Дискуссионный  клуб
научно-популярного журнала
"ЭКОЛОГИЯ И ЖИЗНЬ"

Экологичность и экономичность под капотом

 
Н.А. Токарева

Вопросы экологической безопасности автомобиля сегодня перед учеными и инженерами автомобилестроения являются приоритетными. И в этом не трудно убедиться, познакомившись с работой ГНЦ РФ «НАМИ» (Научный автомобильно-моторный институт). Только за последние полгода стараниями его сотрудников были проведены 1-й Международный автомобильный научный форум, выставка и научная конференция «Экологически чистый транспорт», в которых приняли участие разработчики, производители, ученые, исследователи, изобретатели, работающие над созданием современных транспортных средств, обеспечивающих сохранение окружающей среды и соблюдение экологических требований, различных двигателей, комбинированных энергоустановок, работающих на альтернативных топливах. Среди участников этих мероприятий и хорошо известные нашим читателям люди – В.Д. Русанов, Г.К. Мирзоев, рассказывавшие на страницах нашего журнала («ЭиЖ», 2001, № 6) о принципиальном решении проблемы экологичности автомобильного транспорта – новых двигателях, работающих на водороде.
Среди экспонатов выставки «Экологически чистый транспорт», прошедшей этой весной в НАМИ, много разработок и самого института: пассажирский автобус с энергоустановкой на базе топливных элементов, обеспечивающих полное отсутствие выбросов вредных веществ; двигатель внутреннего сгорания (ДВС), использующий в качестве топлива водородный синтез-газ; работы по созданию дизельных двигателей, удовлетворяющих требованиям ЕВРО-4; фильтры-нейтрализаторы для серийных автомобилей; системы очистки воздуха в салонах автомобилей. И ко многим из этих разработок самое прямое отношение имеет наш сегодняшний собеседник – Владимир Федорович КАМЕНЕВ – доктор технических наук, профессор НАМИ, руководитель отдела двигателей НАМИ.

– Знакомясь с работой НАМИ, трудно не заметить, что Ваш институт уделяет огромное внимание вопросам экологической безопасности автомобиля. С чем это связано?
– Сегодня уже невозможно представить жизнедеятельность человека, общественное развитие без использования автомобильного транспорта. Однако стремительная моторизация человечества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых в последние десятилетия на первое место, без сомнения, выдвинулись экология и сохранение природных ресурсов. Борясь за экологическую безопасность транспорта, законодатели многих развитых стран ввели жесткие контролируемые рамки по токсичности отработавших газов – нормы ЕВРО. Это ли не побудительный стимул для автомобильной промышленности в развитии работ по экологии?!
Наиболее энергоемким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Поэтому сегодня все ждут от производителей принципиально новых решений – автомобилю нужен двигатель, экономично работающий на экологически чистых видах топлив.
Наш институт – ведущий в отрасли, поэтому кому, как не нам, решать эти проблемы. Мы активно участвуем в работе ряда международных организаций (Международный форум в Женеве, в Комитет по внутреннему транспорту ООН), принимаем участие в разработке новых правил, стандартов, законов по безопасности транспорта. В них входят и вопросы снижение вредных выбросов в атмосферу, уменьшение энергетических расходов.
– Владимир Федорович, лихорадка разработки автомобильных двигателей на водороде (взамен привычных бензиновых), охватившая в последнее десятилетие ведущие автомобильные корпорации, по всей видимости, подходит к логическому завершению?
– Использование альтернативного бензину топлива для энергетической установки автомобиля, например, водорода – одно из лучших решений экологических, да и экономических проблем. Очевидное преимущество водорода – неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырьевых источников. А продукты сгорания водорода практически не содержат вредных компонентов на основе углерода (оксида и диоксида углерода, углеводородов и альдегидов).
– И, тем не менее, уже четыре десятилетия водородный транспорт остается, скорее, отдаленной перспективой в автомобилестроении, нежели реальностью. Идея перехода на такой транспорт то охватывает мир, то угасает. В чем тут дело?
– Вопрос, безусловно, правильный, но, похоже, не ко мне. Я ведь инженер. А вся история развития этого направления теснейшим образом связана с социально-политическими ситуациями. Обратите внимание: первая волна острого волнения вокруг этой темы поднялась в 1970-х годах – мир потряс энергетический кризис, к тому же подогретый пессимистическими прогнозами Римского клуба о близком конце мировых запасов нефти. Новый виток – «Буря в пустыне». Многие политики тогда задали вопрос: как же дальше будут развиваться США (да и европейские государства), находясь в нефтяной зависимости от арабских стран? Собственно, он и породил американскую программу создания автомобиля на водороде.
И наши чиновники подхватили эту идею, правда, забыв, что около 40 лет назад мы уже не только ею занимались, но и были лидерами в этой области.

