1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Локомотивы с гибридным электродизельным приводом

19.02.2007

В автомобилестроении гибридный привод, то есть сочетание электродвигателя с двигателем внутреннего сгорания, впервые был серийно реализован уже десять лет назад. Компания «Toyota», вышедшая тогда на японский рынок с гибридной моделью «Prius», сохраняет своё лидерство в этой сфере и по сегодняшний день, хотя конкуренты – прежде всего, фирма «Honda», – буквально наступают на пятки. Главные преимущества гибридного привода – высокая экономичность за счёт уменьшения расхода горючего и высокая экологичность за счёт снижения выбросов вредных веществ в атмосферу – побудили теперь и производителей локомотивов в Канаде, Швеции и Германии взять на вооружение этот принцип. Правда, речь пока идёт не о магистральных, а лишь о маневровых локомотивах, да и технический подход немецких конструкторов существенно отличается от концепции их канадских и шведских коллег.

Сегодня на сортировочных станциях всех железных дорог мира безраздельно хозяйничают дизельные локомотивы – тепловозы. Неважно, формируется ли новый грузовой состав или возникла необходимость отцепить от поезда один вагон, – такого рода задания всегда выполняют дизельные тяговые средства. Основное же время маневровые тепловозы простаивают, то есть проводят в ожидании очередного задания. Старт, стоп, снова старт, снова стоп – для такого графика работы дизельный двигатель представляется наименее подходящим: в нём действительно возникает необходимость, только когда тепловоз трогается с места, а далее он работает в самом неэкономичном режиме. Поэтому канадская компания «RailPower Technologies Corporation» разработала новые маневровые локомотивы, в которых гигантские дизельные двигатели мощностью до 1,5 тысяч киловатт уступили место небольшому дизельному электрогенератору и огромной аккумуляторной батарее с большим ресурсом. Патрис Бодри (Patrice Beaudry), вице-президент компании, рассказывает:

Мы начали в США в 2000-м году с модели, известной теперь под названием « Green Kid », то есть «зелёный козлёнок». Это был наш малый маневровый локомотив с гибридным приводом. За ним последовал большой маневровый локомотив под названием « Green Goat » – «зелёная коза». Наш сегодняшний ассортимент включает локомотивы обеих серий, но мы продолжаем, конечно, их совершенствовать.

Исходным сырьём для канадских инженеров служат самые обычные серийные локомотивы – переделывать старое оказалось и проще, и дешевле, чем строить новое «с нуля». Тем более что и переделывать-то приходится не так уж много: подавляющее большинство маневровых локомотивов изначально являются не тепловозами в чистом виде, а дизель-электровозами. Так что специалисты компании «RailPower» лишь меняют большой дизельный электрогенератор на малый и монтируют на освободившееся место дополнительные аккумуляторы. Ну и устанавливают новую систему управления. Только на американский рынок, не считая канадского, компания уже поставила 30 гибридных локомотивов. А ещё она нашла в лице шведской фирмы «STT Svensk Tågteknik AB» партнёра, готового продвигать эту передовую гибридную технологию на европейский – прежде всего, скандинавский – рынок. Руководитель проекта со шведской стороны Патрик Леннартссон (Patrick Lennartsson) говорит:

Главное преимущество состоит именно в том, что мы ограничиваемся очень небольшим дизельным двигателем. Он и окружающую среду гораздо меньше загрязняет, и горючего гораздо меньше расходует. Опыт эксплуатации в США свидетельствует о том, что экономия дизельного топлива составляет от 40 до 60 процентов.

Однако у маленького двигателя есть и недостаток: его мощности не хватает, что стронуть весь состав с места. В этот момент на помощь дизельному двигателю приходит электродвигатель, питающийся от аккумуляторов. Но после того, как состав набрал ход, с поддержанием его движения справляется уже один дизель. После остановки состава дизельный двигатель ещё какое-то время работает, заряжая аккумуляторы, а потом отключается. Первый шведский локомотив с таким гибридным приводом минувшим летом успешно прошёл испытания. Но в Европе он может столкнуться с конкуренцией: инженеры немецкого филиала международного концерна «Alstom» разработали свою модель гибридного локомотива, причём в ней дизельный и электромотор поменялись ролями, – говорит один из участников проекта Арним Хертель (Arnim Hertel):

Эксплуатационная концепция такова: локомотив приводится в движение электродвигателем, питающимся от аккумулятора. Когда напряжение на клеммах аккумулятора опускается ниже определённого уровня, включается дизельный генератор и подзаряжает его. В условиях пиковых нагрузок оба двигателя могут работать одновременно.

