Майже сто років тому, коли автомобілебудування робило перші кроки, у цій галузі спостерігалися цікаві, з точки зору нашого сучасника, явища. Сьогодні само собою зрозуміло, що автомобіль — це транспортний засіб з бензиновим або дизельним двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ). А в ті часи, по-перше, розглядали автомобіль як спортивну або прогулянкову дорогу іграшку (транспортним засобом його не вважали через недостатню надійність), по-друге, машини тоді приводилися в дію не лише бензиновими двигунами.
На першу офіційну автоперегони в 1894 році були заявлені поряд з бензиновими автомобілями парові, електричні, пружинні, пневматичні та навіть такі, що діють, як запевняли їх конструктори, на стиснутій (!) воді або з використанням сили земного тяжіння. Перемогу, правда, здобули бензинові. Тим не менш у ті роки вони становили, наприклад, у США лише близько чверті всіх випускалися (у 1898 році — 936 з 4191), парових було 40%, електричних — 37%.
Цікаво, що перший сконструйований в Росії І. Романовим автомобіль був акумуляторним. Добра половина рекордів швидкості на межі століть належала також не бензиновим, а паровим та електричним автомобілям. Зокрема, швидкість вище 100 км/год вперше була досягнута на електромобілі (гонщик Женатці)…
Поступово становище змінювалося. Відпали не лише всі неробочі двигуни, на кшталт гравітаційних, але швидко скорочувалася й частка парових. І в першу чергу через їхню громіздкість, загрозу вибуху котла та необхідність «розводити пари» перед поїздкою.
Довше всіх трималися електричні. Деяку їх кількість можна було зустріти на поштовій службі, доставці товарів магазинам та покупцям у Берліні, Нью-Йорку та інших великих містах ще в 30—40-х роках. Але їх число в загальному обсязі автопарку вже в 1905 році не перевищувало 15%, у 20-х впало всього до 1%, а в період після другої світової війни — 0,1%. Здавалося б, у змаганні автомобільних силових установок остаточну перемогу здобув двигун внутрішнього згоряння.
Але ось які, не менш цікаві, події відбуваються в наші дні. У всіх промислово розвинених країнах знову розробляються автомобілі з різними типами двигунів, серед яких особливо багато електричних. Ряд фірм у США, Англії, Японії, Італії, ПНР вже випускає електромобілі серіями. Експлуатуються дослідні партії електромобілів і в нашій країні.
Учені-економісти, планувальники, соціологи в прогнозах на майбутнє передбачають, що до кінця століття число електромобілів поступово зросте до 50% всього автопарку. На 1985—1990 роки називають, наприклад, такі числа: для США — від 15 до 90(!) млн., для ФРН — 2 млн., для ПНР — 4—6 млн.
Чим же прогнівив людей так палко улюблений ними бензиновий або дизельний автомобіль! І чим їх тепер приваблює зазнав поразки електричний!
Справа, звичайно, не в любові і не в гніві.
Щоб відповісти на поставлені питання, розглянемо умови роботи автомобілів на початку XX століття, у його другій чверті, в наш час і в майбутньому, яким воно уявляється в прогнозах.
«НЕ ШВИДШЕ РИСІ»
Отже, картина перша. По заповнених кінними екіпажами та фурами вулицях міст зрідка, в загальному темпі (як писали в тодішніх правилах руху, «не швидше кінської рисі») котилися і безконі екіпажі — автомобілі. Вони належали аристократам, великим комерсантам, фабрикантам. Автомобілями керували наймані шофери, обслуговували їх досвідчені механіки. За місто машини не виїжджали — там погані дороги, там не знайдеш механіка, трапися якась несправність. Якщо перевести штрихи цієї картини на технічну мову, вийде: швидкість не більше 30 км/год, запас ходу — не більше 50 км, необхідний запас енергії (для екіпажа з повною масою, скажімо, 2 т) — близько 10 кВт*год. Цим рамкам міг відповідати практично будь-який тодішній автомобіль, будь то ненадійний бензиновий, будь то електричний, з його важкими та порівняно слабкими батареями. У останнього навіть були немалі переваги — бездимність, безшумність, простота управління, за які його особливо цінували автомобілістки з вищого світу; вони навіть називали його «дамським автомобілем».