– То есть речь идет о причинах не технических, а социальных?
– Именно так. Правда, справедливости ради, надо отметить и объективные трудности реализации этой программы. Дело в том, что сам президент США (а это мнение разделяют и специалисты компаний «Дженерал Моторс» и «Форд») в прошлом году заявил, что автомобиль на водородных топливных элементах появится в массовом производстве не ранее, чем через 15 лет.
Понимаете, при современном техническом уровне создать автомобиль, который будет работать на водороде, не сложно. Сложнее создать развитую инфраструктуру (к тому же связанную с вопросами безопасности эксплуатации): производство в массовых масштабах водорода, его транспортировка к местам заправки, сеть заправочных станций. Вот на это и уйдут предполагаемые американской программой годы, и очень серьезные финансовые средства.
Вторая проблема – это то, что топливные элементы, хоть и имеют существенно выше КПД (теоретически он приближается к 100%, практически – достигает 70%) по сравнению с двигателями внутреннего сгорания (около 40%), но достаточно дороги. Лучшие современные образцы, по данным фирмы «Полард», обеспечивают пока минимальную цену 1 кВт не ниже 1000 долл. Понятно, что на данном этапе пока говорить о массовом производстве средненького авто стоимостью в районе 70-80 тыс. долл. не серьезно. Но об образцах для локальных зон речь уже может идти, например, для центров мегаполисов, для зон с напряженной экологической ситуацией, для курортов. А по мере развития технологий и массовости выпуска, стоимость 1 кВт длительной мощности генератора упадет, по прогнозам разработчиков, до 100 долл. Поиск этих технологий и способов снижения доли трудозатрат идет весьма интенсивно.
– А что думают о перспективах внедрения водородного топлива в автомобильную промышленность российские ученые? Какие работы ведутся?
– Если говорить о топливных элементах, то этими технологиями наш авиационно-промышленный комплекс владеет. Осталось большое наследство от грандиозных космических программ. Но при всем желании их специалисты не смогут создать автомобиль – будут получаться ракеты.

Нельзя просто взять электрохимический генератор с космического корабля и встроить в готовый автомобиль. Это задача наша. Впрочем, вы уже рассказывали о том, как автомобилестроители решают эти вопросы («ЭиЖ», 2001, № 6). Кстати, в этом году на Женевском автосалоне «АвтоВАЗ» представил новый образец своего «Антела» на топливных элементах. И у зарубежных коллег их работа вызвала серьезный интерес.
Непосредственно по водородному ДВС мы тоже давно работаем. В первых созданных нами образцах соединение водорода с воздухом происходило вне двигателя. Но стендовые испытания показали ряд недостатков (среди которых плохие пусковые качества при холодном пуске двигателя, пожароопасность при газовой аппаратуре питания). Найдено было новое решение и новая конструкция двигателя – непосредственный впрыск топлива в цилиндры двигателя. Интересно, что даже если в этот двигатель впрыскивать бензин, а не водород, то его эффективность по сравнению с обычным, распределенным впрыскиванием возрастает примерно на 15%.
– И это не только экологичный, но и экономичный двигатель?
– Если говорить об экономичности, то все зависит от того, насколько дороже стал сам объект и какие надо вносить изменения в производство. Если новый двигатель, работающий на водороде, будет приспособлен к действующей технологии производств, то это позволит значительно удешевить его выпуск. А если к этому он будет и конструктивно проще… А это так: здесь не требуются изменяемые фазы, изменяемый ход клапана и еще многое другое, и это не может не заинтересовать производителя. Но главное, он будет экономичен при эксплуатации (а это уже покупательский интерес). Любой гибридный автомобиль, даже в бензиновом варианте, дает 40-50% экономии топлива.
– А вопросы безопасности водорода?
– О, со времен взрывающихся цеппелинов много воды (или водорода?!) утекло. Сегодня созданы баллоны для хранения водорода, которым не страшно даже прямое столкновение!
– Таким образом, есть два направления развития водородной энергетики для транспорта: заправка водорода «в бак» или баллон и производство его на борту автомобиля. Но и в том и в другом случае лет на 15-20 нам придется отложить принципиальное решение проблемы экологической безопасности автомобиля?

