Зарубежный опыт обеспечения экологической безопасности автомобильного транспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зарубежный опыт обеспечения экологической безопасности автомобильного транспорта



Содержание

Введение

1. Основные направления повышения экологической безопасности автомобилей

1.1 Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

1.2 Впрыск воды

1.3 Применение альтернативных топлив.

1.3.1 ТС на биотопливе

1.3.2 Транспортные средства с водородными ДВС

1.3.3 ТС с ДВС на газе

1.3.4 ТС с комбинированной (гибридной) энергетической установкой.

Электромобили

2. Оптимизация

Заключение

Литература



Введение

В последние годы человечество в полной мере ощутило последствия своего массированного воздействия на природу. Сообщения об изменениях климата, природных катаклизмах и стремительно тающих запасах нефти на планете мы слышим почти каждый день. По прогнозам экспертов, через 30- 50 лет запасы «черного золота» могут совсем иссякнуть, если его истреблять такими же темпами.

Автотранспорт с традиционными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) хоть и уступает пальму первенства по сжиганию топлива энергетике и промышленности, но свои весомые 20% выбросов углекислого газа вносит регулярно. Плюс растущая интенсивность движения неуклонно увеличивает риск дорожно­транспортных происшествий. Поэтому чем раньше производители автомобилей и комплектующих достигнут взаимопонимания в области финансирования и внедрения новых технологий, тем более заметными и обнадеживающими будут результаты.

По оценкам специалистов Robert Bosch GmbH, современные реалии таковы, что и через 20 лет ДВС все еще будет основным типом автомобильной силовой установки. Альтернативные конструкции занимают пока очень узкие сегменты рынка и требуют создания принципиально новой инфраструктуры. А у ДВС есть еще потенциал развития за счет совершенствования процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания, использования альтернативных видов топлива растительного и синтетического происхождения, а также систем «старт­стоп» (stop&go) и гибридных схем. Но уже сейчас можно заметно экономить, используя современные дизельные двигатели, которые существенно превосходят бензиновые моторы. При том же объеме дизели потребляют на 30% меньше топлива и выбрасывают на 25% меньше СО2. Такая ситуация вызвала разительные перемены даже в США, где предпочитают бензиновые моторы. С осени 2006 года там почти 42% АЗС продают дизельное топливо с низким уровнем серы, а к 2015 году маркетологи прогнозируют увеличение доли дизельных машин с 5% до 15%. В общемировом масштабе через семь лет дизельный сегмент приблизится к 30%. Обнадеживает и ситуация в развивающихся странах Азии, где вводятся более жесткие нормы выбросов, требующие использования дизелей с прогрессивными системами впрыска с электронным управлением.

Безусловно, автомобильный транспорт - не единственный источник выбросов в атмосферу углекислого газа, но на его долю еще в 2000 году приходилось 17,7% СО2, а сейчас уже - около 20%. Поэтому власти стран Евросоюза, Японии и США прилагают максимум усилий, чтобы заставить автопроизводителей делать машины «чище». Несмотря на необходимость миллиардных вложений в развитие новых технологий, последним придется подчиняться ужесточающимся требованиям к автомобилям. Способов решить эту важную проблему много.

Транспорт - важное условие функционирования общественного производства и жизни людей. Пассажиропотоки в городах растут быстрее, чем население городов. Большую долю всего объема транспортных перевозок выполняет промышленный транспорт, в составе которого 30-35% перевозок совершают железные дороги, около 60 % автомобили, а остающиеся 5-10% - трубопроводы, транспортеры, речной и морской флот.

Автомобиль в настоящее время стал, чуть ли не основным средством транспорта для подавляющего большинства человечества. Но он же, к сожалению, и главный глобальный загрязнитель окружающей среды.

Для большинства промышленно развитых стран мира не является секретом тот факт, что для поддержания конкурентоспособности автомобильной промышленности, совершенствования надежности, качества, безопасности автомобилей необходимо участие трех сторон - промышленности, науки и государства. Причем усилия всех участников должны быть объединенными и скоординированными, а не автономными и разрозненными.

Специальные правительственные органы многих промышленно развитых стран проводят всестороннее изучение экологических и других проблем и формулирует систему норм, ограничений, требований и стимулов к производителям и потребителям продукции. Это делается с целью минимизации негативного воздействия на природу. Обеспокоенность мирового сообщества, правительств многих государств темпами технического развития отразились в ряде международных, европейских и национальных документов по обеспечению экологической безопасности и защите окружающей природной среды.

