Транспорт
Галушка О.О.
Харківська державна академія
дизайну і мистецтв
Науково-технічні
інновації в автомобілебудуванні
Автомобіль займає дуже значуще місце у житті сучасної людини. Автомобілебудування
— одна із найбільш динамічних галузей. Саме тут активно розробляються і впроваджуються
інноваційні технології.
Метою даної статті було проведення аналізу інновацій і виявлення основних
тенденцій розвитку сучасного автомобіля. За період 2007-2008 рр. було проведено
вісім важливих автосалонів і авто шоу в містах Франкфурті, Парижі, Женеві,
Детройті, Лос-Анжелосі, Токіо, Пекіні, Москві. Інформація про ці заходи
відображена у багатьох виданнях. Нами були розглянуті публікації двох видань:
автомобільний щожневик «Автоцентр» (Україна) та журнал «Популярная механика»
(Росія). Їх розгляд чітко виявив
основні напрямки розвитку інноваційних технологій. Основополагаючим є те, що
всі інновації перш за все направлені на вирішення екологічних проблем. Не менш
важливим є пошуки нових принципів руху автомобіля, а також використання нових
технологій і матеріалів. Завжди актуальним залишається удосконалення
дизайн-ергономічних якостей автомобіля. Дуже цікавими є погляди на його
майбутнє.
На основі аналізу нами пропонується наступна класифікація інновацій в
сучасних автомобілях (рис. 1).
Рис. 1. Класифікація інновацій автомобіля
Із наведеної класифікації саме науково-технічні інновації
закладають базу прогресу автомобілебудування. До них ми відносимо нові принципи
і технології руху автомобіля (рис. 2). Насамперед, це — автомобілі на
альтернативному водневому паливі (рис. 2, а-г). Водень вважається найбільш
перспективним екологічно чистим паливом. При його згорянні з киснем, 21% в повітрі,
виділяються пари води і практично відсутні окисли вуглецю, накопичення яких є
причиною «парникового ефекту» і планетарного потепління. Але в повітрі є 78%
азоту. При його згорянні утворюються окисли азоту, не менш шкідливі, ніж окисли
вуглецю. Цього можна уникнути за рахунок режиму низькотемпературного згоряння,
але при цьому мають місце значні втрати потужності у порівнянні з традиційним
бензином. Треба також відзначити, що водень добувають в основному із природного
газу та вугілля. Ціна водню в еквіваленті до бензину дорожче приблизно у 30
разів. Водень може використовуватися в автомобілі в балонах високого тиску
(400-700 атм.). Такі балони з воднем займають багато місця. Зріджений водень
при температурі -253°С в
балоні-термостаті займає об’єм втричі менший, але швидко випаровується.
Найбільш перспективним, з точки зору безпеки і мінімізації об’єму, є насичення
воднем порошкоподібних металів з утворенням їх гідридів і наступним виділенням
водню при незначному нагріванні.
Тим не менш, не зважаючи на всі труднощі, всі провідні потужні автомобільні
компанії займаються водневою проблемою. В Каліфорнії (США), де діють найбільш
жорсткі екологічні норми, вже експлуатуються машини на водні FCX Clarity компанії Honda [Популярная механика (ПМ), №1,
2009. – С.100].
Побудову силового приводу на водні можна здійснювати
двома способами. Найпростішим із них є використання двигуна внутрішнього
згоряння. Більш перспективним є технологія з використанням так званих «паливних
елементів». В реакторі з паливними елементами відбувається реакція розпаду
водню і кисню повітря на іони і електрони з виділенням енергії, створюється
електрична батарея і забезпечується робота електричного приводу автомобіля. За
такою схемою працює модель FCX Clarity
(рис. 2а) [Автоцентр
(АЦ), №50, 2007. – С.48]. Водень заправляється в балон (171 л). Одна
заправка забезпечує пробіг 430 км, електромотор розвиває потужність 136
к.с. Силовий агрегат включає також літій-іонний акумулятор. Компоновочні схеми
автомобіля можуть бути різноманітними. Так, компанія General Motors
демонструє компоновку Hydrogen 4 (рис. 2б)
[ПМ, №11, 2007. – С.140], а також
«водневого» Cadillac Drovog (рис.
2в) [АЦ, №9, 2008. – С.29], в складі якого: 1 – балони з воднем, 2 – паливні
елементи, 3 – літій-іонний акумулятор, 4 – електромотор, 5 – задні електричні
мотор-колеса. Схема Hidra італійської дизайн-студії Fiorovanti дещо
інша (рис. 2г) [АЦ, №18, 2008. – С.25].
