Концепция энергоэффективных транспортных средств КАМАЗ

Научно-технический центр ОАО «КАМАЗ»
Концепция энергоэффективных
транспортных средств
КАМАЗ-2020
2012 г.
Тенденция развития а/м КАМАЗ
снижение снаряженной массы,
рост удельной грузоподъемности
повышение энерговооруженности
и топливной экономичности
усложнение конструкции,
расширение применения электронных систем
специализация и дифференциация а/м
(для регионов, отраслей, видов транспортных работ)
Премиум
уменьшение эксплуатационных расходов
и стоимости владения
улучшение экологических качеств а/м
повышение безопасности и удобства эксплуатации,
улучшение эргономики
разные ценовые уровни на различных рынках
и для разных потребителей (High, Med, Low)
1
«Существующий продукт с новым качеством»
Цена
(2009 - 2014)
Выпускается существующий в настоящее время модельный ряд с
использованием современных компонентов (двигатель Cummins,
коробка ZF и др.). Основные усилия направлены на увеличение
надежности и качества автомобиля без существенного повышения цены.
Бюджетные
европейские
2
«Практичный High-Tech»
(2015 → …)
Начинается выпуск автомобилей нового поколения, обладающих
принципиально
другими
техническими
характеристиками
и
потребительскими свойствами:
• ключевые потребительские свойства • ценовое позиционирование в нижнем
ценовом сегменте «High-Tech»
= 100% от качеств «High-Tech»
1
3
Потребительские
свойства
Concept-Truck KAMAZ-2020
«Энергоэффективные транспортные средства»
(2020 → …)
Начинается выпуск энергоэффективных транспортных средств КАМАЗ2020 для дальнемагистральных, городских и тяжёлых дорожных
перевозок с кардинально улучшенными потребительскими свойствами и
альтернативном топливе.
2
Основные проблемы
на сегодняшний день
«Науке предстоит решать проблемы, а не открывать
новые горизонты» - Деннис Л. Медоуз, директор Института
политических и социальных исследований Университета
штата Нью-Хемпшир (США).
Concept-Truck KAMAZ-2020
3
Основные проблемы на сегодняшний день
Истощение мировых запасов нефти
Нефть является невозобновляемым ресурсом –
истощение мировых запасов нефти неизбежно.
Загрязнение окружающей среды
Автомобили сжигают огромное количество
нефтепродуктов,
наносят
ощутимый
вред
окружающей среде.
Низкий КПД существующих автомобилей
На сегодняшний день автомобили имеют
низкий коэффициент полезного действия в
следствии различных механических и
аэродинамических потерь.
Concept-Truck KAMAZ-2020
4
Основные проблемы на сегодняшний день
Аварии и проблемы безопасности
На сегодняшний день автомобильная техника
является причиной многочисленных аварий.
Профессиональные болезни водителей
Перегруженность водителя, не соблюдение
режима сна и отдыха, сидячий образ жизни и
постоянное
напряжение
приводят
к
профессиональным заболеваниям водителя.
Высокие эксплуатационные затраты
современных автомобилей
Мировой рост цен приводит к высокой
стоимости содержания автомобиля.
Concept-Truck KAMAZ-2020
5
Проблемы и недостатки существующей системы перевозок
Состояние транспортной системы не оптимально и не достаточно.
В. Путин: …из-за нехватки нормальных дорог, низкой пропускной способности
мостов и портов …национальная экономика теряет до 6% ВВП в год.
Причины высоких
транспортных издержек:
 Огромные расстояния 947,3 тыс. км. – дороги
общего пользования;
 Большие топливные
расходы;
 В 70% - 80% случаях
большегрузные автомобили
возвращаются порожними.
Concept-Truck KAMAZ-2020
Прогнозируется увеличение транзитных перевозок через
территорию России с 28 млн. т до 100 млн. т. Возможности
увеличения валового национального продукта за счет экспорта
транспортных услуг реализуются не полностью, поскольку не до
конца используется транзитный потенциал России, а положение
отечественных перевозчиков на мировом рынке транспортных
услуг не отвечает их реальным возможностям.
Проблемы в развитии
транспорта
усиливают
инфраструктурные
ограничения,
создают
угрозу
замедления социального развития и формирования
единого экономического пространства. Их скорейшее
