Почти сто лет тому назад, когда автомобилестроение депапо первые шаги, в этой области наблюдались любопытные, с точки зрения нашего современника, явления. Сегодня само собой разумеется, что автомобиль — это транспортное средство с бензиновым или дизельным двигателем внутреннего сгорания (ДВС). А в те времена, во-первых, рассматривали автомобиль как спортивную или прогулочную дорогую игрушку (транспортным средством его не считали из-за недостаточной надежности), во-вторых, машины тогда приводились в действие не только бензиновыми двигателями.
На первую официальную автогонку в 1894 году были заявлены наряду с бензиновыми автомобилями паровые, электрические, пружинные, пневматические и даже действующие, как уверяли их конструкторы, на сжатой (!) воде или с использованием силы земного притяжения. Победу, правда, одержали бензиновые. Тем не менее в те годы они составляли, например, в США всего лишь окопе четверти всех выпускавшихся (в 1898 году — 936 из 4191), паровых было 40%, электрических — 37%.
Интересно, что первый сконструированный в России И. Романовым автомобиль был аккумуляторным. Добрая половина рекордов скорости на грани столетий принадлежала также не бензиновым, а паровым и электрическим автомобилям. В частности, скорость выше 100 км/ч впервые была достигнута на электромобиле (гонщик Женатци)…
Постепенно положение менялось. Отпали не только все неработоспособные двигатели, вроде гравитационных, но быстро сокращалась и доля паровых. И в первую очередь из-за их громоздкости, угрозы взрыва котла и необходимости «разводить пары» перед поездкой.
Дольше всех продержались электрические. Некоторое их количество можно было встретить на почтовой службе, доставке товаров магазинам и покупателям в Берлине, Нью-Йорке и других больших городах еще в 30—40-х годах. Но их число в общем объеме автопарка уже в 1905 году не превышало 15%, в 20-х упало всего до 1%, а в период после второй мировой войны — 0,1%. Казалось бы, в соревновании автомобильных силовых установок окончательную победу одержал двигатель внутреннего сгорания.
Но вот какие не менее интересные, события происходят в наши дни. Во всех промышленно развитых странах вновь разрабатываются автомобили с различными топами двигателей, среди которых особенно много электрических. Ряд фирм в США, Англии, Японии, Италии, ПНР уже выпускает электромобили сериями. Эксплуатируются опытные партии электромобилей и в нашей стране.
Ученые-экономисты, плановики, социологи в прогнозах на будущее предсказывают, что к концу века число электромобилей постепенно возрастет до 50% всего автопарка. На 1585—1990 годы называют, например, такие числа: для США — от 15 до 90(1] млн., для ФРГ — 2 млн., для ПНР — 4—6 млн.
Чем же прогневал людей так горячо любимый ими бензиновый или дизельный автомобиль! И чем их теперь прельщает потерпевший поражение электрический!
Дело, конечно, не в любви и не в гневе.
Чтобы ответить на поставленные вопросы, рассмотрим условия работы автомобилей в начале XX века, в его второй четверти, в наше время и в будущем, каким оно представляется в прогнозах.
«НЕ БЫСТРЕЕ РЫСИ»
Итак, картина первая. По заполненным ионными экипажами и фурами улицам городов изредка, в общем темпе (как писали в тогдашних правилах движения, «не быстрее конской рыси») катят и безлошадные экипажи — автомобили. Они принадлежат аристократам, крупным коммерсантам, фабрикантам Автомобилями управляют наемные шоферы, обслуживают их опытные механики. За город машины не выезжают — там плохие дороги, там не найдешь механика, случись какая-нибудь неисправность. Если перевести штрихи этой картины на технический язык, получится: скорость не более 30 км/ч, запас хода — не более 50 км, необходимый запас энергии (для экипажа с полной массой, скажем, 2 т) — около 10 кВт-ч. Этим рампам мог соответствовать практически любой тогдашний автомобиль, будь то не надежный бензиновый, будь то электрический, с его тяжелыми и сравнительно слабыми батареями. У последнего даже были немалые преимущества — бездымность, бесшумность, простота управления, за которые его особенно ценили автомобилистки из высшего света; они даже называли его «дамским автомобилем».
Рис. 1. Распространенные схемы расположения агрегатов электромобиля.
Рис. 2. Схема процесса получения и использования энергии на автомобильном и электромобильном транспорте (вредные этапы процесса обведены двойной линией, а происходящие в местах массового потребления энергии — заливкой).