Тут потрібно зупинитися, щоб пояснити, чому ми назвали батареї порівняно слабкими. Йдеться про свинцево-кислотні (або лужні залізо-нікелеві) акумулятори, які за своєю хімічною сутністю здатні виробляти найбільше 50—60 Вт*год енергії на 1 кг своєї маси. У часи розквіту електромобілів це значення було втричі менше, в наші дні — в середньому в півтора-два рази (30—40 Вт*год/кг). Досі такі батареї — єдині придатні за доступністю, ціною та надійністю для застосування на масових засобах транспорту. Тим часом ДВЗ вже на світанку свого розвитку показував питому енергоємність до 60 Вт*год/кг і міг забезпечувати автомобілю на початку XX століття запас енергії до 22—24 кВт*год (з урахуванням обсягу бака). Забігаючи вперед, вкажемо, що для сучасних нам автомобілів типовими є величини 500— 700 Вт*год/кг (і більше) та 40—50 кВт*год.
…Минуло близько третини століття. Картина друга. Автомобілі нараховуються мільйонами. Для них побудовані дороги, бензоколонки, так що вже не потрібно купувати бензин в аптеках, як це робили раніше. Машини стали надійними та швидкохідними (до 100 км/год), ними може керувати кожен, не обов’язково механік. Дим та шум від двигунів поменшали. До речі сказати, якщо «на світанку» димність автомобілів завдавала багато тривог містянам, то в одній книжці 20-х років читаємо: «Заміна кінного транспорту автомобільним має більше значення для міської гігієни. Коні дуже забруднюють мостові та двори… Автомобіль, правда, має ту незручність, що псує міське повітря запахом відпрацьованих газів. Але при вживанні хороших сортів палива цей недолік майже усувається».
Але повернемося до автомобільного ДВЗ. Його питна (літрова) потужність досягла 15—20 л. с./л (10—15 кВт/л), а витрата палива знизилася приблизно до 10 л/100 км на тонну повної маси. Так що 40-літрового бака у автомобіля з масою 2 т вистачає кілометрів на двісті. Іншими словами, щоб задовольнити таким універсальним умовам, запас енергії при середній швидкості їзди (в місті та за містом) 50 км/год повинен становити близько 40 кВт*год.
Дуже легко переконатися, що задовольнити цим універсальним умовам, використовуючи як джерело енергії акумуляторну батарею, практично неможливо, оскільки вона одна (при питній енергоємності порядку 20— 25 Вт*год/кг) важитиме до двох тонн, а вся машина — до чотирьох, для чого знадобиться ще більша батарея… І так до безкінечності.
Ось чому електромобілі свого часу вийшли з ужитку, поступившись місцем більш універсальним автомобілям з ДВЗ, і збереглися лише там, де умови роботи залишалися приблизно колишніми (поштові та торгові міські перевезення тощо).
ЗАХОДИ ПРОТИ… АВТОМОБІЛЯ
Минуло ще кілька десятиліть, і ми добираємося до наших днів. Картина третя. Світовий автомобільний парк перевалив за 300 мільйонів машин, він сконцентрований у містах та на головних міжміських трасах. Він витрачає земні запаси палива так інтенсивно, що, за прогнозами, повинен вичерпати їх через 25—50 років. Він забруднює атмосферу настільки, що в інших містах жителі змушені вдаватися до протигазів та спеціальних автоматів, з яких можна ковтнути порцію кисню. Він довів шум у містах до рівня, що загрожує здоров’ю людей. Разом з тим скупчення автомобілів призвело до значного зниження середньої швидкості руху, до затяжних заторів, так що підчас експлуатація автомобіля стає невигідною. Незважаючи на порівняно повільний рух, множаться дорожньо-транспортні пригоди, оскільки автомобілями керують мільйони «звичайних» людей, а не обрані висококваліфіковані водії.
