокса, пиролизного или мезофазного углерода, сажи и др. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

Конструктивно Li-ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и плоском вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Плоские аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают более плотную упаковку в батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше типов конструкций.

Разноименные электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция Li-ion отличается абсолютной герметичностью. Это необходимо для предотвращения вытекания жидкого электролита и попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролитом и полностью выводят аккумулятор из строя.

Преимущества и недостатки

Li-ion аккумуляторы обладают рядом неоспоримых достоинств: повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность. Литиевые батареи принимают высокий ток зарядки и разрядки. Поэтому зарядка займет меньше времени, пройдет более эффективно (это полезно при рекуперации энергии во время торможения).

Однако при этом нельзя допускать перегрева: чем выше ток, тем сильнее нагрев. И вопрос не только в сокращении срока службы аккумуляторов, но и в риске возникновения пожара, так как у лития низкая устойчивость к возгоранию. Поэтому еще на стадии производства строго следят за технологией: мельчайшая примесь в сепараторе ячеек может способствовать возникновению внутренних замыканий, которые в состоянии нагреть литий до температуры возгорания. Под крышкой аккумулятора устанавливается устройство, реагирующее на повышение температуры увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. В ходе эксплуатации за безопасностью следит специальная электроника, контролирующая температуру в каждой ячейке, температуру модуля, в котором они собраны, и температуру пакета аккумуляторов. Необходима и эффективная охлаждающая система.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет всего лишь 4-6 % за первый месяц, затем — еще меньше: за год аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в зависимости от температуры в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Ресурс-500-1000 циклов.

Применение в гибридах и электромобилях

При создании гибридов и электромобилей разработчики все чаще применяют литий-ионные батареи. Во-первых, это связано с их лучшим весовым качеством (отношением запасенной энергии к массе). Современные батареи, применяемые на автомобилях, способны вмещать 0,8-2,6 кВт*ч на килограмм собственного веса. Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40% до 60%, то есть всего 20% общей емкости, то для литий-ионного она в 2,5 раза больше: от 25% до 75%. Срок их службы больше. Например, гарантия на литий-ионную батарею французской фирмы SAFT составляет 10 лет, а на никель-металлгидридную производства Panasonic – только 8 лет. Есть у литий-ионных батарей и существенные недостатки. Во-первых, невозможность реанимировать полностью разряженный аккумулятор. Во-вторых, для работы им нужно обеспечить узкий температурный диапазон от 25 до 45 градусов. Если их не согревать зимой, емкость упадет на треть при -10, и наполовину при -20 градусов. Летом еще опаснее: при 55-60 градусах аккумуляторы начинают разрушаться – их приходится охлаждать даже при стоянке на солнцепеке. Высока и себестоимость, которая может достигать до половины цены всего электромобиля. Однако будущее все равно за литий-ионными батареями.