Перспективы двигателей внутреннего сгорания работающих на сжиженном водороде
Щербаков А. Ю., студент ВФ ГОУ МГИУ
Корниенко Е.В., ассистент ВФ ГОУ МГИУ
Об экологически чистых автомобилях заговорили еще в семидесятых годах. Но тернистый путь от идеи к реальному прототипу начался гораздо позже и продолжается до сих пор. АВТОВАЗ, будучи крупнейшим отечественным автопроизводителем, не остается в стороне от мировых тенденций. В 2006 на пятый Московском международном автосалоне ВАЗ представил принципиально новую разработку электромобиля на топливных элементах, концепт, затрагивающий не внешнюю сторону, а меняющий саму суть автомобиля в будущем.
Принцип работы электроустановки
На автомобиле находятся баллоны с водородом и кислородом. В специальном электрохимическом генераторе между водородом и кислородом происходит химическая реакция при температуре около 100 градусов, в результате чего производится электричество, а в качестве "выхлопа" образуется вода. Вот основной принцип энергоустановки. Водород, определяющий пробег автомобиля, находится под давлением 290 атмосфер, и машина может пройти 250 километров.
Принцип работы топливного элемента
Конструктивно современный ЭХГ выглядит так. Ячейка в корпусе кроме двух электродов содержит разделительную мембрану, на которую в качестве катализатора нанесен слой платины. Внутри ячейки циркулирует вода для отвода тепла. К одному из электродов подается водород, а к другому - кислород. Под действием катализатора молекула водорода расщепляется на электроны и протоны. Протоны, пройдя через мембрану, попадают в "кислородную" зону ячейки и, соединяясь с ним, образуют воду. При этом недостаток электронов восполняется за счет свободных электронов в металле анода, а образовавшийся в другой ячейке их избыток уходит в катод, благодаря чему и удается получить электрический ток. Для регулирования процессов, происходящих в ЭХГ, применяются автоматические системы. Автомобильные ЭХГ, разработанные крупнейшими мировыми автомобилестроителями, работают при температуре 60 -100°С, имеют КПД, вдвое превышающий КПД двигателя внутреннего сгорания, однако на пути к их широкому использованию на наземном транспорте стоит множество проблем.
Принципы исполнения
Удельная масса водорода невелика, а вот его перспективы в автомобилестроении расцениваются как весьма солидные. Топливный кризис 70-х годов заставил многие автомобильные компании по-новому взглянуть на альтернативные виды горючего. Тогда-то и был отмечен первый всплеск интереса к водороду. А что, этот "кандидат" выглядел вполне многообещающе. Водорода на Земле - море. В прямом смысле слова, ведь его можно получать из воды... Однако вскоре кризис пошел на убыль, нефтепроводы заработали на полную мощность, а водородные проблемы были, на первый взгляд, отодвинуты в дальние углы академических лабораторий. Однако прошло двадцать лет, и теперь эти исследования, похоже, обрели второе дыхание -они оказались созвучны современным "экологическим" настроениям. Действительно: сжигаем водород - получаем воду. Как ни взгляни - вполне нейтральный и безвредный продукт. Как всегда, в новом и перспективном деле множество вариантов. Единообразие придет потом, а пока выбор довольно велик. Самое простое - вместо бензобака разместить на автомобиле баллоны со сжатым водородом. Подходящая аппаратура уже существует - ведь в мире немало автомобилей работает на сжатом газе. Правда, природном, но приспособить эти устройства относительно легко. Конечно, и сам двигатель придется переделывать, но об этом чуть позже. Такой путь, хотя и кажется простым, все-таки маловероятен. Трудно представить водителя, который добровольно согласится возить емкости со сжатым до 200 кгс/см2 водородом, к тому же способным коварно проникать через мельчайшие неплотности топливной аппаратуры. В чем намного превосходит природный газ, состоящий из более "тяжелых и неповоротливых" молекул и потому менее склонный к утечкам. А еще каждый, безусловно, припомнит "гремучий газ" - взрывоопасную смесь водорода с кислородом в объемном соотношении 2:1. Не более перспективным выглядит и сжиженный водород. Кому захочется иметь дело с топливом, которое нужно хранить при -253°С? И на какие технические ухищрения придется идти конструкторам, чтобы поддерживать такой холод сколько-нибудь длительное время? Итак, этот вариант пока тоже отпадает. К счастью, есть еще одна возможность - гидриды. Напомним, что атомы металлов