Поэтому большинство ученых и практиков предпринимают срочные меры по снижению токсичности отработавших газов двигателя. И прежде всего - уменьшению количества содержащихся в них моно- и диоксидов углерода, а также оксидов азота и несгоревших углеводородов.

Проблема эта, безусловно, весьма сложная, трудоемкая и дорогостоящая. Уже хотя бы потому, что, во-первых, современные ДВС, как показывает анализ, довольно близки к "потолку" их совершенствования; во-вторых, бурный рост автомобильного парка будет продолжаться, следовательно, речь должна идти не о единицах процентов снижения вредных выбросов отдельно взятым автомобилем, а о разах.

Тем не менее, специалисты, занимающиеся данной проблемой, не считают ее неразрешимой. Более того, они предлагают как минимум четыре направления работ, которые позволят сделать автомобильную энергетику экологически чистой.



1. Основные направления повышения экологической безопасности автомобилей

1.1 Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

С момента изобретения более ста лет назад двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предпринимались многочисленные попытки повышения его экономичности и экологичности. У ДВС, есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это, прежде всего, топливная экономичность и возможность удовлетворения международным требованиям по экологии. Отлаженность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость (затраты/кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров открыли, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции. Например, существенный рост КПД бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря: переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува.

Так разрабатываются методы повышения КПД существующих ДВС путем создания конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем оптимизации степени сжатия и рабочего объема ДВС может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение выброса парниковых газов (СО2) в условиях городского движения от 20 до 40 %.

Для двигателя внутреннего сгорания, чтобы получать необходимую механическую энергию для движения автомобиля, необходимо иметь высокое давление в цилиндрах. Естественно, чем выше температура сгорания топлива, тем выше давление. Но окиси азота образуются тем охотней, чем выше температура и больше кислорода, поступает в камеру сгорания. С точки зрения экологии в ДВС ситуация тупиковая. Много топлива и мало воздуха - низкая мощность, экономичность и много СО. Мало топлива и много воздуха - много окиси азота. Успешный до недавней поры компромисс достигался электронным регулированием соотношения топливо-воздух и применением, так называемого трехходового каталитического нейтрализатора. Тем не менее, уже разработаны камеры сгорания, способные сжигать сверхбедные топливовоздушные смеси. ДВС, имеющие такие камеры, на всех режимах работают практически при идеальных соотношениях топлива и воздуха, следовательно, содержат минимальное количество вредных веществ в отработавших газах. Кроме того, все больше появляется систем, обеспечивающих автоматическое управление подачей топлива в камеру сгорания и его воспламенением, что тоже благоприятно сказывается на экологической чистоте ДВС.

В частности, технические данные ДВС могут быть улучшены путем совершенствования электронного управления системами двигателей. Так, в последние годы появились в серийном производстве системы с управляемыми фазами газораспределения, и многие фирмы выпускают двигатели с достаточно эффективными механизмами их регулирования (Honda, Toyota, BMW). Наибольшими функциональными возможностями воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и электронным управлением, а также, переходу на четырехклапанное газораспределение, например, в двигателях фирмы Mazda (1,5 л) для обеднения топливовоздушной смеси используется четырехклапанный газораспределительный механизм с системой формирования сложного управляемого вихря внутри камеры сгорания; системы распределенного высокодисперсного впрыска топлива; системы зажигания высокой энергии; микропроцессорного управления. В результате двигатель может работать на очень бедных смесях с воздухо-топливным соотношением 25:1.

1.2 Впрыск воды

Впрыск воды в топливо-воздушную смесь двигателей внутреннего сгорания используется для дополнительного охлаждения двигателя и временного повышения его характеристик (форсажа). Впервые была применена в США в поршневых двигателях Пратт-Уитни по 2000 л.с. среднего бомбардировщика Дуглас A-26 «Инвэйдер», что позволило увеличить их мощность сперва до 2200 л.с., потом - до 2400 л.с

Из современных автомобилей - система впрыска воды использовалась на турбированном Saab 99 Turbo.

