Сравнительный анализ эксплуатационных показателей ДВС и электрической силовой установки

Проблема выбора топлива для наземных транспортных средств, всегда была одной из важнейших при эксплуатации автомобилей, а после нефтяного кризиса [6] она стала ключевой. В начале 20-х годов 21 первого века помимо привычных автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями получили распространение автомобили, работающие на электричестве, водороде, или на гибридных [7] силовых установках (как правило бензиновый + электромотор). Но если развитие “водородных” двигателей пока сложно рассматривать из-за больших цен на топливо [8], сложностей инфраструктуры [8], дороговизны автомобилей, подготовленных к такому топливу [9], то производство электромобилей сильно выросло за последние годы [7]. Если 20 лет назад такие авто производила только “Tesla”, то сейчас почти у каждого автопроизво- дителя есть в линейке модельного ряда автомобиль на электротяге [7]. Как правило производители заявляют лучшую экологичность, тяговые характеристики. Из-за современных проблем с экологией [10] такие преимущества представляются как реальная альтернатива ДВС, и будущее автотранспорта. Однако существует ряд особенностей электромобилей, из-за которых всё не так однозначно.

Популярным основанием для перехода на автомобили с электродвигателем является их “экологичность”. Так как по логике раз они работают на электротяге, то электромобили не вырабатывают вредные выбросы. При этом правильней считать выбросы не от двигателя автомобиля, а начиная от добычи топлива и заканчивая переработкой компонентов автомобиля. Такой принцип называется WelltoWheelemissions. При таком, более реальном раскладе, электромобили имеют уровень выбросов примерно на

EDN EOIUTZ таком же уровне, как и автомобили на бен-зине/дизеле [1,2,5]. В указанных исследованиях результаты имели различия из-за нескольких факторов: 1) основные выбросы электромобилей генерируют ТЭС, которые для выработки электроэнергии используют нефть, уголь и др. неэкологичные источники энергии. В разных странах количество таких станций разное и отсюда различия при измерении выбросов в разных странах. 2) Разный набор автопарк бензиновых и дизельных автомобилей. Более современные автомобили соответствуют более высоким экологическим нормам. Также, не во всех странах строгие условия прохождения технического обслуживания (далее - ТО), а удаление систем уменьшающие выбросы несложна в реализации. Поэтому в странах, где более современный автопарк и ужесточенные условия ТО автомобили с ДВС будут иметь меньшие выбросы. Важным фактором, влияющим на выбросы, является количество электромобилей. Для зарядки электромобилей, требуется увеличение выработки электротока, из-за чего естественных источников электричества может не хватать. В связи с этим приходится увеличивать нагрузку на ТЭС [1]. В данном исследовании акцентируют внимание на таком потреблении и показывают разницу в выбросах при таком подсчете выбросов. Из-за этого можно предположить, что при росте электромобилей на дорогах выбросы будут от ТЭС будут сильно увеличиваться.

Не стоит забывать, что ДВС могут работать не только на бензине/дизеле, а ещё на более экологичных видах топлива, таких как этанол, газ, синтетическое топливо и т.д. Данные виды топлива заметно экологичнее бензина [4,28,29] и в некоторых ситуациях способны повысить эффективность работы двигателя [3,30].

Поэтому обосновывать электрификацию автопрома опираясь на экологичность не корректно. Тем более, что в настоящее время появляются проблемы выбросов от автомобильных шин и тормозных колодок при производстве и эксплуатации [25].

Куда более неоднозначная ситуация если сравнивать технические и эксплуатационные особенности автомобилей на электротяге и ДВС.