– Ну почему же, совсем не обязательно. До появления двигателей на топливных элементах или водородного ДВС экологические проблемы можно решать переходными проектами.
Ваши читатели уже знают, что и «Тойота», и «Хонда», и ряд других автогигантов уже выпускают автомобили с так называемыми комбинированными энергетическими установками, или гибридные. Создан такой двигатель и у нас («ЭиЖ», 2003, № 3). В таком гибриде привод осуществляется электрическим путем, а буферный накопитель – аккумуляторные батареи – заряжаются от бензинового двигателя, который работает лишь на оптимальных режимах, т. е. при очень низких расходах топлива и в самых лучших экологических параметрах.
По сравнению с обычным автомобилем здесь, надо сказать, очень невысокий расход бензина. Более того, дальнейшая перспектива развития таких двигателей – замена обычного топлива в нем водородным. Собственно, гибридный автомобиль с комбинированными энергетическими установками и двигатель, работающий на водороде – наша основная тематика. Можно надеяться, и на то есть основания, здесь будет серьезный прорыв.
– А чуть подробнее об этих «обстоятельствах» можно?
– Видите ли, нельзя так сразу, с ходу, создать автомобиль, например, скопировав чужую разработку. Это старый путь, который, как оказалось, тупиковый для нашего автопрома. Сегодня большая роль отводится фундаментальным исследованиям с использованием имитационных математических моделей для отработки алгоритмов – отличные средства, позволяющие перенести их на двигатель. Затем на стенде оптимизируются параметры всех элементов, чтобы гармонизировать их работу. И только после этого, создается «идееноситель», т. е. опытный образец. На данном этапе у нас уже есть все математические модели, и сейчас мы заканчиваем создание имитационного стенда для гибридного автомобиля на водороде.

Есть и другой путь становления экологически безопасного транспорта. А именно: двигатель, работающий на водородном синтез-газе. Топливом может служить метан, метанол, или диметилэфир. На борту автомобиля устанавливается специальный термохимический конвертор, который преобразует газ в водородное топливо, которое и обеспечит самые жесткие экологические нормы отработанных газов – практически нет СО, СН (оксида углерода и углеводорода) и раз в 5-6 снижается выброс оксида азота. Для него не надо даже создавать новой инфраструктуры – есть и производство этих топлив, и газозаправки.
– Владимир Федорович, Вы уже сказали, как американские специалисты оценивают перспективу серийного внедрения автомобилей на водородном топливе – 15-20 лет. А каковы российские реалии? С чего будет начинаться водородный транспорт с общественного, с частного?
– Пожалуй, самое реальное на сегодня внедрение – комплексная транспортная программа Москвы. А именно: создание городского автобуса с переменной энергетической установкой, в том числе на водородном топливе. Вы знаете, в столице давно витает идея, оздоровить центр города внутри Садового или хотя бы Бульварного кольца. Это возможно даже на тех разработках, которые есть в данный момент. Ведь те технические характеристики, по которым они еще не «дотягивают» до своих бензиновых собратьев, не столь важны для общественного транспорта – он не «Формула 1». Для автобуса, работающего на одном и том же маршруте, не трудно подобрать оптимальный алгоритм. К тому же и высокая скорость ему не нужна.
Так что подобный транспорт может появиться в ближайшие 2-3 года. Сейчас и мы, и наши коллеги из ведущих в этой области организаций («Энергия», Центр Келдыша, Курчатовский институт) принимаем участие в создании федеральной транспортной программы.

– Владимир Федорович, работа над водородным транспортом – работа на будущее. И приятно радует, что в Вашем подразделении работает много молодежи. Как вам удалось не только сохранить школу, но и успешно развивать ее? Ведь НАМИ, как и другие научные институты, столкнулся со всеми проблемами перестройки – сидели без зарплаты, с отключенным электричеством…
– Да уж. Сохранять и развивать науку всегда труднее, чем разрушать. Сейчас это уже понимается. Генеральная линия нашего руководства – омоложение института. Новые направления развития, совершенно иные задачи тоже этому в не малой степени способствуют. Мы работаем в тесном содружестве с Государственным техническим университетом (МАМИ), который выпускает инженеров для автомобильной промышленности. Студенты проходят у нас практику, делают курсовые, дипломные работы. Наиболее талантливые, желающие строить научную карьеру в НАМИ и остаются. Постепенно сложился коллектив – есть и молодежь, и опытные, с большим стажем наставники. Мы гордимся нашими ребятами: они успешно нарушают сложившуюся в науке традицию – защищать кандидатскую диссертацию после тридцати. Кандидатами они становятся через 3-4 года после защиты диплома, а докторами технических наук – до 40 лет. При этом они полностью отвечают основному требованию: быть не только хорошим теоретиком-математиком, но и (это главное) инженером-практиком, самым сильным и выдающимся в своей конкретной области. А общим фронтом мы решаем наши главные задачи – сделать Россию передовой автомобильной державой. А «передовой» автомобиль непременно должен быть экологичным.