Среднестатистический владелец современного легкового автомобиля, скорее всего, не имеет абсолютно никакого представления о системе термоменеджмента. Это его право, его нельзя в этом упрекать – он просто пользователь. Однако специалисты, работающие с данной системой, должны обладать о ней и ее взаимосвязях с другими системами исчерпывающей информацией, поскольку она определяет очень многие характеристики и потребительские свойства транспортного средства.
Управление температурой
Значение системы управления температурным режимом транспортного средства сложно переоценить. Оно заключается в повышении теплового КПД автомобиля, а также в обеспечении комфорта пассажиров и долговременной надежности компонентов. Поэтому все больше автопроизводителей внедряют передовые подходы к управлению температурным режимом транспортных средств.
Ведь смотрите, что происходит. Взаимосвязи тут самые непосредственные. За счет увеличения эффективности систем управления температурным режимом транспортного средства повышается тепловая эффективность автомобиля. Это в свою очередь приводит к более высокой экономии топлива транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания или увеличению пробега на одной зарядке электромобилей. То есть оптимизированная система управления температурным режимом транспортного средства имеет решающее значение как для автомобилей с ДВС, так и для электромобилей.
Также очевидна разница между решениями по управлению температурным режимом для автомобилей и электромобилей, которая существует в источнике энергии, силовой передаче и системе HVAC (heating, ventilation and air-condition system – отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха). Энергия движения в ДВС создается за счет сжигания ископаемого топлива. В электромобилях она вырабатывается батареями.
Типичный ДВС производит достаточную избыточную механическую мощность для привода водяного насоса, компрессора и других теплоотводящих компонентов, чтобы контролировать температуру двигателя и кабины. В отличие от него батареи являются основным источником энергии для электромобилей; поэтому терморегулирование аккумуляторов в электромобилях приобретает особую важность. Более того, хотя компоненты электроэнергии могут достигать более высокой энергоэффективности при относительно более низкой скорости тепловыделения, высокая температурная чувствительность и низкий диапазон рабочих температур этих компонентов требуют, чтобы система управления температурой имела быструю реакцию в реальном времени на условия движения транспортного средства. Двигатель, силовые модули и трансмиссия – это три основных компонента, которые необходимо охлаждать или нагревать с помощью системы терморегулирования в электрифицированной трансмиссии.
Следовательно, при управлении температурой на электромобиле следует учитывать охлаждение для каждого компонента, а также распределение контуров охлаждения, чтобы достичь наилучших тепловых характеристик при минимальной мощности и поддерживать температуру каждого компонента на оптимальном уровне.
Инновационные разработки
Таким образом, роль термоменеджмента в транспортных средствах, оснащенных любым из существующих сейчас типов привода, в обозримом будущем будет только возрастать. Возвращаясь к тому, о чем мы говорили немного выше: эффективность двигателя внутреннего сгорания, как всем известно, например, современного дизельного ДВС, составляет всего около 40%. То есть только 40% превращается в полезную энергию движения автотранспорта. Остальные же 60% энергии, выделившейся от сгорания топливовоздушной смеси, уходят вместе с теплом, с давлением отработавших газов в атмосферу и никак не используются.
В электротранспорте мы себе такую роскошь – свободно распоряжаться теплом – позволить не можем, потому что вместо ДВС у нас тяговая аккумуляторная батарея с определенной емкостью, с определенным зарядом, и каждый Джоуль, который образуется в процессе трансформации энергии в тяговых батареях, должен быть исключительно полезным.
Чтобы максимально повысить эффективность работы двигателей, производители предлагают различные решения. Например, компания MAHLE в настоящее время разрабатывает новый тип электродвигателя без магнитов, для которого не требуются редкоземельные элементы. Это не только делает производство более экологически совместимым, но также дает преимущества с точки зрения затрат и безопасности ресурсов. Главной особенностью нового двигателя является индуктивная и, следовательно, бесконтактная передача мощности — это позволяет двигателю работать без износа и особенно эффективно на высоких скоростях. Эффективность выше 95% почти во всех рабочих точках – уровень, который ранее был достигнут только гоночными автомобилями Формулы-E. Таким образом, MAHLE удалось объединить сильные стороны различных концепций электродвигателей в одном продукте.