Особенно активно двигатели с впрыском воды применялись всеми воюющими сторонами во время Второй Мировой войны, когда цены на нефть были чрезвычайно высокими. Но затем, такие двигатели вышли из употребления по причине своей технологической сложности и ненадёжности, тем более, об экологии тогда никто ещё серьёзно не заботился. Любой двигатель внутреннего сгорания не просто впустую выбрасывает большую часть получаемой им тепловой энергии (70 - 80 %), но, более того, он даже разрушается, если потеряет возможность, через систему охлаждения, отдавать воде своё тепло. Получающая это тепло вода, превращаясь во время кипения или испарения в пар, при обычном атмосферном давлении увеличивается в своём объёме в 1700 раз. Давление образовавшегося пара может помочь рабочему газу приводить в движение поршни или турбины тепловых двигателей и тем давать существенное приращение мощности, максимального крутящего момента и коэффициента полезного действия (КПД) этих моторов. Существует три основных варианта использования впрыска воды на ДВС:

1. От контакта воды с горячими выхлопными газами происходит процесс парообразования, после чего пар вращает небольшую турбину, которая помогает основному двигателю. О разработке подобной силовой установки для своих автомобилей в ноябре 2005 заявила компания BMW.

2. На многих спортивных автомобилях, использующих турбонаддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе для охлаждения этого воздуха, вместе с которым она затем попадает цилиндры, где и становится паром. Любой газ при понижении своей температуры на один градус, при атмосферном давлении, уменьшается примерно на 1/270 своего объёма и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает. В этом легко убедиться, накачивая камеру колеса велосипеда ручным насосом, который при этом заметно нагревается. Чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нём (не подогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоёмкость. Это распыление осуществляется либо до прохождения сжатого воздуха через интеркулер (дополнительный охлаждающий радиатор), либо после него, но, в любом случае, даже мельчайшие нагревающиеся капельки воды должны превращаться в пар только внутри цилиндра, иначе польза от этого пара становится ничтожной. Более того, нарушение стехиометрического (оптимального) соотношения количества топлива и воздуха, включающего в себя водяные пары, может привести к остановке двигателя.

3. Специально подогретая вода впрыскивается (распыляется) непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскалённым поршнем и цилиндром, вода вскипает, и расширяющийся пар помогает рабочим газам приводить поршни в движение. Здесь впрыск воды фактически заменяет собой турбонаддув. В этом случае уже не будет нарушаться стехиометрическое соотношение количества топлива и чрезвычайно сжатого компрессором воздуха, чьё очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар для экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий в себе до 80% азота, из которого, при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы его химические соединения с избыточным кислородом. Кроме того, лишний кислород в сильно сжатом воздухе приводит к нежелательному обгоранию цилиндров, поршней, поршневых колец, клапанов и окислению электрических контактов свечей. Некоторые автомобилисты уверяют, что даже после многих лет эксплуатации ДВС с впрыском воды, внутренности его цилиндров выглядят как новые. Более эффективное непосредственное охлаждение (и смазывание) водой раскалённых и интенсивно трущихся поверхностей цилиндра продлевает жизнь всего мотора. Помимо прибавки мощности и экономии топлива на 15 - 20 %, существенно улучшается и охлаждение мотора, так как здесь цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри. Достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность моторов с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды, и её предварительный подогрев от внешних стенок цилиндра (в водяной рубашке) и от выхлопного патрубка с глушителем, каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром, чтобы в момент впрыска температура воды максимально приближалась к своей точке кипения, которая в сжатой газовой среде неизбежно повышается.

Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше экономится топлива и сохранится природа на нашей планете. При избыточном нагреве цилиндра микропроцессор может увеличить подачу в него воды, при этом, снизить подачу топлива ровно настолько, чтобы от этой замены при существующей нагрузке ощутимо не изменилась скорость вращения маховика двигателя, установленная водителем на данный момент. В идеале, мотору с впрыском воды уже не нужен громоздкий радиатор, ухудшающий аэродинамическое сопротивление быстро движущегося автомобиля, а также вентилятор, дополнительно обдувающий двигатель снаружи. В этом случае водяной насос, помимо своей надёжности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды.

Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризиса, есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но, с привлечением современных технологий, открывающих многообещающие перспективы.

1.3 Применение альтернативных топлив.

Перспективы альтернативного топлива таковы, что уже сегодня мировые автопроизводители говорят о внедрении к 2010 году порядка 50 различных моделей, работающих на альтернативном виде горючего. В Европе особенно активны в этой области компании Mercedes-Benz, BMW, MAN. А к 2020 году, согласно резолюции ООН, нацелившей страны Европы на переход автомобилей на альтернативные виды моторного топлива, ожидается увеличение ТС на альтернативных видах топлива до 23% всего автопарка, из них 10% (порядка 23,5 млн. единиц) - на природном газе.