Усе разом узяте змусило людство вживати заходів — так, заходів — проти автомобіля: різні заборони, обмеження. Частина їх спрямована на впорядкування сьогоднішньої ситуації, інша частина — на запобігання ще складнішій у майбутньому.
Почали скромно з того, що заборонили звукові сигнали в містах. Потім обмежили максимальну швидкість руху. Взяли під контроль вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах двигунів. Далі пішли заборони в’їзду в центральну частину міст, а то й взагалі в міста, наприклад — курортні. З іншого боку, стали приділяти більше уваги громадським видам транспорту, щоб зменшити приплив легкових автомобілів. Справа йде до того, що автомобільний парк повинен як би підрозділятися — на міський (порівняно тихохідний, в основному — громадського призначення) та заміський. До останнього відносяться легкові автомобілі індивідуального користування, міжміські автобуси, магістральні вантажні автомобілі та автопоїзди.
Однак ці заходи не вирішують повністю проблему очищення повітря, зниження рівня шуму та економії запасів палива.
ТУТ-ТО І ЗГАДАЛИ ПРО ЕЛЕКТРОМОБІЛІ
При всіх відмінностях між першою та третьою картинами виявляються й істотні риси подібності. Якщо автомобіль призначений лише для міської служби, то для нього типовими є швидкість та добовий пробіг небагато більші, ніж на світанку автомобілізму, коли практично всі автомобілі були міськими. Виходить, що застосування електромобілів, незважаючи на їх все ще недостатньо енергоємні акумулятори, не лише необхідне, але й стає технічно можливим.
Ось чому в останні роки відновився випуск електромобілів. Конструкторів, звичайно, вже не задовольняє рівень електромобілебудування початку століття. Нинішній електромобіль — це не колишній екіпаж з величезними батареями, важким (типу стаціонарного) електромотором та ланцюговою передачею від нього до коліс. Він багато чого переняв у сучасних автомобілів. Це не означає, однак, що достатньо замінити на автомобілі ДВЗ, коробку передач та бензобак електросиловою установкою, щоб створити електромобіль.
Років 10—15 тому було чимало спроб побудувати такі «електромобілі». Вони закінчилися невдачею: машини виходили дуже важкими, а тягове електрообладнання не піддавалося зручному розміщенню на шасі. Тепер конструктори схиляються до створення спеціального електромобіля, пристрій якого продиктований реальними умовами експлуатації.
Пристосованість до умов експлуатації визначає раціональність конструкції всякої машини. Що це означає в застосуванні до електромобіля!
У часи ранніх електромобілів, наприклад, вважалося нормальним підзаряджати батареї, не знімаючи їх з машини. Тому допускалися й складне кріплення батарей на рамі, і складність їх зняття з машини. Теперішній підхід — інший. Можливо, він підказаний саме багаторічним досвідом автомобілізму.
Батареї вважають як би складовою частиною «палива». Значить, ними потрібно «заправляти» електромобіль. Контейнери для батарей повинні бути кількох стандартизованих розмірів, а заміна їх — гранично спрощеною, механізованою. Майбутня електромобільна «заправна колонка» стане складом контейнерів, а «шлангом» послужить якийсь вантажопідйомний пристрій. Чи буде зарядка батарей відбуватися тут же, на «колонці»? Швидше за все ні. Адже при великій кількості батарей шкідливі випаровування при зарядці сильно забруднювали б атмосферу навколо «колонок». Так що зарядку, мабуть, доручать особливим централізованим станціям, розташованим поза населеними пунктами. Контейнери з батареями будуть доставляти на «колонки», можливо, по трубопровідній системі або іншим способом.
Тут ми вже зазираємо в четверту картину. Але перш ніж дописати її, потрібно детальніше розповісти про сучасні електромобілі.
Вони теж в основному розраховані на заміну батарей. Лише в деяких сьогоднішніх конструкціях зустрічаються електросхеми з вбудованим зарядним пристроєм. Наявність у ньому перетворювача струму дає підставу для застосування двигуна змінного струму. Оскільки зарядний пристрій надалі, мабуть, власне для зарядки не знадобиться, можна очікувати повсюдного застосування простіших систем з двигуном постійного струму.