Здесь нужно остановиться, чтобы пояснить, почему мы назвали батареи сравнительно слабыми. Речь идет о свинцово-кислотных (или щелочных железо-никелевых) аккумуляторах, которые по своей химической сущности способны вырабатывать самое большее 50—60 Вт•ч энергии на 1 кг своей массы Во времена расцвета электромобилей это значение было втрое меньше, в наши дни — в среднем в полтора-два раза (30—40 Вт•ч/кг). До сих пор такие батареи — единственные пригодные по доступности, цене и надежности для применения на массовых средствах транспорта. Между тем ДВС уже на заре своего развития показывал удельную энергоемкость до 60 Вт*ч/кг и мог обеспечивать автомобилю в начале XX века запас энергии до 22—24 кВт•ч (с учетом объема бака]. Забегая вперед, укажем, что для современных нам автомобилей типичны величины 500— 700 Вт•ч/кг (и более) и 40—50 кВ•ч.
…Прошло около трети века. Картина вторая. Автомобили насчитываются миллионами. Для них построены дороги, бензоколонки, так что уже не нужно покупать бензин в аптеках, как это делали раньше. Машины стали надежными и быстроходными (до 100 км/ч), ими может управлять каждый, не обязательно механик. Дым и шум от двигателей поубавились. Кстати сказать, если «на заре» дымность автомобилей доставляла много тревог горожанам, то в одной книжке 20-х годов читаем: «Замена конного транспорта автомобильным имеет большое значение для городской гигиены. Лошади очень загрязняют мостовые и дворы. Автомобиль, правда, имеет то неудобство, что портит городской воздух запахом обработавших газов. Но при употреблении хороших сортов горючего этот недостаток почти устраняется».
Но вернемся к автомобильному ДВС. Его удельная (литровая) мощность достигла 15—20 л. с./л (10—15 кВт/л), а расход топлива снизился примерно до 10 п/100 км на тонну полной массы. Так что 40-литрового бака у автомобиля с массой 2 т хватает километров на двести. Другими словами, чтобы удовлетворить таким условиям, запас энергии при средней скорости езды (в городе и за городом) 50 км/ч должен составить около 40 кВт — ч.
Очень легко убедиться, что удовлетворить этим универсальным условиям, используя в качестве источника энергии аккумуляторную батарею, практически невозможно, так как она одна (при удельной энергоемкости порядка 20— 25 Вт•ч/кг) будет весить до двух тонн, а вся машина — до четырех, для чего потребуется еще большая батарея… И так до бесконечности.
Вот почему электромобили в свое время вышли из употребления, уступив место более универсальным автомобилям с ДВС, и сохранились лишь там, где условия работы оставались примерно прежними (почтовые и торговые городские перевозки и т. п.).
МЕРЫ ПРОТИВ… АВТОМОБИЛЯ
Прошло еще несколько десятилетий, и мы добираемся до наших дней. Каргина третья. Мировой автомобильный парк перевалил за 300 миллионов машин, он сконцентрирован в городах и на главных междугородных трассах.
Он расходует земные запасы топлива так интенсивно, что, по прогнозам, должен исчерпать их через 25—50 лет. Он загрязняет атмосферу настолько, что в иных городах жители вынуждены прибегать к противогазам и специальным автоматам, из которых можно глотнуть порцию кислорода. Он довел шум в городах до уровня, угрожающего здоровью людей. Вместе с тем скопление автомобилей привело к значительному снижению средней скорости движения, к затяжным заторам, так что подчас эксплуатация автомобиля становится невыгодной. Несмотря на сравнительно медленное движение, множатся дорожно-транспортные происшествия, так как автомобилями управляют миллионы «обыкновенных» людей, а не избранные высококвалифицированные водители.
Все вместе взятое заставило человечество принимать меры — да, меры — против автомобиля: разные запреты, ограничения. Часть их направлена на упорядочение сегодняшней ситуации, другая часть — на предотвращение еще более сложной в будущем.
Начали скромно с того, что запретили звуковые сигналы в городах. Потом ограничил» максимальную скорость движения. Взяли под контроль содержание вредных веществ в отработавших газах двигателей. Дальше пошли запреты въезда в центральную часть городов, а то и вообще в города, например — курортные. С другой стороны, стали уделять большее внимание общественным видам транспорта, чтобы уменьшить приток легковых автомобилей. Дело идет к тому, что автомобильный парк должен как бы подразделяться — на городской (сравнительно тихоходный, в основном — общественного назначения) и загородный. К последнему относятся легковые автомобили индивидуального пользования, междугородные автобусы, магистральные грузовые автомобили и автопоезда.
Однако эти меры не решают полностью проблему очистки воздуха, снижения уровня шума и экономии запасов топлива.