Для начала рассмотрим принцип работы этих двигателей. ВДВС механическая энергия преобразуется из тепловой посредством возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, вследствие сгорания горючей смеси. Принцип работы основан на механизме электро- магнитной индукции, то есть присутствует переменный ток, из-за которого возникает магнитное поле, которое по закону Ампера вызывает отклоняющее действие. Для того чтобы это действие сделать механическим используются 2 основных компонента: статор и ротор. По неподвижному статору пропускается электрический ток, в статоре генерируется магнитное поле, которое действует на ротор и тот начинает вращаться. Получается механическая энергия, которая и идёт на движение автомобиля. Исходя из этого можно сделать вывод, что главные преимущества и недостатки этих двигателей заключается в следующем. Достоинства:

• 1)    Простота конструкции и низкая себестоимость: Автомобилю с электродвигателем не нужна КПП (при желании для более тонкой настройки режима работы можно, но не обязательно как традиционному автомобилю), не нужны смазывающие масла. Конструкция самого двигателя гораздо проще классического ДВС и нуждается в меньших инженерных и материальных ресурсах [11].

• 2)    Мгновенный крутящий момент. Крутящий момент не зависит от оборотов коленвала, а от силы тока, поэтому максимальную тягу можно получить мгновенно со старта, и, как следствие, наилучшее ускорение на низких скоростях [12].

• 3)    Обслуживание автомобилей на гибридной и электрической тяге представлен на рисунке 1.

батареей

530I   530h I5

Рисунок 1 - Сравнение стоимости содержания идентичных автомобилей по конструкции и с разницей только в силовой установке (на примере BMW 5 серии G60) за год (в рублях) [13]

Из графика (рис. 1) следует, что несмотря на регулярное обслуживание ДВС и трансмиссии, электрокары компенсируют эти затраты обслуживанием батареи. Нужно отметить, что у некоторых автопроизводителей есть гарантия на дорогие батареи, но ограниченна общими условиями гарантийных обязательств и колеблется в пределах 3-5 лет. В рамках гарантийного срока, в которых батарея приходит в негодность, а так как средний срок владением авто в РФ 3-5 лет, поэтому у нас в стране вполне вероятно, что первый владелец отложит дорогостоящее ТО следующему владельцу и окажется в большом плюсе. Стоит отметить из графика ещё тот факт, что гибриды оказались наиболее выгодным вариантом (сказалась экономия на бензине относительно классического автомобиля с ДВС и экономия на дорогой батареи относительно электромобиля (250 тыс. против 1050 тыс. при ставке 1,25$ за 1 кВт/ч) и то, что электромобиль с небольшой и дешёвой батареей оказался выгодней всех (объем в 4 раза меньше стандартной, но такого более чем достаточно для городского дневного цикла [19]).

Исходя из этого, справедливо считать, что в большинстве сценариев электромобили более выгодные транспортные средства, а установка много ёмкостных батарей выглядит не самой оправданной процедурой.

Недостатки:

• 1)    Хоть сам по себе электродвигатель простой и лёгкий, но аккумуляторы, необходимые для его подзарядки очень объёмные и тяжёлые представлены в табл. 1 и табл. 2. Из-за чего они будут сильно мешать автомобилям, которым очень важна масса (например, спортивные) и пространство салона (семейные или представительские).

Таблица 1 – Влияние батарей на объем багажника [17,26,27]

Марка автомобиля	Тип двигателя	Объем багажника без батарей (л)	Объем багажника с батареями (л)
BMW 520I (G60)/I5	ДВС/электромотор	520	490
Citroen C5 X	ДВС/PHEV	545	485
Porschepanamera III	ДВС/PHEV	494	430
Volkswagenpassat B9	ДВС/PHEV	690	510

Таблица 2 – Влияние батарей на массу авто [17,26,27]

Марка автомобиля	Тип двигателя	Масса без батарей	Масса с батареями
BMW 520I (G60)/I5	ДВС/электромотор	1886	2305
Volkswagen Golf 7/Golf E 7	ДВС/электромотор	1288	1615
Maserati GT II	ДВС/электромотор	1759	2260
Citroen C5 X	ДВС/PHEV	1493	1856