располагаются в определенном порядке, их "построение" называют кристаллической решеткой. Так вот, некоторые металлы и сплавы способны "разместить" между своими атомами и атомы водорода. Такие "сообщества" и называют гидридами. Не вдаваясь в подробности, заметим, что емкость подобного "хранилища" (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у баллона со сжатым газом, и почти вдвое - чем у дьюара со сжиженным. Исследователи настойчиво ищут наиболее походящие сплавы, но уже известно, что наилучшей основой для них является титан. Гидридные накопители штука довольно сложная, и, естественно, они не состоят из цельного куска металла, а больше напоминают губку со множеством каналов - для скорейшего поглощения и выделения водорода. Последнее происходит при нагреве гидридов, а уж источник тепла на автомобиле долго искать не нужно - скажем, для этой цели вполне подойдут горячие выхлопные газы. Еще одна важная черта гидридов - они стократ безопаснее других способов хранения водорода. Правда, для автомобильного транспорта емкость и у них маловата, а вес и сложность устройства, напротив, велики. Резонно задать вопрос: если хранение вызывает такие трудности, нельзя ли получать водород непосредственно на автомобиле? Оказывается, можно. Самым перспективным считается способ, при котором сырьем служит метанол, или, по старой российской классификации, метиловый спирт - "младший братец" известного всем этилового. Родственничек-то, правда, с характером - ядовит, но это если его пить, а вообще-то он применяется довольно широко - даже входит в состав большинства автомобильных жидкостей для мытья стекол. Итак, бак автомобиля -по сути, вполне обычный - наполняют легкой жидкостью с резким спиртовым запахом. Отсюда она попадает в реактор (не пугайтесь, не ядерный, а химический), испаряется и в присутствии катализатора реагирует с водяным паром, выделяя водород и двуокись углерода. Топливо получено, осталось его использовать. Кстати, можно провести реакцию другим способом, тогда вторым из продуктов окажется не С02, а СО (тот самый, с которым борются экологи); смесь последнего с водородом получила название синтез-газ. Поскольку Н2 и СО горючи, их можно вместе непосредственно сжигать в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Подобные эксперименты проводились во множестве лабораторий, в том числе и у нас в НАМИ. ЖЕЧЬ ИЛИ НЕ ЖЕЧЬ? Более чем столетняя традиция транспортных средств с моторами внутреннего сгорания практически однозначно решает этот вопрос в пользу первого варианта. Такой путь сулит определенные выгоды - повышается эффективный КПД двигателя, единственным прямым продуктом реакции является водяной пар, и даже оксидов азота (они образуются при высокой температуре из кислорода и азота воздуха) выбрасывается в атмосферу в 4-5 раз меньше (данные НАМИ), чем при езде на бензине. Определенную опасность представляют вспышки "гремучего газа" в коллекторе в момент открытия впускного клапана. Чтобы избежать этого, инженеры в 70-е годы предполагали подавать водород непосредственно в камеру сгорания. На чертежах тех лет нетрудно заметить дополнительный канал в головке блока цилиндров и маленький клапан, управляющий поступлением водорода. Позднее выяснилось, что проблему можно решить по-другому - скажем, впрыскивать в рабочую смесь воду или обеспечить рециркуляцию отработавших газов (тоже, по сути, водяного пара). К преимуществам водорода как моторного топлива следует отнести его высокую детонационную стойкость, что позволяет заметно увеличить степень сжатия и давление наддува. Эти меры поднимут эффективную мощность двигателя (при "бензиновых" степенях сжатия из-за меньшего коэффициента наполнения мощность двигателя на водороде оказывается схема реактора. Проводились эксперименты и по использованию водорода в... дизеле. Правда, в газодизельном цикле небольшая порция жидкого топлива подавалась в цилиндр, чтобы инициировать начало горения. Дизелю водород тоже пошел бы на пользу - с ним выбросы сажи и твердых частиц сводятся почти к нулю. На первый взгляд, добавить к тому, что сказано, вроде бы нечего, если не погружаться в рассуждения о том, что лучше сжигать: чистый водород, синтез-газ или их всевозможные смеси с бензином, метанолом, соляркой... Но, оказывается, не все специалисты мыслят столь прямолинейно. Некоторые, раз ступив на путь исследований в области химии водорода, уже и слышать не хотят о двигателях внутреннего сгорания.