Технический тренер, Mahle, Илья Гусев:
— Одна из главных целей компании MAHLE – CO2 нейтральный транспорт. Автотранспорт, использующий ископаемые энергоносители является главным источником парникового эффекта, MAHLE предлагает иные решения, разрабатывая альтернативные силовые установки, не ограничиваясь только одним видом технологий двигателя внутреннего сгорания.
Поэтому компания приняла стратегию двойного развития – усиление существующих позиций на рынке, например, дальнейшее увеличение эффективности двигателей внутреннего сгорания и развитие будущих технологий в меняющемся мире мобильности.
Когда речь идет о дальнейшем развитии двигателя внутреннего сгорания – терморегулирование стоит на первом месте, ведь оптимальная температура агрегата является определяющим фактором его эффективной работы.
В этой связи роль термоменеджмента заключается в том, чтобы эффективно регулировать температурный баланс сразу нескольких систем. Например, в электромобиле помимо системы кондиционирования, это еще и тяговая батарея, которую необходимо охлаждать и нагревать; и различные силовые модули, такие как электромотор, который так же надо эффективно охлаждать и нагревать, в зависимости от условий окружающей среды. Причем оптимальная температура работы тяговых батарей находится в районе 40 градусов. Поэтому в конструкцию транспортного средства интегрируется так называемый низкотемпературный контур охлаждения.
Вот здесь к регулированию подключается уже непосредственно система кондиционирования воздуха. Появляются такие элементы как чилер, в котором происходит испарение хладагента, но уже охлаждается не воздух, поступающий в салон автомобиля, а теплоноситель вот этого низкотемпературного контура, отвечающего за терморегулирование батарей.
Компания Mahle разработала и теперь многие автоконцерны ставят в выпускаемые ими электромобили специальный блок ITS (Integrated Thermal System), который аккумулирует в себе как тепло, так и холод. Блок собран на основе электрического компрессора E-compressor, представленного Mahle несколько лет назад. Он позволяет сохранять до 20% электроэнергии на автомобиле.
Если перевести это в прикладные цифры, понятные без дополнительных разъяснений, то применение данного блока на электромобиле с максимальным пробегом на одной зарядке 100 км без изменения характеристик тяговой батареи и других элементов дает в плюс еще 20 км.
Еще одна новейшая технология, которую Mahle представила в прошлом году – это технология 3D-печати. Дело в том, что на 3D-принтере можно печатать не только детали из полимерных материалов, но даже из металла. По сути, используется тот же самый материал на основе алюминия, что и при традиционном производстве поршней или теплообменников применяемых в системе охлаждения – компания Mahle впервые в мире применила технологию 3D-печати для изготовления этих деталей. Вы спросите зачем?
Для того чтобы повысить эффективность изготавливаемой детали. Например, если мы говорим про теплообменник, то благодаря 3D-печати толщина стенок, между которыми происходит теплообмен снижается, до 0.2 мм. Это практически как у фольги от шоколадной конфеты. Ну, может быть, чуть толще.
Если изготавливать такие перегородки обычными методами, которые сейчас широкого применяются, то настолько тонких стенок в принципе выполнить невозможно – сразу же возникнет множество нерешаемых проблем с соединением компонентов теплообменника, изготовленных из настолько тонких материалов. С 3D-печатью такие проблемы полностью исчезают.
Кроме того, компания Mahle является одним из партнеров проекта Nikola – это американский проект коммерческого автомобиля на топливных элементах – в котором она полностью ответственна за разработку и поставку на конвейер систем термоменеджмента. Главная сложность, которая возникает при проектировании систем — это сверхвысокое рабочее давление газа – в резервуарах водород хранится под давлением около 700 бар! При этом сам водород обладает самой большой удельной теплотой сгорания среди известных видов топлива, соответственно, выделяется больше тепла, чем в двигателе внутреннего сгорания и которое необходимо эффективно использовать, например, для нагрева газа перед подачей в катализатор с помощью специального теплообменника.
В системах ДВС борьба помимо Джоулей идет еще и за граммы – за снижение граммов вредных выбросов. Одна из последних инноваций компании Delphi Technologies – это первая в отрасли система непосредственного впрыска GDi, которая появилась в 2016 году, работающая под давлением 350 бар, — обеспечивает переход на качественно новый уровень, увеличивая давление с 200 до 350 бар. Благодаря более быстрому впрыску в камеру сгорания более мелких капель топливной смеси, объем выбросов углеводородов и твердых частиц в новейших системах снижается почти на 70%, что повышает топливную экономичность. Но это еще не все — компания уже работает над решением с давлением 500 бар.
