В контексте развития автомобильных технологий одна из самых интересных полемик происходит сейчас в области технических жидкостей. И если с судьбой охлаждающей жидкости все более-менее ясно – охлаждение будущим транспортным средствам потребуется в любом случае, то вот перспективы тормозной жидкости под большим вопросом. Не исключено, что как вид она в принципе исчезнет.
Задачи поставлены
С активным внедрением электромобилей и их технологий привода химия охлаждающих жидкостей (ОЖ) высокой эффективности потребует специфических изменений. Особенно возросла сложность теплового управления из-за различных требований к элементам трансмиссии в аккумуляторных электромобилях, электромобилях на топливных элементах, гибридных транспортных средствах (FHEV и PHEV), а также все еще совершенствующихся двигателях внутреннего сгорания.
Одна из ключевых задач, стоящих сегодня перед глобальным автомобилестроением, – это повышение срока службы батареи и обеспечение ее более высокой выходной мощности. Для решения этой задачи системы терморегулирования аккумуляторных батарей должны иметь возможность отводить тепло от аккумуляторного блока по мере его зарядки и разрядки с более высокой скоростью – а нагревается батарея и во время зарядки, и во время разрядки, надо сказать, очень сильно. Особенно в так называемом режиме super-charge. Собственно, именно поэтому мы так безальтернативно заявили во вступлении, что будущим автомобилям обязательно потребуется система охлаждения.
Дело в том, что из-за высоких напряжений и температур, создаваемых батареями, еще более важно иметь правильный – максимально эффективный – пакет охлаждающей жидкости и присадок. В то время как такие компании, как Tesla или, скажем, BMW, могут использовать в своих электромобилях традиционную ОЖ, поскольку используют систему косвенного охлаждения, системам прямого жидкостного охлаждения потребуются несколько иные по своему составу и свойствам антифризы, разработкой которых сейчас озабочены ведущие мировые химические концерны.
С другой стороны, когда мы говорим о модернизации классических двигателей внутреннего сгорания, становящихся все более компактными, экономичными, мощными и экологичными, надо понимать, что при изготовлении их систем охлаждения используются новые конструкционные материалы. Другими факторами являются законодательные требования (например, регламент REACH) в отношении компонентов, используемых в конечном продукте. В результате в современных системах охлаждения двигателя наблюдаются проблемы, связанные с отложениями, снижением функциональности теплообмена и повышенной коррозией. Это требует новых прорывных технологий для таких агрегатов.
Есть проблема
И все бы ничего – разработки разработками, однако в современной автомобильной индустрии – вы удивитесь, но это факт – не существует единых глобальных требований (стандартов, регламентов и т.д. – назовите это как угодно) к автомобильным охлаждающим жидкостям. Например, в России все еще действует сто раз устаревший и морально, и физически ГОСТ 28084-89 от, сами видите, 1989 года. Великобритания оперирует в числе прочего тоже не совсем свежим BS 6580, Франция – AFNOR NF R15-601, Япония – JIS K2234, в США в авторитете документы SAE и ASTM, которые в отличие, например, от рынка моторных масел в сегменте антифризов мирового признания не получили.
При этом параллельно у каждого автопроизводителя, как и положено, имеются собственные спецификации. Доходит до смешного. В нашей стране почему-то какую-то сверхъестественную силу приобрела спецификация Volkswagen. Это те самые «G»: 11, 12, 13, – про которые все обычно говорят и на которые по необъяснимым причинам ориентируются владельцы абсолютно всех марок автомобилей и подавляющее большинство автосервисов. Почему? Вы бы хоть задались элементарным вопросом: как может спецификация VW подойти, допустим, абсолютно чуждой ему идеологически Toyota?
Впрочем, не будем отвлекаться на совершенно пустую локальную некомпетентность. Ее у нас, к сожалению, очень много. Вернемся к глобальной проблеме.
Так вот, она заключается в том, что из-за отсутствия единых требований к охлаждающим жидкостям отсутствует, скажем так, единая точка отсчета, от которой специалисты могли бы оттолкнуться в своих изысканиях. В итоге им приходится все начинать чуть ли не с нуля, поскольку задача стоит более чем масштабная: создание ОЖ для очень разных по своим характеристикам и конструкции транспортных средств. И, вполне вероятно, универсальных антифризов, одновременно подходящих и авто-, и электромобилям.
Правильный выбор
«А почему именно жидкостное охлаждение?» – может спросить особенно вдумчивый читатель. И будет прав. Этим же вопросом задались и многие инженеры, в итоге пришедшие к выводу, что из четырех возможных вариантов: материалов фазового перехода, ребер охлаждения, воздушного охлаждения и жидкостного охлаждения – последнее наиболее эффективно. Все остальные обладают существенными недостатками, делающими их применение на транспортных средствах нецелесообразным. Так, в частности, ребра охлаждения слишком тяжелы, воздушное охлаждение достаточно негативно себя зарекомендовало при эксплуатации Nissan Leaf в жаркую погоду и жарком климате и т.д.