Якщо забезпечена нескладна та швидка заміна батарей, то проблема запасу ходу електромобіля втрачає свою гостроту. Як не згадати час, коли, вирушаючи в подорож, автомобіліст брав із собою кілька каністр, а то й бочку з бензином!
ЯКИМ ЙОМУ БУТИ?
Особливості конструкції електромобіля підказуються його вузькоміським призначенням. Міцність деталей більшості автомобілів розрахована на рух і з високими швидкостями, і по поганій дорозі. Деталі ж кузова та ходової частини електромобіля, призначеного для нешвидкого руху по асфальту, можуть бути зроблені тоншими, з менш міцних матеріалів. Тим самим зменшується маса машини і в якійсь мірі компенсується все ще велика маса акумуляторних батарей.
Ми відзначили тут лише найголовніші риси специфіки електромобіля, що доводять необхідність його проектування заново (замість переробки автомобіля в електромобіль).
Сучасні конструкції дуже різноманітні. Окрім відмінностей у системі електроруху — постійного або змінного струму, з контролерним або реостатним управлінням (більшість конструкторів все ж таки дотримується першої системи та поєднує її з тиристорною пускорегулюючою апаратурою — див. статтю Є. Кочнєва в «М-К», 1975, № 10), — є не менше семи схем компонування (див. рис. 1) та шість різновидів призначення машин: двомісний мікроелектромобіль, двомісний малий, звичайний 4—5-місний легковий (типу таксі), малотоннажний фургон, комунальний (сміттєвоз тощо), автобус середньої місткості.
Усі ці машини дуже потрібні, кожна для певної міської служби. Для них (окрім таксі та автобуса) типовий невеликий добовий пробіг. При їх створенні конструктори повинні були вирішити низку завдань, окрім описаних. Наприклад, захист водія та пасажирів від ураження струмом високої напруги (зазвичай 144 В), опалення кузова, живлення електроприладів сигналізації та освітлення. Рішення двох останніх завдань виявилося непростим. Для опалення автобуса потрібно близько 15—20% енергії, якою володіє акумуляторна батарея, тобто доводиться або розраховувати в зимових умовах на ще менший запас ходу, або застосовувати (як це і зроблено на багатьох машинах)… бензиновий обігрівач, на кшталт того, що встановлений на «Запорожець».
Для живлення службового електрообладнання ставлять додатковий автомобільний акумулятор, але при цьому виникає проблема його частої підзарядки. Більшість конструкторів йде на те, щоб все ж таки витрачати енергію тягової батареї на підзарядку додаткової, для чого встановлюють на тяговий двигун генератор. Є й чисто механічні завдання. Так, у задній підвісці уникають поздовжніх листових ресор, щоб їх кінці не скорочували простору, займаного в середній частині електромобіля акумуляторними контейнерами, і не збільшували довжини (а значить, і маси) електромобіля.
Читач знає з газет, що в СРСР роботи над електромобілями ведуться на Ризькому, Єреванському, Волзькому, Ульяновському автозаводах, у низці наукових інститутів автомобільної та електротехнічної промисловості. До стадії експлуатації невеликих дослідних партій дійшли дві роботи — Головмосавтотрансу спільно з Всесоюзним науково-дослідним інститутом електромеханіки та Науково-дослідного інституту автомобільного транспорту спільно з ВНДІ електротранспорту (Калінінград) та Ризьким електромашинобудівним заводом. Вантажопідйомність машин в обох випадках — 0,5 т, акумулятори — свинцево-кислотні; силова установка розташована під кузовом, ведучі колеса — задні. Експлуатовані в Москві електромобілі створені на базі вантажного автомобіля УАЗ-451ДМ, оснащені силовою установкою змінного струму, зарядним пристроєм та електричним рекуперативним (тобто повертаючим деяку кількість енергії акумуляторам) гальмуванням. Власна маса машини — 2,5 т. Машини НДІАТ експлуатуються в підмосковному місті Подольську. Вони сконструйовані заново з широким використанням агрегатів ходової частини автомобіля ГАЗ-24 «Волга»; силова установка — постійного струму; власна маса машини — 2 т.