ТУТ-ТО И ВСПОМНИЛИ ОБ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ
При всех различиях между первой и третьей картинами обнаруживаются и существенные черты сходства. Если автомобиль предназначен только для городской службы, то для него типичны скорость и суточный пробег немногим большие, чем на заре автомобилизма, когда практически все автомобили были городскими. Получается, что применение электромобилей, несмотря на их все еще недостаточно энергоемкие аккумуляторы, не только необходимо, но и становится технически возможным.
Вот почему в последние годы возобновился выпуск электромобилей. Конструкторов, конечно, уже на удовлетворяет уровень электромобилестроения начала века. Нынешний электромобиль — это не прежний экипаж с огромными батареями, тяжелым (типа стационарного) электромотором и цепной передачей от него к колесам. Он многое перенял у современных автомобилей. Это не значит, однако, что достаточно заменить на автомобиле ДВС, коробку передач и бензобак электросиловой установкой, чтобы создать электромобиль.
Лет 10—15 тому назад было немало попыток построить такие «электромобили». Они окончились неудачей: машины получались очень тяжелыми, а тяговое электрооборудование не поддавалось удобному размещению на шасси. Теперь конструкторы склоняются к созданию специального электромобиля, устройство которого продиктовано реальными условиями эксплуатации.
Приспособленность к условиям эксплуатации определяет рациональность конструкции всякой машины. Что это означает в применении к электромобилю!
Во времена ранних электромобилей, например, считалось нормальным подзаряжать батареи, не снимая их с машины. Поэтому допускались и сложное крекрепление батарей на раме, и трудность их сьема с машины. Теперешний подход — иной. Быть может, он подсказан именно многолетним опытом автомобилизма.
Рис. 3. Схема силовой установки электромобиля НИИАТ—ВНИИ электротранспорта:
1 — акселератор, 2— выключатель, 3 — «ключ зажигашш», 4— реверс (рычаг направления движения), 5 — блок управления, 6 — розетка для ускоренной подзарядки, 7 — блок тиристоров, 8 — блок дросселей, 9 — блок конденсаторов, 10 — блок контактов, 11 — крышка отсека аккумуляторов, 12 — аварийный выключатель-автомат, 13 — электродвигатель, 14 — разъем проводки, 15 — редуктор, 16 — контейнер с аккумуляторной батареей, 17 — карданный вал, 18 — задний мост.
Батареи считают как бы составной частью «топлива». Значит, ими нужно «заправлять» электромобиль. Контейнеры для батарей должны быть нескольких стандартизованных размеров, а замена их — предельно упрощенной, механизированной. Будущая эпектромобильная «заправочная колонка» станет складом контейнеров, а «шлангом» послужит некое погрузочное устройство. Будет пи зарядка батарей происходить тут же, на «колонке»! Скорей всего нет. Ведь при большом числе батарей вредные испарения при зарядке сильно загрязняли бы атмосферу вокруг «колонок». Так что зарядку, наверное, поручат особым централизованным станциям, расположенным вне населенных пунктов. Контейнеры с батареями будут доставлять на «колонки», может быть, по трубопроводной системе или иным способом.
Тут мы уже заглядываем в четвертую картику. Но прежде чем дописать ее, нужно более подробно рассказать о современных электромобилях.
Они тоже в основном рассчитаны на смену батарей. Лишь в некоторых сегодняшних конструкциях встречаются электросхемы с встроенным зарядным устройством. Наличие в нем преобразователя тока дает основание для применения двигателя переменного тока. Поскольку зарядное устройство в дальнейшем, видимо, собственно для зарядки не понадобится, можно ожидать повсеместного применения более простых систем с двигателем постоянного тока.
Если обеспечена несложная и быстрая смена батарей, то проблема запаса хода электромобиля теряет свою остроту. Как не вспомнить время, когда, отправляясь в поездку, автомобилист брал с собой несколько канистр а то и бочку с бензином!
КАКИМ ЕМУ БЫТЬ!
Особенности конструкции электромобиля подсказываются его узкогородским назначением. Прочность деталей большинства автомобилей рассчитана на движение и с высокими скоростями, и по плохим дорогам. Детали же кузова и ходовой части электромобиля, предназначенного для небыстрого движения по асфальту., могут быть сделаны более тонкими, из менее прочных материалов. Тем самым уменьшается масса машины и в какой-то мере компенсируется все еще большая масса аккумуляторных батарей.
Мы отметили здесь только самые главные черты специфики электромобиля, доказывающие необходимость его проектирования заново (вместо переделки автомобиля в электромобиль).