Правда, немецкие инженеры несколько отстают от своих шведских конкурентов с их канадской техникой: локомотив концерна «Alstom» завершит полный цикл испытаний только весной текущего года – если, конечно, всё пойдёт по плану... Между тем, и канадские разработчики не сидят сложа руки. Во-первых, они расширяют сферу применения своей гибридной технологии: она используется теперь и в конструкции портальных кранов, производящих погрузку и разгрузку контейнеров в морских портах. А во-вторых, они разработали локомотивы без электродвигателя, зато с тремя дизельными моторами разной мощности. Патрис Бодри поясняет:

Это эффективнее. Там, где много мощности не требуется, большие двигатели и не включаются, поскольку маленького вполне достаточно. А когда нужно, на помощь приходят более мощные двигатели. Такая концепция тоже позволяет сэкономить немало горючего.

Борьба за экологичность продолжается и в сфере автомобильного транспорта. Гибридный привод – это лишь одно из возможных технических решений проблемы. Другой путь – создание более экономичных моторов. Ещё одна возможность – более широкое применение биотоплива: во-первых, биоэтанол или, скажем, рапсовое масло – возобновляемые энергоносители, поскольку они производятся из сельскохозяйственного сырья, а во-вторых, при их сжигании образуется меньше парниковых газов. В Евросоюзе даже действует закон, предписывающий, чтобы к бензину, произведённому из нефти, в обязательном порядке подмешивалась некоторая доля биотоплива. Но теперь поборники использования биоэтанола оказались в очень сложном положении: результаты испытаний, проведённых в лаборатории по изучению воздействия автомобилей на состав атмосферного воздуха при Объединённом исследовательском центре Евросоюза в Испре на севере Италии, оказались не только неожиданными, но и весьма тревожными. В этой лаборатории наряду с многочисленными стендами, позволяющими анализировать состав выхлопных газов при разных режимах работы двигателя, имеется и специальная камера, в которой изучаются вредные испарения запаркованных автомобилей, то есть автомобилей с выключенным двигателем. Казалось бы, какая опасность для окружающей среды может исходить от неработающей машины? Инженер-испытатель Алоис Кразенбринк (Alois Krasenbrink) поясняет:

Испытание продолжается 24 часа. За это время воздух в камере нагревается с примерно 20-ти до 34-х градусов Цельсия. Вот тут на графике хорошо видно, что уже через 12 часов температура достигла максимума. И всё это время автомобиль испускает в окружающую среду газообразные субстанции – летучие углеводороды. Именно это мы здесь и измеряем: сколько летучих углеводородов в единицу времени выделяет в атмосферу запаркованный автомобиль.

Летучие углеводороды – это те канцерогенные пары бензина со специфическим запахом, который известен каждому, кто хотя бы раз заправлял автомобиль на бензоколонке. Алоис Кразенбринк продолжает:

Существуют предельно допустимые нормы эмиссии: они составляют 2 грамма на испытание. То есть за все 24 часа в этом замкнутом помещении камеры при температуре, изменяющейся согласно этой стандартной кривой, автомобиль не должен выбрасывать в атмосферу более 2-х граммов углеводородов. Сейчас мы завершили обширную серию испытаний в соответствии с программой по изучению эмиссии летучих компонентов горючего с примесью биоэтанола.

К обычному бензину можно подмешивать до 10-ти процентов биоэтанола – спиртового топлива с полей, получаемого из биомассы, будь то пшеница или сахарная свёкла. Обычные бензиновые двигатели внутреннего сгорания, как правило, совершенно безропотно переносят такую добавку. Зато против этой процедуры восстают бензобаки – об этом недвусмысленно свидетельствуют результаты испытаний в Испре. Алоис Кразенбринк говорит:

Судя по всему, некоторые модели автомобилей уже сегодня в полной мере отвечают строгим нормам на токсичность выбросов при добавлении в горючее этих самых 5-ти или даже 10-ти процентов биоэтанола. Они как бы не замечают никакой разницы между стандартным горючим и этой этаноловой смесью. Но есть и другие модели, и у них эмиссия вредных веществ в атмосферу увеличивается, причём значительно, иногда даже удваивается. Это означает, что многие автомобили, сегодня ещё укладывающиеся в предельно допустимые нормы токсичности выбросов, когда их заправляют стандартным бензином,, сразу же перестанут в эти нормы укладываться, едва в бензине появится эта биоэтаноловая добавка.