разрешение становится особенно важным в условиях
перехода национальной экономики в фазу устойчивого
роста.
6
Поиск решений
Concept-Truck KAMAZ-2020
7
Экологически чистые автомобили
Автомобили на топливных
элементах:
 Высокий КПД ≈ 60-80%;
 Экологичность;
 Компактный размер.
CH4
Применение сжиженного метана:
 Производство сжиженного метана;
 Криогенные технологии хранения газа;
 Возобновляемый природный ресурс.
Concept-Truck KAMAZ-2020
Автомобили с гибридными
силовыми установками:
 Параллельная схема;
 Последовательная схема;
 Параллельнопоследовательная схема.
 Мотор-колесо,
моторредуктор.
Электро автомобили:
 Электроприводы узлов и надстроек а/м;
 Рекуперация электроэнергии;
 Роботизированная техника (Кибер-Трак);
 Солнечная энергия.
8
Выбор альтернативного источника энергии
Метанол
Водород
Сжатый метан
Пропан
 Отработанная технология
добычи, переработки,
сжижения пропан-бутана;
 Более лёгкий процесс
сжижение пропан-бутана;
 Большое количество
заправок пропан-бутана.
Альтернативное
топливо
Диметилэфир
Сжиженный метан
 Большие запасы метана в земной коре;
 Отработанная технология добычи, переработки,
сжижения метана;
 Метан более экологичный и безопасный газ;
 Метан частично возобновляемый ресурс (метантенк);
 Сжижение метана обходиться дешевле, чем его сжатие;
 Сжиженный метан более компактен и занимает меньше
место на а/м, чем сжатый;
 Развитие заправочных сетей сжиженного метана проще
и дешевле, чем сжатого.
Concept-Truck KAMAZ-2020
Этанол
Биотопливо
9
Выбор альтернативного источника энергии
Электро автомобили
Преимущества электро автомобилей:
 Отсутствие выбросов выхлопных газов в атмосферу;
 Электроэнергия – возобновляемая энергия;
 Высокий
автомобиля.
коэффициент
полезного
действия
электро
Технология солнечных батарей
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию
особенно актуально для развития гибридных и электро
автомобилей.
Использование солнечных батарей:
 Для зарядки аккумуляторов и конденсаторов;
 Для прогрева узлов автомобиля и кабины
перед началом движения в зимнее время года;
 Для поддержания работы систем автомобиля
без запуска двигателя.
Concept-Truck KAMAZ-2020
10
Рекуперация энергии с использованием солнечной энергии
Цикл Ренкина
Использование
энергии
выхлопных газов
Запуск
Двигатель
Использование
солнечной
энергии
Параллельный гибрид
Движение
Двигатель
Электромотор Электромотор
Ускорение
Торможение
Двигатель
Двигатель
Старт-стоп
Двигатель
Электромотор Электромотор Электромотор
Рекуперация
электроэнергии
Concept-Truck KAMAZ-2020
11
Рекуперация энергии и гибридные силовые установки
Гибридные силовые агрегаты и схемы с использованием энергии
отработавших газов и тепла от системы охлаждения двигателя
- Гибридные установки - эффективное решение как для городских
развозных автомобилей и автобусов, так и для магистральных
автомобилей. Для развозных автомобилей позволяет сэкономить до
20-30% топлива, для магистральных автомобилей до 8%.
- Применение схем с использованием тепловой энергии двигателя и
утилизация энергии отработавших газов также представляется
эффективным решением для автомобилей.
Concept-Truck KAMAZ-2020
12
Варианты рекуперации тепловой энергии в электрическую
Термоэлектропреобразователи (на эффекте Зеебека)
позволяют использовать потери тепловой энергии и
получить дополнительный источник электроэнергии.
Расширительная машина забирает тепло выхлопных газов и используется
для привода генератора.
Данные Daimler
Concept-Truck KAMAZ-2020
13
Снижение массы автомобиля с сохранением его прочности
Снижение массы грузовика за счёт применения компонентов из материалов с
низкой плотностью
Тягач, кг
Снижение,
%
П/прицеп,
кг
Снижение,
%
Базовый а/м
≈ 7 258
≈ 6 124
Среднее применение Al
≈ 7 031
3,1%
≈ 5 670
7,4%
Высокое применение Al
≈ 6 577
9,4%
≈ 5 307
13,3%
Автопоезд,
кг
Снижение,
%
≈ 13 381
≈ 12 701
5,1%
Низковесовые
компоненты:
Колёсные диски;
Элементы рамы;
Лонжероны;
Кронштейны;
Седельные сцепные
устройства;
 Каркас кабины;
 Компоненты
полуприцепов и
прицепов.