И вот, благодаря усилиям конструкторов на сцене появляется новое удивительное устройство, позволяющее при реакции водорода с кислородом получить электрическую энергию непосредственно! Многие, вероятно, помнят школьные опыты по электролизу: в воду опускают два электрода, подводят определенное напряжение, и на одном из них начинает выделяться водород, а на другом - кислород Здесь же все происходит с точностью до наоборот. Водород в чем-то сродни металлам, и его атом легко теряет свой единственный электрон. В устройстве, получившем название водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сперва водород вынужден пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает лишь протоны - лишенные электрона атомы водорода (Н+), а вовсе не его молекулы Н2. Электроны при этом остаются на отрицательном электроде (он же - платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает свой электрон - в момент реакции с кислородом воздуха, на положительном (и тоже платиновом) электроде. Электроны же вынуждены идти "кружным путем", через электрическую цепь, производя при этом полезную работу. Ну вот, осталось подключить электродвигатель, блок управления и... батарею аккумуляторов. Последняя, естественно, меньше, чем в электромобилях, и служит для приведения всего устройства в рабочее состояние, а также сглаживает пиковые нагрузки на топливный элемент и сохраняет энергию при торможении. Опытные экземпляры транспортных средств с такой чудовищной по сложности силовой установкой уже бегают по полигонам многих зарубежных автомобильных концернов, а "Тойота" даже представила свою модель FCEV (электромобиль с топливными элементами) на Токийском автосалоне в конце прошлого года. Занимаются этой тематикой и "Мерседес", и американцы, но наиболее активны японцы. По правде говоря, пока сложность и стоимость таких автомобилей многократно превосходят их эффективность, но, как знать, в будущем ситуация может измениться. Говорят, что в Японии регулярно проводят конкурсы на транспортное средство с наиболее сложными преобразованиями энергии. Несколько лет назад в таком соревновании победил некий энтузиаст, придумавший... велосипед. Вращение педалей этого замысловатого устройства приводило к трению двух брусочков, которые, нагреваясь, кипятили воду. Небольшая паровая машина вращала генератор, а колеса приводились в действие электромотором. Что самое удивительное, этот велосипед был способен двигаться (правда, чрезвычайно неспешно)!
В России
В 2001 году был создан первый ходовой макет автомобиля LADA ANTEL-1 на базе пятидверного внедорожника LADANIVA. На автомобиле LADA ANTEL-1 были установлены баллоны с водородом и кислородом. В специальном электрохимическом генераторе между водородом и кислородом происходила химическая реакция при температуре около 100°С, в результате чего производилось электричество, а в качестве "выхлопа" образовывалась вода. Водород, определяющий пробег автомобиля, находился под давлением 290 атм., и машина могла пройти на одной заправке 250 км.
Советник заместителя генерального директора по техническому развитию ОАО "АвтоВАЗ" Георгий Мирзоев:
Здесь есть и политическая, и техническая, и имиджевая составляющие. Во-первых, "АвтоВАЗ" готов работать не только на завтрашний день, но и на далекую перспективу. Подобные разработки показывают технический потенциал автопроизводителя, значительно повышают его имидж на мировой арене.
