Альтернативные инновационные двигатели

Программа управления подачей топлива обеспечивает работу двигателя на смеси бензина и водорода на средних нагрузках с регулируемым соотношением компонентов, показанным на рис. 4.27 . На режиме холостого хода и малых нагрузках двигатель работает только на водороде, при больших нагрузках– на чистом бензине. Прекращение подачи водорода при повышенных нагрузках обусловлено стремлением сохранить максимальную мощность двигателя, а также избежать его жесткой работы, повышенных выбросов оксидов азота и проскока пламени на впуске.

Рис. 4.26. Основные элементы автомобиля «Mersedes Benz 280 TЕ», работающего  на бензино-водородной смеси:

1 – микро-ЭВМ; 2 –заливная горловина бензобака; .3 – бензобак; 4 – металлогидриднный  аккумулятор; 5-фильтр; 6 - газовый редуктор; 7 - запорный вентиль; 8 – дроссельная заслонка с приводом от серводвигателя; 9 – распылитель водорода- 10 – бензиновая форсунка; 11-теплообменник с крышкой; 12 –блок электронного управления двигателем; 13–насос теплообменника; 14 – вентиляция под кожухом металлогидридного аккумулятора; 15 – вентиляция салона.

Перевод на бензино-водородное питание снижает расход бензина  в диапазоне скоростей движения 90–120 км/ч примерно вдвое и дает его экономию около 28% при езде по городскому ездовому циклу.

При этом значительно снижаются выбросы токсичных продуктов: СО – в 7,3 раза, углеводородов и оксидов азота– примерно на 30%.

В нашей стране Институтом проблем машиностроения АН УССР созданы  опытные образцы автомобилей  ГАЗ-24 «Волга» и «Москвич 412» с  бензино-водородным питанием .Гидридный аккумулятор на базе сплава FeTi при массе 180 кг содержит около 2,5 кг водорода, что обеспечивает пробег автомобиля в городских условиях эксплуатации 250–300 км. Двигатель работает с переменной подачей. водорода: на холостом ходу –на чистом водороде, на режиме максимальной мощности – на смеси 97% бензина и 3% водорода. На частичных нагрузках содержание водорода в топливной смеси изменяется в зависимости от состава топливно-воз-душной смеси (коэффициента избытка воздуха) по оптимальному закону, обеспечивающему максимальную топливную экономичность двигателя и минимальную токсичность отработавших газов. В результате эксплуатационный расход бензина снизился на 35–40%, а вредные выбросы сократились в несколько раз.

Следует отметить некоторые  физические особенности водорода определяющие дополнительные, специфические требования к конструкционным материалам. Водород обладает способностью проникать через толщу материала, в частности металлов, и с повышением давления и температуры диффузия водорода в металлы возрастает. Глубина проникания молекул водорода в кристаллическую решетку металла в большинстве случаев не превышает 4–6 мм, а при нагартовке материала может быть снижена до 2 0–1 5 мм Для алюминия она достигает 15-30 мм, а при нагартовке снижается до 4–Ь мм. Водородная диффузия в сталях практически полностью устраняется путем легирования с помощью хрома, молибдена, вольфрама и других элементов.

Водородно-воздушные  смеси характеризуются широкой  областью воспламенения [4–75% (об.)] и  взрываемости [18,3– 74/о (об.)], что повышает их пожаро- и взрывоопасность. В то же время водород отличается высокой температурой воспламенения (590 °С) и способностью к быстрому рассеиванию в воздушной среде, благодаря чему по суммарным показателям безопасности он приравнивается к природному газу .

Рис. 4.27. Универсальная  характеристика бензино-водородного  двигателя:

Ре – среднее  эффективное давление цикла; n –частота вращения; цифры на кривых указывают  относительное содержание Н2 в топливной  смеси; I – область работы на водороде; // – то же, на бензине

3.1. Автотранспорт на  воде 

Автомобиль  на воде: миф или реальность?

Японская компания Genepax представила в Осаке (Osaka, Япония) автомобиль на воде, точнее, электромобиль c H2O в качестве топлива. Одного литра  абсолютно любой воды (дождевой, речной, морской) достаточно, чтобы ехать на нем в течение часа со скоростью 80 километров в час.

 

Силовая установка на топливных ячейках под названием Water Energy System (WES) расщепляет воду на водород  и кислород, но вместо того, чтобы сжигать полученный водород его заново соединяют с кислородом в электрохимическом генераторе. Полученное электричество питает электромотор, а на выходе образуется пар — то есть та же вода. В теории возможно организовать круговорот воды в автомобиле: конденсировать пар, возвращать в систему, расщеплять, соединять, конденсировать и так до бесконечности... Но что же это получается? Вечный двигатель?