Вопросы системы и их решения
В гибридных автомобилях так же не обойтись без термоменеджмента. Но ввиду того, что в таких системах мы имеем и двигатель внутреннего сгорания, и тяговую электрическую батарею, он, несомненного, гораздо более сложный. Даже несмотря на то, что получение энергии здесь проще, нежели в аккумуляторном электромобиле или электромобиле с водородными топливными элементами, потому что есть ДВС, который дает тепло. Соответственно вопроса, откуда взять тепло для обогрева салона и тяговой батареи зимой не возникает – мы отбираем тепло от двигателя через систему термостатов и соединительных шлангов. И наоборот – когда нам надо что-либо охладить, мы можем подключить систему кондиционирования.
А в электромобилях, каков бы ни был источник энергии, сложность в том, что тепло взять неоткуда. По сути, в электромобиле, чтобы получить
тепло, нужно использовать ту же самую аккумуляторную батарею, которая после стоянки еще холодная и не вышла на оптимальный температурный режим работы. То есть в этом плане задача гораздо жестче, нежели в гибриде.
Вы спросите: почему? Потому что одновременно работают температура в салоне, температура наружная, температура электрической силовой установки, температура агрегатов и все это взаимосвязано. Если батарея нагрета сильно, то тепло от нее может передаваться для нагрева салона. Таким образом, как мы уже говорили, каждый Джоуль энергии становится полезным и не теряется. Ведь заряд батареи сильно ограничен, сейчас он возрастает, но тем не менее зарядка электромобилей дело не быстрое, поэтому инженеры прилагают максимум усилий для того, чтобы сделать более эффективным расход заряда батареи.
Если обратиться к машинам на водородных топливных элементах, то там ситуация еще интереснее. Дело в том, что еще необходимо подогревать и водород, находящийся в баллонах под колоссальным давлением в несколько сотен бар и очень сильно охлаждающийся при испарении. Поэтому стоит задача нагревать этот газ – нельзя его при настолько низкой температуре подавать в реактор топливного элемента, где он должен вступить в дальнейшую реакцию. То есть в автомобилях на топливных элементах еще более сложные системы термоменеджмента плюс огромное давление.
Вызовы для послепродажного сервиса
По счастью, каких-либо новых неисправностей в системе охлаждения и кондиционирования в связи с ее усложнением не появилось. Как отмечает А.А. Рыбкин, менеджер по продажам Delphi Technologies, самое главное для системы кондиционирования по-прежнему – регулярная профилактика. Необходимо поддерживать в чистоте и при необходимости промывать/чистить радиатор (конденсатор), испаритель; своевременно заменять салонный фильтр, а также периодически проверять и при необходимости дозаправлять систему хладагентом.
А.А. Рыбкин:
— Принципиально конструкция системы кондиционирования не менялась, поэтому озвученные выше рекомендации одинаково актуальны как для современных, так и более старых автомобилях. Можно отметить, что современные автомобили, как правило, имеют более плотную компоновку моторного отсека, поэтому для них чистота радиатора особенно важна.
Если не говорить о полном отказе системы из-за повреждения основных компонентов (компрессор, конденсатор), что происходит сравнительно редко, то автовладельцы могут столкнуться с двумя проблемами – неприятный запах при включении кондиционера и снижение эффективности его работы.
А.А. Рыбкин:
— Неприятный запах возникает из-за загрязнения испарителя. Чтобы он не появился, нужно не забывать регулярно менять салонный фильтр. Кстати, в ассортименте Delphi есть не только стандартные, но и угольные фильтры, которые очищают воздух более эффективно. Также имеет смысл периодически производить очистку системы специальными очистителями антисептиками.
Одна из основных причин снижения эффективности климатической системы – утечка хладагента, как правило, через резиновые уплотнения, со временем теряющие эластичность. В таких случаях систему заправляют специальным хладагентом с красителем, который позволяет локализовать место утечки для её последующего устранения.
Но появление новых компонентов системы определённо усложняет задачи, стоящие перед персоналом СТО, и предъявляет дополнительные требования.
Ведь смотрите, у нас появился уже упомянутый чилер, отвечающий за охлаждение низкотемпературного контура охлаждения. Также сейчас можно встретить интегрированный интеркулер с отдельным жидкостным контуром, например, на автомобилях «заряженных» серий Mercedes, BMW. Поэтому механику нужно иметь более широкие компетенции в обслуживании, как минимум, понимая как это в принципе работает, и почему так организована система; как максимум – легко разбираясь в нюансах обслуживания.