Биоэтанол увеличивает долю летучих компонентов в горючем. Топливо легче испаряется, и эти пары проникают в атмосферу через малейшие неплотности в бензобаке или в бензопроводе. Ситуация становится особенно тревожной, если доля биоэтанола в бензине достигает 10-ти процентов. Поэтому нормативы ЕС допускают не более чем 5-процентую добавку биоэтанола. В Германии этот показатель пока гораздо ниже, однако он будет в ближайшие годы расти. Если европейские законодатели, движимые заботой о противодействии глобальному потеплению, решат отменить 5-процентное ограничение на долю биоэтанола в бензине, то автомобилестроители будут вынуждены всерьёз озаботиться повышением качества бензобаков и бензопроводов. Правда, «изобретать велосипед» им не придётся: соответствующие технические решения уже имеются. К ним относятся специальные фильтры на основе активированного угля для улавливания бензиновых паров, а также бензобаки особой конструкции. В Калифорнии они уже сегодня предписаны законом:

У автомобилестроителей имеются полимерные топливные баки с двойными стенками, и там подобные проблемы просто не возникают. Одна беда – они значительно дороже нынешних. Поэтому очевидно, что автомобилестроители будут тянуть с внедрением новых бензобаков как можно дольше. Такова жизнь. Но, по крайней мере, никаких новых технологий разрабатывать не требуется. Нужно лишь внедрить то, что уже давно создано.

А теперь – совсем другая тема. Как известно, всё больше бытовых электронных приборов, ещё совсем недавно заставлявших нас то и дело путаться в проводах и кабелях, сегодня прекрасно обходятся без проводной связи. И только от сетевых шнуров нам пока избавиться не удалось. Но вскоре ситуация может кардинально измениться. Потому что Марин Сольячич (Marin Soljacic), сотрудник знаменитого Массачусетского технологического института в Кеймбридже близ Бостона, взялся за разработку системы беспроводного электроснабжения бытовой электроники. А побудила учёного к этому его собственная рассеянность: он то и дело забывал подзарядить свой мобильный телефон, и тот будил его ночью громким писком, сообщая о том, что аккумулятор «садится». В конце концов, физик Сольячич задумался: а нельзя ли решить эту проблему, не втыкая блок питания в розетку?

Речь тут не идёт о транспортировке энергии на значительные расстояния. Для решения той задачи, которую я перед собой поставил, вполне хватило бы, если бы удалось осуществить беспроводную передачу электроэнергии внутри одного помещения. Это как сегодня с Интернетом: на большие расстояния пакеты данных передаются по медным или оптоволоконном кабелям, а дома или в офисе компьютеры получают информацию через беспроводную сеть.

Такая информация, как известно, передаётся посредством электромагнитного излучения – например, с помощью радиоволн. Однако для переноса энергии в рамках задачи, решаемой массачусетскими физиками, этот путь не годится – слишком велики потери. Поэтому Сольячич делает ставку на электромагнитную индукцию – явление, широко используемое в генераторах, трансформаторах, дросселях. Речь идёт о возникновении электродвижущей силы в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или перемещающемся в постоянном магнитном поле. Правда, более или менее эффективно использовать индукцию для передачи энергии можно лишь на очень небольших расстояниях, измеряемых несколькими сантиметрами. Чтобы обеспечить перенос энергии на дистанции, измеряемые метрами, Сольячич намерен использовать ещё одно физическое явление – резонанс:

Большинство людей знакомы с резонансом в акустике. Если взять на скрипке ноту «ля» и поднести к скрипке камертон, он начнёт вибрировать, потому что нота «ля» отвечает его резонансной частоте. То есть энергия от скрипки передаётся камертону. Именно этот феномен мы и намерены использовать для беспроводной передачи электроэнергии.

Зарядное устройство, то есть излучатель энергии, – это как бы аналог скрипки, а подлежащий зарядке сотовый телефон или ноутбук, то есть приёмник энергии, – это своего рода камертон. Излучатель энергии настроен на частоту в несколько мегагерц, и только приборы, настроенные на ту же частоту, смогут воспринять эту энергию. Как же всё это должно функционировать на практике?

В ходе нашей работы мы исследовали две очень простые конструкции. Для излучения энергии годится диск из материала, обладающего определёнными электромагнитными свойствами. Такой диск можно подвесить к потолку. А для приёма энергии будет достаточно петли из медного провода в сочетании с довольно простой электронной схемой.

Предполагается, что аккумуляторы соответствующих приборы автоматически начнут подзаряжаться, как только окажутся в одном помещении с излучателем. Но не причинит ли такая система ущерб здоровью?

Когда два объекта попадают в резонанс, они обмениваются большим количеством энергии, но на других объектах это практически никак не отражается. Мы намерены использовать частоты, на которые человеческий организм не откликается, поэтому опасаться ущерба для здоровья не стоит.

Правда, всё это пока лишь теория и компьютерное моделирование. Натурные эксперименты ещё только предстоят, но некоторые технические трудности просматриваются уже сегодня. Например, согласно расчётам, для надёжной передачи энергии диаметр приёмного контура должен быть не менее полуметра. Спрашивается, как же такой контур поместится в ноутбук, не говоря уже о мобильном телефоне?