Снижение снаряженной массы автомобиля ведёт к снижению расходов топлива:
Снижение на 500 кг приблизительно снижает расход топлива на 0,5 – 0,6 литра на 100 км.
Concept-Truck KAMAZ-2020
14
Снижение массы автомобиля с сохранением его прочности
Снижение собственной массы автомобиля за счет применения пластмасс.
Кузов Ё-мобиля изготовлен из композиции полипропилена и базальтового волокна.
Базальтовые композиты от Галена (см таблицу, строка 1) близки по свойствам к стали. Цена
(360 руб/кг за готового изделия) с учетом в 4,3 раза более низкой плотности по сравнению со
сталью, получается более низкая себестоимость конечного изделия (готовые штампованные
изделия у нас имеют с/с до 100 руб/кг).
На грузовом а/м из Галена можно сделать борта, платформу, раму (не лестничного типа),
бампер и интерьер кабины.
Профили
Стеклопластик
Topglass/Galen
деревянный
алюминиевый
стальной
поливинилхлорид
Удельный Прочность на
Модуль
Коэффициент теплового Теплопроводность,
3
вес, г/см разрыв, МПа эластичности, ГПа
расширения, К -1
Вт/м Кельвин
1,8
400
26
11 х 10-6
0,35
0,7
2,7
7,8
1,5
80
250
400
70
12
70
210
3
14 х 10-6
23 х 10-6
12 х 10-6
85 х 10-6
0,10
170,00
40,00
0,10
Concept-Truck KAMAZ-2020
15
Снижение аэродинамического сопротивления
Вместо зеркал
видеокамеры
Фронтальная часть кабины
имеет наклон от вертикальной
оси
Зауженная
передняя часть
кабины
Передняя
независимая
пневмоподвеска
Обтекатели
задних колёс
Аэродинамичный
выступ
Аэродинамичные обтекатели
выполнены единым
элементом с кабиной
Энергосберегающие
шины
Рама из высокопрочной
и облегчённой стали
Улучшение аэродинамических показателей автомобиля может снизить расход топлива на 10%
Concept-Truck KAMAZ-2020
16
Снижение аэродинамического сопротивления
Снижение аэродинамического сопротивления полуприцепа
Показатели
Экономия
топлива,%
Юбка
Хвост
Передний
конус
Передний
обтекатель
Обтекатель
тележки
≈ 5,6-7,5
≈ 2,9-5,0
≈ 2-4
≈1
≈1
Concept-Truck KAMAZ-2020
17
Направления работ
Concept-Truck KAMAZ-2020
18
Концепция развития продуктовой линейки
Концепция развития продуктовой линейки предусматривает постепенное изменение модельного
ряда ОАО «КАМАЗ»:
Экологический класс
Экологический класс
Экологический класс
Экологический класс
… - Евро-3
Евро-3 - Евро-4
Евро-4 - Евро-5
Евро-6 - …
… - 2010 г.г.
2010 - 2014 г.г.
2014 - 2019 г.г.
Серийные
автомобили
КАМАЗ
Рестайлинговые
автомобили КАМАЗ
Новое поколение
автомобилей
КАМАЗ
Concept-Truck KAMAZ-2020
2020 г.г. - …
Энергоэффективные транспортные
средства КАМАЗ-2020
19
Направления работ
1) Разработка новых, прорывных продуктов, способных кардинально изменить облик, технический
уровень и эффективность использования автомобильной техники КАМАЗ.
2) Повышение доли инновационной составляющей в портфеле продуктов ОАО «КАМАЗ».
3) ОАО «КАМАЗ» будет проводить исследования по следующим основным направлениям:







Применение IT-технологий в области интеллектуального управления грузовой автомобильной и
автобусной техники;
Создание роботизированной грузовой автомобильной и автобусной техники;
Создание грузовой автомобильной и автобусной техники, использующей альтернативные виды
топлива;
Снижение аэродинамических, механических и других видов потерь при движении грузовой
автомобильной и автобусной техники;
Создание грузовой автомобильной и автобусной техники, использующей рекуперацию тепловой,
кинетической и других видов энергии в электроэнергию с её накоплением, хранением и последующем
использовании для движения и работы транспортного средства;
Применение и усовершенствование технологии солнечных батарей в области дополнительных
источников энергии для грузовой автомобильной и автобусной техники;
Применение и усовершенствование новейших разработок в области спутниковой и др. видов связи и
телекоммуникаций для создания единого информационного пространства, позволяющего водителю
поддерживать непрерывную связь со всеми участниками дорожного движения, с сотрудниками
дорожной инспекции, базой, заказчиком груза и с домом.
Concept-Truck KAMAZ-2020
20
Направления работ
Название направления
Описание направления
Исследовательская деятельность
Создание энергоэффективных транспортных средств для
грузовых перевозок, в т.ч.
Программа разработок, выполняемых собственными силами ОАО «КАМАЗ»
Газодизельный двигатель экологического уровня Евро-6 с
Разработка серии высокомощных (от 340 л.с. до 460 л.с.) битопливных двигателей внутреннего
коэффициентом замещения не менее 65% (доля метана в общем расходе сгорания экологического класса Евро-6 и выше, работающих на дизельном топливе и природном газе
топлива), рабочим объёмом 12 литров
(метане).
Газовый двигатель экологического уровня Евро-6 рабочим объёмом 12
Разработка серии двигателей внутреннего сгорания экологического класса Евро-6 и выше, мощностью
л
от 300 л.с. до 420 л.с., работающих на пропан-бутане и метане.
Возможность внешней подзарядки АКБ
Разработка системы подзарядки аккумуляторных батарей для гибридных автомобилей
Программа разработок совместно с российскими и международными компаниями
Последовательный гибрид с применением мотор-редуктора
Разработка трансмиссии ТС со схемой последовательного гибрида, работающего на мотор-редукторе
Разработка трансмиссии ТС со схемой параллельно-последовательного гибрида, работающего на
Параллельно-последовательный гибрид с применением мотор-колёс
мотор-колёсах
Последовательный гибрид с применением мотор-колёс
Разработка трансмиссии ТС со схемой последовательного гибрида, работающего на мотор-колёсах
Разработка систем электрического и электромагнитного приводов основных узлов ТС (рулевое
Электроприводы узлов
управление, тормозная система и др.)
Рекуперация тепла выхлопных газов и двигателя (цикл Ренкина /
Разработка системы рекуперации тепловой энергии в электрическую
эффект Зеебека)
Электрическая обратимая машина
Разработка системы рекуперации кинетической энергии в электрическую
Разработка системы питания метаном для двигателей уровня Евро-6 и выше, и системы хранения
Технологии сжиженного метана
природного газа в а/м в сжиженном состоянии
Применение пропан-бутана
Разработка системы питания пропан-бутаном для двигателей уровня Евро-6 и выше
Независимая подвеска всех колёс
Разработка интеллектуально управляемой независимой подвески колёс
Полностью управляемые колёса
Разработка шасси ТС с полностью управляемыми колёсами
Разработка автомобильной системы коммуникаций, позволяющей водителю держать связь с
Единое информационное пространство
участниками движения, с базой, с домом, с грузополучателем
Электромагнитная подвеска автомобиля
Разработка интеллектуально управляемой электромагнитной подвески
Программа разработок по заказу ОАО «КАМАЗ»
Разработка нового поколения высокоёмких, устойчивых с низким температурам топливных элементов,
Топливные элементы
работающих на водороде и разработка установки, позволяющей получать на борту а/м водород из
метана
Разработка нового поколения высокоёмких, устойчивых с низким температурам аккумуляторных
Литиевые аккумуляторные батареи
батарей
Солнечные батареи
Использование энергии солнца для реализации вспомогательных и экстренных функций ТС
Применение композитных материалов и нанопокрытий
Разработка шасси ТС с применением композитных материалов и нанопокрытий деталей
Concept-Truck KAMAZ-2020
21
IT-технологии в области управления автомобилем
Планшетный
компьютер
Компьютер
Панель
приборов
Единое
IT-пространство
Мобильный
телефон
Автоматизированное
управление
автомобилем
Единое информационное
пространство
Concept-Truck KAMAZ-2020
Интеллектуальные
системы
Безопасность и охрана
автомобиля
22
Единое информационное пространство
Интернет
Wi-Fi, WiMAX, LTE, 3G, GSM, EDGE
Единое информационное пространство
представляет
собой
совокупность
навигационных систем (GPS-Глонасс),
беспроводных сетей (Wi-Fi, WiMAX,
LTE) и интернета.
GPS
Позволяет водителю поддерживать
связь со всеми участниками движения,
с базой и с домом.
Глонасс
Водитель
Связь с владельцем
Связь с базой и
грузополучателем
База и
грузополучатель
Владелец
Общение с
коллегамиводителями
Общение с
семьёй
Семья
Коллеги
Concept-Truck KAMAZ-2020
Прозрачность движения
Контроль и
безопасность
Участники движения
Дорожная инспекция
23
Перспективные направления работ по НИОКР
Автомобильные
и
автобусные
шасси с гибридными силовыми
установками:
Повышение топливо эффективности
и КПД автомобиля:





Топливные элементы;
Снижение аэродинамического
сопротивления;
Композитные материалы;
Специальные сплавы;
НАНОпокрытия.




Параллельная схема;
Последовательная схема;
Параллельно-последовательная
схема;
Мотор-колесо, мотор-редуктор.
Направления
работ по НИОКР
Автомобильные и автобусные шасси на
альтернативном топливе с максимальной
рекуперацией энергии:

Технологии сжиженного метана;

Применение солнечной энергии;

Применение кинетической энергии –
рекуперация
при
торможении,
рекуперация тепла выхлопных газов
(цикл Ренкина) и другие.
Concept-Truck KAMAZ-2020
Электротрак и электробус:
Технологии солнечных батарей;
Электропривод узлов автомобиля;
Мотор-колесо, мотор-редуктор;
Гибридные
технологии
хранения
электроэнергии;
 Роботизация управления автотехникой.




24
Модельный ряд транспортных средств
Автомобили для
городских развозных
перевозок
Городской автобус
Concept-Truck KAMAZ-2020
Автомобили для
магистральных
перевозок
Техника для
тяжёлых дорожных
условий
25
Выводы
На сегодняшний день существует множество вариантов направлений
инновационного развития в области разработок автомобилей. Можно выделить
два основных направления:
1) Эволюционный: модернизация существующих автомобилей;
2) Революционный:
создание
принципиально
новых
автомобилей
(трансформеры, электроавтомобили, топливные элементы и др.);
Очевидно, пока однозначное будущее развитие продукта автомобильной
промышленности
не
определено.
Поэтому
создание
концептуальных
автомобилей КАМАЗ четырёх типов (для магистрального, внедорожного и
городского развозного и пассажирского применения) позволит нам опробовать
все основные перспективные технические решения с последующей
коммерциализацией за 2020 г.:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
Технология сжиженного метана;
Технология топливных элементов;
Технологии газовых и газодизельных двигателей внутреннего сгорания уровня Евро-6;
Применение IT-технологий в области управления автомобилем;
Электромобиль;
Композиционные материалы, нанопокрытия, специальные сплавы;
Гибридные накопители электроэнергии;
Снижение аэродинамического сопротивления;
Гибридные технологии (последовательная, параллельная и смешанная схема);
Роботизация управления транспортным средством.
Concept-Truck KAMAZ-2020
26
Спасибо за Ваше внимание!
Concept-Truck KAMAZ-2020
27