И. Гусев:
— Сегодня автопромом выпускается немало различных гибридных автомобилей: «мягких», подключаемых, полных, «микро» и проч., надлежащее функционирование которых во многом обусловлено исправностью системы кондиционирования. Вы не поверите, но, например, один из самых распространенных автомобилей в этом сегменте – Toyota Prius, при неисправности компрессора кондиционера просто не заведется. Почему? Потому что привод осуществляется посредством высокого напряжения, то есть это не низкое напряжение, как на многих других гибридах, здесь напряжение исчисляется сотнями вольт, и соответственно, высоковольтная сеть при неисправности системы кондиционирования может вывести из строя другие электрические компоненты автомобиля. Поэтому если блок управления видит наличие каких-либо проблем с компрессором, он просто не даст завести машину до тех пор, пока эти проблемы не будут устранены.
Незнакомый с такими нюансами механик может очень сильно удивиться тому, что причиной сложностей с запуском транспортного средства является неисправность одного из компонентов системы кондиционирования.
Повышение требования к персоналу
Естественно технологическое развитие системы повышает требования к квалификации и компетенции персонала СТО.
И. Гусев:
— Мы всегда говорим сервисам, что не стоит дожидаться того момента, когда высокотехнологичные транспортные средства будущего начнут массово приезжать на сервис. Обучение сотрудников нужно проводить заранее! Это очень важно.
Наша компания для этого предлагает все существующие возможности. У нас есть инструкции, тренинги, в том числе и практические – мы выезжаем на предприятия и демонстрируем на реальных примерах особенности замены различных элементов систем – детали ДВС, фильтры, система охлаждения и кондиционирования, замена масла в АКПП, система мехатроники – стартеры, генераторы и различное сервисное оборудование. Соответственно уже сейчас мы можем представить исчерпывающие материалы по замене компрессоров на гибридных автомобилях. У нас уже сейчас есть определенные материалы, брошюры и проч. и мы готовы проводить тренинги такого рода.
Не так давно было запущено новое веб-приложение от специалистов Mahle – TechTool. Оно содержит базовые технические сведения об управлении температурным режимом, подробное описание технических процессов, активный поиск неисправностей и общую информацию в режиме онлайн.
А.А. Рыбкин:
— Наша компания проводит технические обучения как в офлайн, так и в онлайн формате по различным продуктовым группам нашего ассортимента, в том числе и по системам кондиционирования воздуха. Мы не только рассказываем об особенностях и преимуществах нашей продукции, но и уделяем внимание практическим аспектам – нюансам конструкции, установки и последующего обслуживания, чтобы сотрудники магазинов и СТО могли ответить практически на любой вопрос покупателя.
Как пример – ситуация с «условно новым» фреоном R-1234yf и традиционным R-134: нужно новое оборудование и нужен специальный газ и, конечно же, специальные компетенции, чтобы понимать, как это все
работает.
С каждым годом автомобили технологичнее из-за большого количества инноваций. При этом чрезвычайно важно четко осознавать – из-за подобных усовершенствований автомобиль не становится менее надежным. Он становится все более и более сложным из-за возрастающих требований не только к экологичности движения, но и комфортности, безопасности, динамике и проч. И, конечно же, чем больше систем и элементов добавляется в транспортное средство, тем вероятность поломки становится выше.
Что же дальше
Совершенно закономерно с развитием технологий мобильности, в каком бы направлении они ни пошли, как уже было сказано, значение системы термоменеджмента будет возрастать все сильнее и сильнее. Появляются новые элементы, например, электрический компрессор.
Преимущество в том, что данный компрессор может использоваться в широком диапазоне применений — от легкого пассажирского до тяжелого коммерческого транспорта. Меняется только актуатор – электрическая часть управления, а механическая остаётся прежней.
Большим плюсом является то, что данный компрессор может работать в т.ч. во время зарядки, что очень важно, поскольку наличие дополнительного охлаждения позволяет заряжать электромобиль быстрее и эффективнее. Разработка уже была отмечена Европейской ассоциацией автомобильных поставщиков престижной наградой CLEPA Innovation Awards 2019.
Несомненно, определенное развитие продолжится и с точки зрения химии. Например, новые типы хладагентов позволяют увеличить запас хода электромобилей.