Во-вторых, использование топливных элементов - это пока единственный способ, при помощи которого можно действительно получить экологически чистый автомобиль, не "привязанный" к электрическим источникам.
Третий, очень важный, фактор - принятие федерального закона "О ратификации Киотского протокола к рамочной конвенции ООН об изменении климата". Киотский протокол - международное соглашение о контроле за выбросами парниковых газов в 2008-2012 годах. Для вступления протокола в силу его должны ратифицировать не менее 55 стран, на долю которых по состоянию на 1990 год приходилось не менее 55% выбросов, причем доля России составляла 17,4%. В связи с решением о ратификации Киотского протокола создание в России экологически чистого транспорта становится более актуальным.
Исключительно важно то, что автомобиль, использующий в качестве топлива водород, может сильно повлиять на дальнейшее развитие автомобилестроения в целом.
Первый образец LADA ANTEL показал, что применение электрохимического генератора в автомобиле - реальность. Тем не менее до серийного автомобиля было еще очень далеко.
Во-первых, ANTEL-1 представлял собой целую лабораторию на колесах: практически весь багажник и подкапотное пространство были заняты баллонами и системой управления. Нужно было делать такой автомобиль, чтобы его потребительские качества соответствовали традиционным. Во-вторых, в ANTEL-1 в качестве окислителя использовался кислород в баллонах, и важной задачей стал переход на использование атмосферного воздуха.
В-третьих, нужно было поднять электронапряжение до 240 В, потому что совокупная нагрузка на бортовую сеть в машине оказалась слишком велика.
ANTEL-2: дальнейшее развитие
LADA ANTEL-2 был создан на базе автомобиля LADA-111. Стараясь работать на опережение, при создании LADA ANTEL-2 конструкторы сразу начали проектировать новый двигатель с высокими КПД и удельными характеристиками, разработали абсолютно новый воздушный компрессор, новую систему управления
Вторая версия автомобиля на топливных элементах укомплектована разработанным в России щелочным водородно-воздушным генератором мощностью 25 кВт. Специалисты установили вместо кислородных баллонов специальный компрессор для подачи воздуха в батарею топливных элементов (перешли с кислорода на воздух). С увеличением объема водородных баллонов до 90 л и давления до 400 атм. возрос и пробег автомобиля - до 350 км. Был разработан мобильный технологический комплекс, благодаря которому время заправки автомобиля ANTEL-2 не превышает 20 минут (LADA ANTEL-1 приходилось заправлять 2 часа). Максимальная мощность электродвигателя составляет 90 кВт, а крутящий момент - 280 нм.
LADA ANTEL-2 принимал участие и в зарубежных автосалонах. Специалисты отмечали высокий технический уровень изготовления этого автомобиля. Уникальность проекта LADA ANTEL в том, что "АвтоВАЗ" планирует организовать производство топливных элементов, используя прежде всего российский технический и интеллектуальный потенциал, в то время как большинство зарубежных фирм закупают топливные элементы у одного поставщика - канадской фирмы BALLARD.
Главной проблемой "водородного автомобиля" специалисты считают стоимость источника энергии. При форсированной мощности 25 кВт электрохимический генератор стоит порядка 300 тыс. долларов - это очень дорого. Поэтому нужно искать новые конструктивные решения, новые материалы, технологии массового производства.
Создатели концепции ОАО "АвтоВАЗ" по переходу к использованию альтернативных топлив и водорода предлагают поэтапное решение данной проблемы. Природный газ рассматривается на ближайшие годы как топливо, позволяющее существенно снизить загрязнение атмосферы, как основной исходный продукт для получения наиболее дешевого водорода. А существующая инфраструктура снабжения природным газом - в качестве базы для развития водородной инфраструктуры.
Предлагаемый подход позволит в относительно короткие сроки и с минимальными затратами решить экологическую и топливную проблемы, создать эффективные энергоустановки на альтернативных топливах, пригодные для массового производства и многоцелевого применения, организовать их производство.