1 — акселератор, 2 — вимикач, 3 — «ключ запалювання», 4 — реверс (важіль напрямку руху), 5 — блок управління, 6 — розетка для прискореної підзарядки, 7 — блок тиристорів, 8 — блок дроселів, 9 — блок конденсаторів, 10 — блок контактів, 11 — кришка відсіку акумуляторів, 12 — аварійний вимикач-автомат, 13 — електродвигун, 14 — роз’єм проводки, 15 — редуктор, 16 — контейнер з акумуляторною батареєю, 17 — карданний вал, 18 — задній міст.
Загальний інтерес до електромобілів, їхня перспективність захопили й самодіяльних конструкторів. Ними вже побудовано кілька зразків електромобілів, про деякі з них розповідалося в «М-К». Не виключено, що в саморобних конструкціях будуть знайдені дотепні рішення деяких «електромобільних» завдань, якими зможуть скористатися творці майбутніх серійних електромобілів.
Детальний опис конструкцій електромобілів виходить за рамки цієї статті. Але хотілося б направити думку конструкторів, запобігти їх можливим помилкам, попередити від повторення пройдених електромобіле-будівниками етапів. З того, що вже сказано, можна зробити деякі висновки. Навряд чи більшість самодіяльних конструкторів може розраховувати на акумулятори високої питомої енергоємності. Але й на базі звичайних стартерних свинцево-кислотних акумуляторів можна зробити цілком працездатну машину. Розрахунок показує, що для 1—2-місного мікроелектромобіля з повною масою близько 400 кг достатньо двигуна потужністю 1—1,5 кВт та батареї з двох-трьох акумуляторів типу 6СТ-60, що застосовуються на автомобілях. Така машина може розвинути швидкість 30—35 км/год і проходитиме без підзарядки 50—60 км. Потрібно подбати про легку та швидку заміну батареї, передбачити для неї контейнер з роликами та візок для її перевезення від електромобіля до місця зарядки, забезпечити ізоляцію контейнера та щільність штепсельних роз’ємів (вони служать не лише при заміні батареї, але й для її відключення при тривалій стоянці). Як двигун можна використовувати один або два автомобільні стартери.
На закінчення ще кілька штрихів до нашої четвертої картини. Вулиці 2000 року. Чисте повітря. З легким шелестом шин та електроприводів котилися екіпажі. Зовні вони відрізняються від знайомих нам автомобілів насамперед компактністю та порівняно великою висотою — адже при помірних швидкостях обтічність не так вже й потрібна, зате як зручно входити в кузов, не згинаючись! А стійкість машин забезпечена низьким розташуванням центру їх маси: під підлогою кузова знаходяться батареї та двигун, сам же кузов — легкий. На його боках — інша зовнішня особливість машин — герб міста. Справа в тому, що майже всі вони — громадського користування. Не лише електробуси, таксі та фургони, але й ті, якими жителі та приїжджі керують самі. Це прокатні двомісні каретки. Ефективна експлуатація громадських машин та їхня компактність привели до розвантаження вулиць. Тепер можна в повній безпеці пересуватися містом з достатньою (хоча й помірною, як уже відзначено) швидкістю. Безпеці сприяють також потужні електротормози, спрощене управління (немає перемикання передач), маневреність компактних машин та хороший огляд з високого місця водія.
А на деяких машинах управління і взагалі автоматизоване… Але це, мабуть, штрих п’ятої картини, яка сьогодні не входить у нашу розповідь.
Не говоримо ми й про перспективи автомобілів з ДВЗ. Скажемо лише, що саме розподіл автопарку на міський та заміський продовжить на десятиліття поширення звичайних автомобілів. Легкові розвиватимуться як машини для заміських ділових поїздок, туризму, відпочинку, спорту, а вантажні та автобуси — для масових швидкісних магістральних перевезень. Кінцевими пунктами їх рейсів стануть автовокзали, перевантажувальні майданчики, склади та громадські гаражі на околицях міст, у межах яких пануватимуть бездимні та безшумні електричні машини.
Ю. ДОЛМАТОВСЬКИЙ, кандидат технічних наук