Процес впровадження водневих автомобілів розпочався, хоча для масового виробництва
треба внести ще багато удосконалень. Потрібно також налагоджувати водневу заправочну
інфраструктуру.
Ціна і затрати на експлуатацію такого екологічно чистого автомобіля поки що
дуже великі. Але затрати людини на охорону довкілля з часом стануть значно
більшими.
Вчені і конструктори пропонують ряд інших перспективних науково-технічних
інновацій. Так, американський винахідник Інго Валентино розробив гідрогібридну
повноприводну платформу Ingocar
(рис. 2д) [ПМ, №4, 2008. – С.116-120].
В її основі лежить допоміжний двигун внутрішнього згоряння опозитної
структури з вільними поршнями без
колінчатого вала, гідроакумулятор з еластичним резервуаром, наповненим азотом,
та гідравлічні мотор-колеса. Теплова енергія палива перетворюється в механічну
енергію стисненого газу. Із гідроакумулятора гідрорідина надходить на мотор
колеса. Коли акумулятор повністю заряджений, двигун автоматично відключається і
навпаки. При гальмуванні потік гідрорідини за допомогою клапану
перенаправляється в акумулятор. Така
схема з мінімальною кількістю механічних з’єднань забезпечує коефіцієнт корисної
дії гідроавтомобіля майже у двічі більший, ніж у сучасних автомобілів. Також до позитиву можна віднести великі
пікові потужності на мотор-колесах і малі витрати палива (1,8 л на
100 км).
Вельми перспективним виглядає створення так званого
махомобіля. В якості накопичувачів механічної енергії махові колеса відомі вже
давно. Їх ефективність була низькою. Але зараз створені «супермаховики», які
обертаються у вакуумному корпусі на магнітних підшипниках. Супермаховик, навитий із вуглеволокна, накопичує
енергію у 20-30 разів більше, ніж стальний. Його енергоємність на порядок вище
ніж у сучасних електричних акумуляторів. Вони вже застосовуються на
американських електростанціях для накопичення енергії при спаді споживання
електроенергії і віддачі при пікових навантаженнях. Це суттєво підвищує
коефіцієнт корисної діє станцій. Автотранспорт є також підходящою сферою застосування
супермаховиків. На рис. 2е [ПМ, №12, 2008. – С.62-66] зображений маховичний концепт-кар Ford Gyron, в
ньому супермаховик водночас виконує роль гіроскопічного стабілізатора двоколісного
транспортного засобу.
Принциповою є можливість створення транспортного засобу з плазменним двигуном.
Професор Рой – директор лабораторії моделювання динаміки плазми Університету
штату Флорида, запатентував «літаючу тарілку» (рис. 2є) [ПМ, №9, 2008. – С.78-80].
По всій поверхні «тарілки» із діелектрика рівномірно розміщені пари електродів,
які іонізують приповерхневий шар повітря. Взаємодія цієї плазми з магнітним
полем зумовлює виникнення магнітогідродинамічної сили. Формувати плазму і
регулювати рушійну силу буде бортова електроніка. Професор Рой упевнений, що
такий принцип дії можна забезпечити мінімальними затратами енергії бортових
батарей.
Мрія створити літаючий автомобіль давно переслідує винахідників усього
світу. На сьогодні вже є реальні експериментальні розробки. Рис. 2ж [ПМ, №2,
2008. – С.14, 20] відображує американський прототип «аеромобіля» зі
складчастими крилами із вуглепластика і кевларового полотна, а також європейського апарату Джино з чотирма поворотними
турбінами, зліт і посадка якого виконується як на гелікоптері.
Отже, проведений аналіз показує, що інноваційний розвиток автомобіля, який
би відповідав сучасним потребам і умовам, може йти декількома напрямками.
Очевидно, універсального «рецепту» не існує. Скоріш за все, автомобіль
майбутнього буде мати гібридну структуру. Це буде темою подальшого дослідження.
|
а) Honda FCX Clarity |
б) GM Hydrogen 4 |
|
в) GM Cadillac
Provoq |
г) Hidra Fiorovanti |
|
д) Гідромобіль Ingocar |
е) Махомобіль Ford Gyron |
|
є) Принципова схема |
ж) Аеромобілі |
Рис. 2. Науково-технічні інновації в автомобілебудуванні