1.3.1 ТС на биотопливе

Биотопливо - использование биотоплива, например этанола (этилового спирта) или дизельного топлива (биодизеля), полученного из специально выращенных растений, обычно рассматривают как важный шаг к сокращению выбросов углекислого газа (СО2) в атмосферу. Конечно, при сжигании биотоплива углекислый газ попадает в атмосферу совершенно так же, как и при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Разница в том, что образование растительной массы, из которой было получено биотопливо, шло за счет фотосинтеза, то есть процесса, связанного с потреблением СО2. Соответственно, использование биотоплива рассматривается как «углерод-нейтральная технология»: сначала атмосферный углерод (в виде СО2) связывается растениями, а потом выделяется при сжигании веществ, полученных из этих растений. Однако стремительно расширяющееся производство биотоплива во многих местах (прежде всего в тропиках) ведет к уничтожению природных экосистем и утере биологического разнообразия.

Двигатели, работающие на биотопливе, используют энергию солнечного света, запасенную растениями. Энергия ископаемого топлива - это связанная энергия солнечного света, а выделяющийся при сжигании ископаемого топлива углекислый газ когда-то был изъят из атмосферы растениями и цианобактериями. Биотопливо ничем не отличается от обычного ископаемого топлива. Но разница есть, и определяется она временной задержкой между связыванием СО2 в ходе фотосинтеза и выделением его в процессе сжигания углеродосодержащих веществ. Кроме того, если связывание углекислого газа происходило в течение очень длительного времени, то высвобождение происходит очень быстро. В случае же использования биотоплива временной лаг совсем небольшой: месяцы, годы, для древесных растений - десятилетия.

При всех плюсах использования биотоплива быстрое увеличение его производства чревато серьезными опасностями для сохранения дикой природы, особенно в тропиках. В последнем номере журнала Conservation Biology появилась обзорная статья, посвященная вредным последствиям использования биотоплива. Ее авторы, (Martha A. Groom), работающая в рамках Междисциплинарной программы наук и искусств Вашингтонского университета в Ботелле (США), и ее коллеги Элизабет Грэй и Патрисия Таунсенд, проанализировав большой массив литературы, предложили ряд рекомендаций по тому, как сочетать получение биотоплива с минимизацией отрицательного воздействия на окружающую среду, с сохранением биоразнообразия окружающих природных экосистем.

Так, по мнению Грум и ее коллег, вряд ли заслуживает одобрения принятая во многих странах, и прежде всего в США, практика использования кукурузы как сырья для получения этанола. Культивирование кукурузы само по себе требует большого количества воды, удобрений и пестицидов. В результате, если учесть все затраты на выращивание кукурузы и производства из нее этанола, то окажется, что в сумме количество СО2, выделяющегося при изготовлении и использования такого биотоплива, почти такое же, как при использовании традиционного ископаемого топлива. Для этанола из кукурузы коэффициент, оценивающий выделение парниковых газов на определенный энергетический выход равен 81-85. Для сравнения, соответствующий показатель для бензина (из ископаемого топлива) составляет - 94, а для обычного дизельного топлива -83. При использовании сахарного тростника результат уже существенно лучше - 4-12 кг СО2/МДж.

Настоящий положительный скачок наблюдается при переходе к использованию многолетних трав, например одного из видов дикого проса - так называемого проса прутьевидного, обычного растения высокотравных прерий Северной Америки. Благодаря тому, что значительная часть связанного углерода запасается многолетними травами в их подземных органах, а также накапливается в органическом веществе почвы, территории, занятые этими высокими травами, функционируют как места связывания атмосферного СО2. Показатель эмиссии парниковых газов при получении биотоплива из проса характеризуется отрицательной величиной:

-24 кг СО2/МДж (то есть СО2 становится меньше в атмосфере).

Еще лучше удерживает углерод многовидовой растительный покров прерий. Показатель эмиссии парниковых газов в этом случае также отрицательный:

- 88 кг СО2/МДж. Правда продуктивность таких многолетних трав относительно низкая. Поэтому и количество топлива, которое может быть получено с естественной прерии, составляет всего около 940 л/га. Для проса эта величина достигает уже 2750-5000, для кукурузы - 1135-1900, а для сахарного тростника - 5300-6500 л/га.

Очевидно, что замещая ископаемое топливо и снижая таким образом рост СО2 в атмосфере, биотопливо на самом деле может угрожать многим природным экосистемам, прежде всего тропическим. Дело, конечно, не в самом биотопливе, а в неразумной политике его производства. В уничтожении богатых видами природных экосистем и заменой их крайне упрощенными экосистемами сельскохозяйственных угодий. Большие надежды разработчики возлагают на использование в качестве сырья для биотоплива массы микроскопических планктонных водорослей, которые можно выращивать в специальных биореакторах. Выход полезной продукции на единицу площади при этом значительно выше, чем в случае наземной растительности.