Кроме того, нужна готовность не только автомобильных корпораций, но и всех участников производства топливных элементов, то есть предприятий электрохимической отрасли. Необходима перестройка сознания в масштабе государства, национальная программа перевода транспорта на водородное топливо.
В рамках дальнейшего развития проекта LADA ANTEL будет продолжена работа над автомобилем LADA ANTEL-3. Главное отличие этой версии от предыдущей (LADA ANTEL-2) - наличие топливного процессора для получения водорода из бензина непосредственно на автомобиле. Начинается также разработка LADA ANTEL-4. Это уже будет прототип автомобиля, обладающего принципиально новой конструкцией. Соответственно и компоновка, и дизайн LADAANTEL-4 будут абсолютно новыми. Для этого прототипа уже ведутся работы по созданию специального автомобильного электрохимического генератора мощностью 60 кВт.
За рубежом
О том, как близко водородные машины приблизились к реальной жизни, можно судить по BMW 745h. Буква h - это химический знак водорода. BMW 745h оснащается восьмицилиндровым двигателем на водороде. Как и предшественник, 745hL, он может работать как на бензине, так и на водороде. Двигатель объемом 4,4 литра развивает 135 кВт (184 л.с), максимальная скорость равна 215 км/ч. Запаса водородного топлива хватает для преодоления 300 километров, если добавить к этому 650 километров, которые можно проехать, заправив полный бак бензина, получаем почти 1000 километров - очень приличную цифру. Компания BMW представила новый экспериментальный седан 750hL с двигателем на водородном топливе. Таким топливом (водород+кислород) обычно заправляют ракеты. Разработчиков привлекла экологичность двигателя - он выделяет только водяной пар. Машина была продемонстрирована в Лос-Анджелесе -одном из самых задымленных городов США. По мнению специалистов, удалось сделать важный шаг к переходу на "безбензиновые" двигатели. Компания BMW будет продолжать тестирование новых автомобилей в своем исследовательском центре в Калифорнии. Двигатели на водороде не только экологичны, но и очень экономичны. На модели 750hL установлен 12-цилиндровый двигатель, разгоняющий машину до 141 миль в час. Жидкий водород закачивается в специальный бак и позволяет автомобилю проехать без дозаправки около 200 миль. Между тем, некоторые эксперты скептически относятся к оснащению автомобиля таким взрывоопасным дополнением. К тому же, на сегодня нет дешевой и надежной технологии производства водорода, что повлияет на потребительскую привлекательность машины. Как сообщается, в серийное производство машина пойдет только лет через десять, но BMW надеется запустить модели серии 7 на водородном топливе раньше. Основной задачей считается создание необходимой инфраструктуры и изобретения надежного способа хранения такого топлива "на борту". Водород можно производить из воды путем электролиза или получать его из попутного нефтяного газа. В любом случае это топливо будет стоить пока значительно больше, чем бензин. Что касается стоимости самой машины, то BMW 750 на водородном топливе сопоставима по цене с обычной версией -она стоит около $93 тысяч. Водород пытаются использовать и другие автопроизводители. General Motors применяет его в топливных элементах для выработки электричества. Honda и Toyota разработали гибридные модели, в которых водородные двигатели сочетаются с электрическими. Ford, GM и DaimlerChrysler AG планируют представить собственные версии подобных машин в 2003 году. Toyota через два года планирует начать серийное производство автомобильных двигателей на водороде. Один из таких автомобилей, который пока носит обозначение FCHV-4, уже проходит испытания на улицах Токио. Уже в 2003 году начнется продажа ограниченной партии FCHV-4 (Full Cell Hybrid Vehicle). Сколько будет стоить этот уникальный автомобиль, пока не сообщается. Известно только, что мощность мотора составляет 107 л.с, а максимальная скорость FCHV-4 равна 150 км/час.
Литература
1. www.Autolands.Org.UA//Автомобили, двигатели внутреннего сгорания на сжиженном водороде.
2. www.Sunhome.ru//BoflopoflHbifi двигатель.