А вот жидкостное охлаждение при прочих равных лишено большинства минусов других вариантов. Жидкие теплоносители обладают более высокой теплопроводностью и теплоемкостью, чем воздушные, и поэтому выполняют свою работу очень эффективно, обеспечивая системе в целом такие преимущества, как компактность и простота компоновки. Из всех обозначенных вариантов ОЖ обеспечат наилучшую производительность для поддержания батарейного блока в правильном температурном диапазоне.
Исследовательская группа из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (США) и Национального исследовательского центра технологии активных распределительных сетей (Китай) сравнила четыре различных метода охлаждения. Результаты показали, что система воздушного охлаждения для поддержания требуемой температуры требует в 2–3 раза больше энергии по сравнению с жидкостной, а система ребер охлаждения добавляет около 40% дополнительного веса ячейки.
Да, несомненно, и для систем жидкостного охлаждения характерны определенные проблемы безопасности, связанные с утечкой и утилизацией, так как гликоль может быть довольно опасен для окружающей среды при неправильном обращении. Однако способы решения данных проблем хорошо известны и могут быть легко реализованы на практике. Поэтому подобные системы в настоящее время используют Tesla, Jaguar, BMW, Chevrolet и целый ряд других автобрендов.
Новые рецепты
Учитывая, что, как мы установили, жидкостное охлаждение является наиболее эффективным и практичным методом охлаждения для электромобилей, а в настоящее время и наиболее широко используемым, необходимо обратить внимание на тип охлаждающей жидкости, используемой в этих системах.
Системы косвенного жидкостного охлаждения для электромобилей и обычные системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания очень похожи: и в тех, и в других охлаждающая жидкость циркулирует по контуру металлических труб, чтобы передать тепло от аккумуляторной батареи или двигателя. Поэтому требования к охлаждающей жидкости для систем косвенного жидкостного охлаждения будут очень похожи на те, что используются сейчас повсеместно. Естественно, учитывая уже упомянутое ужесточение определенных нормативных требований.
Так, специалисты видят большие перспективы у карбоксилатных составов, не содержащих ни одного из неорганических ингредиентов, таких как фосфаты, нитраты, амины, бор или силикаты, обычно встречающиеся в используемых сегодня охлаждающих жидкостях. Данные составы обеспечивают повышенную защиту гильз цилиндров при повышенных температурах; исключительно низкую скорость истощения ингибиторов, повышая защиту системы и срок службы; превосходную защиту материалов двигателя от коррозии и кавитации, включая алюминий, латунь, медь, припой, сталь и чугун; повышенные эксплуатационные характеристики.
В системах же, где батарея будет непосредственно подвергаться воздействию ОЖ, например в автомобилях с топливными элементами, должна использоваться охлаждающая жидкость с низкой или нулевой проводимостью. Она кардинально отличается от привычных нам, обладающих, как раз наоборот, высокой проводимостью.
Требование низкой/нулевой проводимости связано с безопасностью: электроны движутся по всей батарее, и, если она подвергнется воздействию жидкости с высокой проводимостью, это приведет к отказу и, вероятно, даже взрыву. Среди наиболее эффективных способов поддержания низкой проводимости ОЖ предлагается использование деионизированной воды в качестве рабочей среды для ОЖ или жидкой среды без соли. Сейчас именно эти варианты находятся в стадии наиболее энергичных исследований и разработок.
Тормозные жидкости
Автомобильная техника решительно продвинулась вперед. Современный легковой автомобиль весит больше, ускоряется стремительнее и движется значительно быстрее, чем его более старый аналог. Поэтому для остановки современных транспортных средств требуется значительно большее тормозное усилие. В сочетании со сложными, управляемыми компьютером функциями, такими как ABS и ESP, более высокий вес и более высокая скорость современных транспортных средств делают современные тормозные системы значительно более требовательными к тормозной жидкости (ТЖ), чем они когда-либо были. Это значит, что современные транспортные средства нуждаются в современных высокоэффективных ТЖ, чтобы эффективно и безопасно тормозить.
Однако текущие требования к тормозным жидкостям имеют настолько большой технологический, скажем так, запас прочности, что удовлетворяют не только имеющиеся сейчас запросы, но и перспективные. Как такое могло получиться?
Единообразный подход
Во многом благодаря тому, что с тормозными жидкостями все гораздо проще, нежели чем с охлаждающими. Существуют как глобальные универсальные требования, так и локальные, однако все они – что самое главное – гармонизированы между собой. Поэтому, для какой бы марки автомобиля и в какой бы цивилизованной стране вы ни подбирали ТЖ, вы всегда знаете, что точно вам нужно и какими минимальными характеристиками этот продукт обладает.