Современные конструкции весьма разнообразны. Помимо различий в системе электродвижения — постоянного или переменного тока, с контроллерным или реостатным управлением (большинство конструкторов все же придерживается первой системы и сочетает ее с тиристорной пускорегулирующей аппаратурой — см. статью Е. Кочнева в «М-К», 1975, № 10), — имеется не менее семи схем компоновки (см. рис. 1) и шесть разновидностей назначения машин: двухместный микроэлектромобипь, двухместный малый, обычный 4—5-местный легковой [типа такси), малотоннажный фургон, коммунальный [мусоровоз и т. п.), автобус средней вместимости.
Все эти машины очень нужны, каждая для определенной городской службы. Для них (кроме такси и автобуса) типичен небольшой суточный пробег.
При их создании конструкторы должны были решить ряд задач, помимо описанных. Например, защита водителя и пассажиров от поражения током высокого напряжения (обычно 144 В), отопление кузова, питание электроприборов сигнализации и освещения. Решение двух последних задач оказалось нелегким. Для отепления автобуса требуется около 15—20% энергии, которой располагает аккумуляторная батарея то есть приходится либо рассчитывать в зимних условиях на еще меньший запас хода, либо применять (как это и сделано на многих машинах)… бензиновый отопитель, вроде того, что установлен на «Запорожце».
Для питания служебного электрооборудования ставят дополнительный автомобильный аккумулятор, но при этом возникает проблема его частой подзарядки. Большинстве конструкторов идет на то, чтобы все же расходовать энергию тяговой батареи на подзарядку дополнительной, для чего устанавливают на тяговый двигатель генератор. Есть и чисто механические задачи. Так, в задней подвеске избегают продольных листовых рессор, чтобы их концы не сокращали пространства, занимаемого в средней части электромобиля аккумуляторными контейнерами, и не увеличивали длины (а значит, и массы) электромобиля.
Читатель знает из газет, что в СССР работы над электромобилями ведутся на Рижском, Ереванском, Волжском, Ульяновском автозаводах, в ряде научных институтов автомобильной и электротехнической промышленности. До стадии эксплуатации небольших опытных партий дошли две работы — Гпавмосавтотранса совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом электромеханики и Научно-исследовательского института автомобильного транспорта совместно с ВНИИ электротранспорта (Калининград) и Рижским электромашиностроительным заводом. Грузоподъемность машин в обоих случаях — 0,5 т, аккумуляторы — свинцово-кислотные; силовая установка расположена под кузовом, ведущие колеса — задние. Эксплуатируемые в Москве электромобили созданы на базе грузового автомобиля УАЗ-451ДМ, снабжены силовой установкой переменного тока, зарядным устройством и электрическим рекуперативным (то есть возвращающим некоторое количество энергии аккумуляторам) торможением. Собственная масса машины — 2,5 т. Машины НИИАТ эксплуатируются в подмосковном городе Подольске. Они сконструированы заново с широким использованием агрегатов ходовой части автомобиля ГАЗ-24 «Волга»; силовая установка — постоянного тока; собственная масса машины — 2 т.
Всеобщий интерес к электромобилям, их перспективность увлекли и самодеятельных конструкторов. Ими уже построено несколько образцов электромобилей, о некоторых из них рассказывалось в «М-К». Не исключено, что в самодельных конструкциях будут найдены остроумные решения некоторых «электромобильных» задач, которыми смогут воспользоваться создатели будущих серийных электромобилей, не сгибаясь! А устойчивость машин обеспечена низким расположением центра их массы: под полом кузова находятся батареи и двигатель, сам же кузов — легкий. На его боковинах — другая внешняя особенность машин — герб города. Дело в том, что почти все они — общественного пользования. Не только электробусы, такси и фургоны, но и те, которыми жители и приезжие управляют сами. Это прокатные двухместные каретки. Эффективная эксплуатация общественных машин и их компактность привели к разгрузке улиц. Теперь можно в полной безопасности передвигаться по городу с достаточной (хоть и умеренной, как уже отмечено) скоростью. Безопасности способствуют также мощные эпектротормоза, упрощенное управление (нет переключения передач), маневренность компактных машин и хороший обзор с высокого места водителя.
А на некоторых машинах управление и вовсе автоматизировано… Но это, пожалуй, штрих пятой картины, которая сегодня не входит в наш рассказ.
Не говорим мы и о перспективах автомобилей с ДВС. Скажем лишь, что именно разделение автопарка на городской и загородный продлит на десятилетия распространение обычных автомобилей. Легковые будут развиваться как машины для загородных деловых поездок, туризма, отдыха, спорта, а грузовые и автобусы — для массовых скоростных магистральных перевозок. Конечными пунктами их рейсов станут автовокзалы, перегрузочные площадки, склады и общественные гаражи на окраинах городов, в черте которых будут господствовать бездымные и бесшумные электрические машины.
Ю. ДОЛМАТОВСКИЙ, кандидат технических наук