3. www.avtoff.ru//Двигaтeли внутреннего сгорания на сжиженном водороде
4. www.avto-piter.nety/Водородный двигатель
5. www.sdgocar.ru//Boдopoднaя энергетика
6. www.ruseconomy.ru//LADA ANTEL: новая концепция автомобиля.
СОДЕРЖАНИЕ
Альтернативные конструкции двигателей 4
Бессонов А.С. Костиков Ю.С, студенты ВФ ГОУ МГИУ 4
Сильченкова Т.Н., к.п.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ 4
Газовое топливо - способ уменьшения выбросов в окружающую среду 11
Борисенков СВ., Артамонов С.А., студенты ВФ ГОУ МГИУ 11
Харин В.А., ассистент ВФГОУМГИУ 11
Сравнительный анализ экологически - чистых автомобильных двигателей 20
Буланов В. О., студент ВФ ГОУ МГИУ 20
Автомобильный двигатель как источник загрязнения окружающей среды 31
Гарский Р.О., Ермолин М.В., студенты ВФ ГОУ МГИУ 31
Автомобиль и экология. Токсичные вещества 53
Дегтяренок А.В., студент ВФ ГОУ МГИУ 53
Воронова О.Н., преподаватель ВФ ГОУ МГИУ 53
Перспектива использования новых видов топлива 60
Железняков Р. И., студент ВФ ГОУ МГИУ 60
Осипян В.Г., к.т.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ 60
Гибридные двигатели в борьбе за чистоту окружающей среды 68
Зайцев Д. Е., студент ВФ ГОУ МГИУ 68
Безопасность: человек, автомобиль, дорога 83
Ильин М.Ю., студент ВФ ГОУ МГИУ 83
Корниенко Е.В., ассистент ВФ ГОУ МГИУ 83
Экологические проблемы гибридных двигателей 101
Львов С.Ю., студент ВФ ГОУ МГИУ 101
Корниенко Е.В., ассистент ВФ ГОУ МГИУ 101
Особенности натюрморта как вида изобразительного искусства 113
Павлова Г.Б., директор Вяземской художественной школы им. А. С. Сергеева 113
Перспективы использования водородного топлива для двигателей автомобилей 126
Петухов А.Ю., студент ВФ ГОУ МГИУ 126
Реут В.А., к.т.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ 126
Гибридные двигатели в автомобиле 135
Плисюк Р.В., Морозов А.А., студенты ВФ ГОУ МГИУ 135
Реут В.А., к.т.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ 135
Проблемы экологичности отечественных автомобилей 140
Рожнов Ю.В., студент ВФ ГОУ МГИУ 140
Корниенко Е.В., ассистент ВФ ГОУ МГИУ 140
Zero Pollution или нулевой выхлоп 143
Семенов А. К, студент ВФ ГОУ МГИУ 143
Бармашова Л.В., к.э.н., доцент, директор ВФ ГОУ МГИУ 143
Гибридные двигатели автомобилей 154
Соколов А.В., студент ВФ ГОУ МГИУ 154
Воронова О. Н., преподаватель ВФ ГОУ МГИУ 154
Пути решения проблем снижения токсичности отработавших газов автомобилей и тракторов 165
Тихонов А.С., Валюк Н.К., студенты ВФ ГОУ МГИУ 165
Харин В.А., ассистент ВФ ГОУ МГИУ 165
Экологически чистые виды топлива 171
Хаустович А.И., студент ВФ ГОУ МГИУ 171
Осипян В.Г., к.т.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ 171
Развитие и внедрение водородных двигателей ведущими автомобильными компаниями 177
Чунарев А.А., студент ВФ ГОУ МГИУ 177
Бармашова Л.В., к.э.н., доцент, директор ВФ ГОУ МГИУ 177
Перспективы двигателей внутреннего сгорания работающих на сжиженном водороде 186
Щербаков А. Ю., студент ВФ ГОУ МГИУ 186
Корниенко Е.В., ассистент ВФ ГОУ МГИУ 186
|