По факту требования к тормозной жидкости определяются всего тремя международно признанными организациями по стандартизации:
- Федеральные стандарты безопасности автотранспортных средств (FMVSS) в США классифицируют три основных сорта тормозных жидкостей в соответствии с FMVSS 116. Это: DOT3, DOT4 и DOT5. Причем DOT5 – тормозная жидкость на основе силикона (SBBF), DOT5.1 – не силиконовая основа (NSBF).
- Международная организация по стандартизации (ИСО) классифицирует несколько марок тормозных жидкостей в соответствии со своим документом ISO 4925: класс 3, класс 4, класс 5.1 и класс 6.
- Общество автомобильных инженеров (SAE) классифицирует три класса: SAE J1703, SAE J1704 и SAE J1705.
Каждая из этих организаций определяет минимальный, максимальный и приемлемый диапазон ключевых характеристик марки тормозной жидкости (таких как равновесная точка кипения и температура кипения увлажненной жидкости – важны оба эти параметра, а не некая непонятная обобщенная «точка кипения», которой чаще всего оперируют в российских источниках, а также кинематическая вязкость и проч.). Не остаются без внимания и требования к упаковке жидкости, чтобы гарантировать отсутствие загрязнения до фактического использования ТЖ.
Принципиально то, что все эти стандарты хоть и подвергаются регулярным корректировкам и дополнениям, но зафиксированные в них требования не являются краткосрочными и многие из них уже на протяжении долгих лет не теряют своей актуальности. Сохраняя ее, похоже, и на многие годы вперед. Это справедливо, например, и в отношении тех же самых точек кипения, вязкости и проч. Поэтому внедрение новых принципов мобильности, скорее всего, не повлечет каких-либо принципиальных изменений (пока система торможения будет оставаться гидравлической – но об этом чуть позже).
Под весь круг задач
В настоящий момент существует полноценная и всеобъемлющая линейка продуктов, отвечающих требованиям современных и будущих транспортных средств. Синтетические жидкости, основанные на полиалкиленгликоле (PAG), являются наиболее распространенным типом (DOT3, DOT4 и DOT 5.1). Они совместимы друг с другом и поэтому могут быть смешаны, однако, как и со смазочными материалами, надо всегда соблюдать спецификации автопроизводителей для предполагаемого транспортного средства, так как использование неправильной жидкости может серьезно ухудшить тормозные характеристики.
Наряду с синтетическими продуктами на основе PAG присутствуют на рынке и другие виды тормозной жидкости. Продукты на основе минеральных масел (LHM) уже много лет используются, например, в комбинированных гидравлических системах Citroën. Они разработаны специально для этого типа применения и не подходят для использования там, где указаны продукты типа DOT.
Еще есть DOT 5.0, но его не следует путать с другими спецификациями DOT, поскольку это совершенно другая технология. DOT 5.0 – это продукт на основе силикона, предназначенный для специальных применений. Он несовместим с любым другим типом тормозной жидкости и потому не рекомендуется для обычного использования.
При этом каждый производитель может выпускать, назовем их, усовершенствованные ТЖ – жидкости, у которых те или иные характеристики лучше, чем у базового стандарта. Например, имеющие более высокие точки кипения. В таком случае он должен обозначить произведенную корректировку и назвать свой продукт не просто, скажем, DOT4, а, например, MegaDOT4 – неважно как, главное, чтобы было понятно, что от DOT4 он отличается, но по своим параметрам не хуже его.
А что дальше?
А вот будущее тормозных жидкостей, как мы отметили в самом начале, довольно туманно. Успешный опыт применения электронных стояночных тормозов и рекуперативных рабочих тормозов наряду с удачными и многообещающими экспериментами в области торможения-по-проводам (braking-by-wire) подвергают большому сомнению дальнейшее развитие гидравлических тормозных систем.
Гидравлическая система, спору нет, обладает определенными преимуществами, но она по сути своей несовершенна. Ведь смотрите, что получается – все развитие классического автомобильного торможения фактически с момента внедрения гидравлических систем шло по пути неустанного совершенствования этой системы. Не только конструкции, а во многом именно самой системы. И даже не просто совершенствования, а устранения априори присутствующих в ней по природе своей огрехов и недостатков. Так появились АБС, потом ESP и другие системы помощи. Но сколько мы будем бороться с изъянами системы? Может быть, пришла пора прекратить наконец это малоблагодарное занятие и создать что-то более эффективное?
Как раз этим сейчас и занимаются конструкторы ведущих мировых автоконцернов и производителей тормозных систем. У электронного торможения много плюсов. Они уже неоднократно доказаны и подтверждены. Но до запуска в серию дело пока не доходит. Хотя в современном мире с его стремительно развивающимися технологиями прорывы зачастую происходят внезапно. Кто знает, возможно, пока печатался этот номер, где-то на другой стороне земного шара одаренные умельцы уже объявили о старте массового выпуска инновационных систем.