• 2)    Непрактичность. В последнее десятилетие производители достигли больших успехов, по дальности хода электромобилей, но они и близко не сравнятся с результатами ДВС и время зарядки их несравненно дольше, чем заправка авто с ДВС. Конечно, можно аргументировать тем, что технологии разработки электрокаров развиваются и, время зарядки и дальность хода с каждым годом растут [14], но здесь есть невыгодная зависимость. Уменьшая скорость зарядки, уменьшается ресурс батарей, так при быстрой зарядке они сильно перегреваются, то в следствие этого и без того ограниченный ресурс батарей становится ещё меньше. Можно, конечно, сильно снизить потребление батарей, но тогда нужно урезать мощность и уступать в этом компоненте перед ДВС. Также, проблема практичности касается и того, что в холодный период ёмкость батарей будет ещё стремительней падать [18]. Из-за этих проблем применение на

автомобилях с холодным климатом, и для авто, рассчитанных на долгие поездки (общественный транспорт, грузоперевозки, семейные авто и т.д.) электродвигатель не подходит.

В сравнении, представленном на рис. 2 взяты автомобили, у которых отличаются только силовые установки, потому что на дальность хода влияет множество показателей (коэффициент лобового сопротивления, площадь поперечного сечения кузова, клиренс, масса, жесткость подвески, ширина резины и т.д. [18]). Как видно из графика необходимость подзарядки сильно отражается на способности перевозки грузов. Если на гражданских автомобилях это дискомфорт, то для транспортных компаний переход на электротягу приведет к большим издержкам и финансовым потерям. При этом эксплуатационные показатели электрокаров будут снижаться, которые непременно приведут либо к учащенному интервалу обслуживанию (замене батарей), либо увеличиванию времени перевозок, то есть, в любом случае увеличение расходов.

□ BMW 530H  0 BMW I5 ■ BMW 530I ш volvo track ev □ volvo truck

Рисунок 2 – Сравнение затраченного времени на поездку грузового коммерческого тс (на примере Volvo FH [16]) и легкового гражданского автомобиля (BMW 5 серии G60 [17])

• 3)    Мощность. С низов у ДВС нет шансов перед электромотором, но после набора нужных оборотов традиционные автомобили не теряют в мощности и ускоряются при стабильной мощности пока они способны преодолевать воздушное сопротивление. В электродвигателе с возрастающими скоростями начинает возрастать обратная ЭДС, которая начинает тормозить электродвигатель из-за чего их крутящий и мощность на средних и высоких скоростях меньше, чем у ДВС.

Поэтому электромобили имеет сильно меньшую максимальную скорость и ускорение на средних скоростях. При этом, справедливо упомянуть, что в городских условиях электромобили по динамике (именно по ускорению на прямой) наиболее эффективны, так как внутри города из-за ограничений скорости электромобили постоянно могут работать при наивысшем крутящем моменте [20].

На рис. 3 и 4 представлены графики изменения крутящего момента и мощности с увеличением частоты вращения коленчатого вала.

Рисунок 3 – Зависимость крутящего момента и мощности от оборотов электродвигателя ТeslamodelS [21]

Рисунок 4 – Зависимость крутящего момента и мощности от оборотов электродвигателя

LamborghiniMurcielago [22]

В сравнении видно, что у автомобилей с ДВС с помощью систем наддува воздуха [23] и фазорегуляторов [24] также можно добиться хорошей отзывчивости на всем диапазоне оборотов коленчатого вала. На электрокаре же на высоких оборотах (что эквивалентно высоким скоростям) происходит неизбежное падение крутящего момента. Исходя из принципа работы асинхронного электродвигателя, такая тенденция неизбежна.

Рассматривая техническую разницу между автомобилями с ДВС и электромотором, можно прийти к тому, что у “электричек” явно будет расти спрос в классе A, B, C (низкая себестоимость, высокая надёжность, при небольших батареях выгодное обслуживание, хорошая тяга на низких скоростях, которые в черте города наиболее важны) [26]. Но при этом как дело касается автомобилей, для которых важна дальность хода, управляемость, комфорт, высокоскоростные качества, то здесь электроавтомобили в лучшем случае менее качественно будут выполнять свои функции. К тому же при слишком большом количестве электромобилей выбросы от ТЭС сильно вырастут. Поэтому полная электрификация автопрома бессмысленна и даже вредна, как с экологической, так и с технической точки зрения. Разумнее вкладываться в разработку более экологичных и эффективных ДВС на альтернативном топливе.