 Но для расщепления воды необходимо электричество, и скептики не верят, что отдачи системы хватит и мотору и мембране. Согласно первому закону термодинамики, автомобиль на воде может совершать работу, только получая теплоту извне или расходуя внутреннюю энергию. Сейчас энергия для расщепления воды поступает от аккумулятора.Продемонстрированное авто является единственным прототипом, который будет использован для получения патента на изобретение. В настоящее время себестоимость силовой установки на топливных ячейках на воде составляет ¥2,000,000 (около 18700 долларов США). Однако в случае успешного сотрудничества с японскими автопроизводителями и начала массового производства, цену можно будет снизить до ¥500,000 (около 5000 долларов США).

http://greenword.ru/2008/06/water-powered-car.html

3.2. Автотранспорт на водороде 

Водородная  энергетика.

Энергетические кризисы, возникающие при малейшей заминке  на рынке продажи традиционного  топлива, стимулируют поиск наиболее эффективных заменителей газа или  нефти. По мнению большинства ученых, занимающихся поиском альтернативных энергоносителей, одним из перспективнейших направлений развития современной энергетики является попытка замены углеводного топлива на водород - наиболее распространенный в природе химический элемент.

 

За проведения подобной модернизации выступают и экологи, поскольку продукт распада водородного топлива (вода) относится к абсолютно безвредным химическим соединениям, чего не скажешь о привычных углеводах, горение которых сопровождается выделение в атмосферу целого «букета» вредных веществ. Доступность водорода, содержащегося в и воде, и воздухе, и даже в разряженном космическом пространстве, делает водородную энергетику чрезвычайно популярной с точки зрения крупного бизнеса (затраты на добычу энергоносителя практически нулевые, а прибыль можно извлекать буквально из воздуха).

 

В начале 21-го века серьезный  бизнес открыто заявил о заинтересованности именно в водородной энергетике. Во второй половине «нулевых» США, Китай  и страны ЕС инвестировали в производство водорода миллиарды долларов. Только один проект водородной электростанции «FutureGen» обошелся правительству США в 1,2 миллиарда долларов, а стоимость китайского аналога GreenGen оценивается в еще большую сумму. Кроме того, водородную энергетику развивают такие компании, как Sharp, Sanyo, Hitachi, Toyota, Panasonic, инвестирующие громадные суммы в производство бытовых энергоустановок.

Водородное  топливо.

Одним из возможных способов использования энергии водорода является трансформация этого химического  элемента в водородное топливо – сжиженную или газообразную смесь водорода и кислорода. Теплота горения подобного коктейля существенно выше теплоты окисления смеси бензина (природного газа) и воздуха. Кроме того, смешанный в определенных пропорциях водород и кислород детонирует в камере сгорания не хуже бензиновых паров. Распространение водородного топлива пока еще сдерживает высокая себестоимость конечного продукта и отсутствие развитой инфраструктуры (заправочные станции, заводы по производству, топливопроводы и прочее). Стоимость килограмма водородного топлива зависит от способа получения. Например:

 

- конверсия метана  обходится в 2,5 доллара за кило  топлива;

 

- классический электролиз  воды приводит к затратам от 2 до 10 долларов за кило топлива  (в зависимости от способа получения  электроэнергии);

 

- высокотемпературная  обработка угля в безвоздушном  пространстве позволяет получать  кило топлива по цене от 1,5 до 2 долларов.

Разумеется, при таком  уровне развития технологии добычи водородного  топлива оно не может конкурировать  с традиционными энергоносителями. Однако современные технологии совершенствуются, что приводит к снижению себестоимости альтернативного горючего, а традиционные нефтепродукты только дорожают. Поэтому в ближайшем будущем либо бензин приблизится к цене водородного топлива, либо альтернативное горючее подешевеет до цены нефтепродуктов – в любом случае в выигрыше окажутся производители альтернативных энергоносителей.

 

 

 

Водородные  автомобили.

Гиганты автомобильной  индустрии очень быстро отреагировали  на перспективы трансформации энергоносителей. Попытки разработки «водородного» транспортного средства увенчались успехом еще в прошлом веке, а первом десятилетии века нынешнего появились уже серийные образцы «водородных» автомобилей. По оценкам немецких футурологов из группы к середине 21 века доля привычных, бензиновых двигателей не превысит одной четверти, остальные агрегаты будут потреблять альтернативное топливо.

На сегодняшний день мировые автопроизводители могут  предложить заинтересованным покупателям  и «водородную» и «гибридную» (традиционный бензин плюс водород) схему силового агрегата. Лидирующие позиции в этом сегменте рынка занимают концерны Daimler, Honda, и симбиоз китайского Shanghai и немецкого VW. Именно эти производители предлагают автолюбителям готовые решения: BMW Hydrogen 7, Honda FCX, Mercedes F-Cell. Рассмотрим эти и другие решения подробнее.

Honda FCX – полноценный  «водородный» автомобиль, развивающий  скорость до 160 км/час и способный  проехать более 500 километров  на одной заправке. Емкость бака Honda FCX – более 5 килограмм сжиженного водорода. На сегодня обладателями этого технического чуда являются 200 счастливчиков, а готовность приобрести такой автомобиль выразили около 50 тысяч автолюбителей.

 Силовыми агрегатами Honda FCX являются 3 электродвигателя, один  вращает вал передней колесной  пары, два других вмонтированы  в задние колеса. Мощность «переднего»  двигателя – 80 кВт. Мощность  «задних» агрегатов – по 25 кВт  каждый. Двигатели Honda FCX не испытывают проблем с пуском даже при чрезвычайно низких температурах (-30 по Цельсию).

Проект Honda FCX относится  к комплексным решениям. Кроме  транспортного средства компания Honda продает бытовую установку по добыче водородного топлива - Home Energy Station, вырабатывающую водород методом электролиза. Причем под водородное топливо расходуется только часть выработанного газа, оставшийся объем тратится на производство электроэнергии и обогрев жилища. В сутки Home Energy Station производит около 50 «кубов» альтернативного топлива.

2. Mercedes F-Cell является автомобилем  из серии «B-class», оснащенным  особым агрегатом, который разрабатывался  в рамках проекта HYGENIUS. На сегодняшний  день проект F-Cell проходит традиционные  тесты, аналогичные испытаниям  в полевых условиях «бензиновых» моделей. Инженеры концерна Mercedes заявили о решении проблемы «холодного пуска» двигателя и возможном завершении работ по оптимизации функционирования управления электродвигателем в скоростном режиме.

Mercedes F-Cell образца 2010 года оснащен электродвигателем F 600, мощность которого увеличилась до 115 лошадиных сил, а крутящий момент приближается к отметке 350 Нм. Кроме того, инженеры Mercedes добились 16-процентного сокращения потребления топлива по сравнению с моделями 2005 года. Теперь Mercedes F-Cell способен преодолеть более 400 километров всего на одной заправке «водородного» бака. Расходы на заправку «полного» бака не превышают стоимости 12 литров стандартного дизельного топлива. Автомобиль Mercedes F-Cell пока еще не поступил в продажу. Концерн Mercedes-Benz эксплуатирует модель F-Cell в рекламных целях, подогревая интерес к другим разработкам компании – автобусам из серии Citaro.

Проект Citaro ориентирован на выпуск общественного транспорта для крупных городов. На сегодня в мире существует около 40 действующих автобусов Mercedes Citaro. Мощность электродвигателя такого автобуса не превышает 250 кВат, что позволяет транспортировать пассажиров и багаж со скоростью 80 км/час. Расход составляет 25 кило на 100 километров. В баке бака Mercedes Citaro помещается 42 килограмма водородного топлива, что позволяет этому транспортному средству проехать 167 км без дозаправки. Автобусы Mercedes Citaro можно увидеть не только в крупных городах Европы – 3 автобуса закупил Китай (для пекинского общественного транспорта), а 1 автобус «заехал» в далекую Австралию.

BMW Hydrogen 7 –очередной вариант  стандартной «семерки» BMW, оснащенный  гибридным двигателем внутреннего  сгорания. В качестве топливной  смеси применяется бензин или  водород. Двигатель Hydrogen является итогом двадцатилетней работы инженеров компании BMW. Этот агрегат способен «разогнать» стандартный BMW 7 до 230 км/час, а до первой сотни это авто «добегает» за 9,5 секунд.

Показатель потребление  топлива у Hydrogen равняется 6,5 литрам бензина или 25 литров жидкого водорода на 100 километров пути. Емкость классического (бензинового) бака – 74 литра (хватает на 480 км). Емкость водородного бака – 8 килограмм. Именно этот элемент BMW Hydrogen 7 отличает данное авто от изделий конкурентов. Бак для водородного топлива позволяет сохранять этот летучий газ в сжиженном состоянии, поддерживая постоянную температуру в -253 градусов по Цельсию. Разумеется, такая схема хранения топлива чрезвычайно опасна, но концерн BMW утверждает, что его автомобиль Hydrogen 7 не опаснее классического бензинового варианта, а канадские аудиторы из Magna International подтверждают это заявление. Водородный бак для Hydrogen 7 прошел все тесты безопасности, и выдержал не только механическое воздействие, но и нагрев до температуры в 1000 градусов по Цельсию. К сегодняшнему дню реализовано более 100 автомобилей BMW Hydrogen 7

Аналогичный проект делает компания Mazda, решившая запустить в  серию концепт RX-8 hydrogen – автомобиля с гибридным двигателем. Агрегат  получил наименование Wankel и позволяет проехать до 100 километров пути на одной заправке водородным топливом или 550 км на бензине.

 

Емкость водородного  бака составляет 2,4 кило. Первая партия RX-8 hydrogen была заказана Норвегией, закупившей более 30 автомобилей для проверки работоспособности национального проекта HyNor (водородные дороги Норвегии - hydrogen highway in Norway). Мощность водородной части двигателя RX-8 hydrogen в два раза ниже бензиновой – 109 против 192 «лошадок», но этих усилий с избытком хватает для достижения максимальной скорости в 170 км/час и разгона до 100 км/час 10 секунд.

Водородные  заправочные станции. Водородные шоссе.