В любом случае, необходимо оценить тот риск, который возникает для природных экосистем при культивировании растений, используемых в качестве сырья для биотоплива.

1.3.2 Транспортные средства с водородными ДВС

Ричард Кэммак, автор исследования «Водород как топливо», считает, что водород потенциально может стать идеальным топливом. В частности потому, что в природе существует подобный механизм - известны бактерии, использующие водород в качестве единственного источника энергии. Из водорода можно произвести в три раза больше энергии, чем из аналогичного количества бензина. Водород очень взрывоопасен, но, по данным организации National Hydrogen Association (США), вероятность взрыва водорода не выше вероятности взрыва бензина. За последние три десятилетия на исследования в этой области государственные и частные организации США затратили более 15 млрд долл.

Исследования водородного топлива ныне активно проводят автомобилестроительные компании . Honda Motor, General Motors, Ford Motor, Mazda, Toyota, Daimler Chrysler начали выпуск экспериментальных автомобилей, работающих на водородных двигателях. Единственным выбросом, образующимся в результате работы подобных двигателей, является вода. Современный уровень развития технологий не позволяет использовать водород эффективно. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание «водородной инфраструктуры» - сети заправочных станций и сервисных центров необходимых для обслуживания автомобилей работающих на водородном топливе.

Кроме того, водород требует особо внимательного обращения. В 2001 году Массачусетский технологический институт опубликовал результаты исследования, согласно которым хранение и транспортировка водородных автомобильных двигателей в сто раз дороже, чем их бензиновых аналогов.

Исследование Калифорнийского технологического института показало, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от ультрафиолетового излучения, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов. Кроме того, водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей. К этому выводу в 2003 году пришли исследователи Массачусетского технологического института.

Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся из природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем наиболее дешевый сегодня энергоноситель - природный газ. Впрочем, технологические и экологические препятствия использования водорода в качестве топлива не являются чем-то уникальным.

Под термином «водородные автомобили» подразумеваются не только электромобили с топливными элементами. Существует еще и другой вариант использования водорода - в качестве топлива для обычного двигателя внутреннего сгорания, в цилиндрах которого, собственно, и сжигается водород.

Водородные ДВС давно разработали в компаниях BMW и Mazda. Последняя, кстати, создала водородный вариант роторно­поршневого двигателя для модели RX­8, причем в нем битопливный (может работать и на водороде, и на бензине) мотор входит в состав гибридной силовой установки. По сравнению с бензином, водород имеет более широкий диапазон пропорций смешивания с воздухом, при которых смесь сохраняет способность воспламеняться от искры. Кроме того, водород сгорает практически полностью даже в отдаленных от свечи зажигания уголках камеры сгорания.

С 1984 года над водородной топливной системой для классического ДВС работает компания BMW. Результатом этого длительного процесса год назад стал запуск в малую серию «водородной» модификации своей«семерки» - Hydrogen 7.

Двигатель внутреннего сгорания BMW Hydrogen 7 может работать на бензине, или водороде. На Hydrogen 7 установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода. Автомобиль может проехать 200?300 км на водороде и 480 км на бензине. Переключение с одного вида топлива на другое происходит автоматически, но предпочтение отдаётся водороду.

При работе на водороде мощность двигателя составляет 170 кВт (228 л. с.), крутящий момент 337 Н·м. При работе на бензине 12-цилиндровый двигатель развивает мощность 194 кВт (260 л. с.). Максимальная скорость 229 км/ч. Разгон до 100 км/ч за 9,5 сек. Водород хранится в жидкой форме при температуре не выше ?253 °C. Бак для хранения водорода двухслойный. Между слоями в вакууме расположены 70 слоёв специальной пены.

BMW совместно с South German Technical Inspection Authority (TЬV) провели серию испытательных тестов для системы хранения водорода. Тесты разрабатывала Magna Steyr. В ходе испытаний водородный бак разрушали под высоким давлением, нагревали на открытом огне до температуры 1000 °C в течение 70 минут, деформировали твёрдыми и тяжёлыми предметами. Водород, находящийся в баке, не взрывался.

BMW Group разрабатывает водородные технологии более 20 лет. BMW запустила программу Clean Energy для распространения в разных странах водородных BMW-7. К маю 2007 года BMW произвела 100 автомобилей Hydrogen 7. Из них 70 проданы в лизинг в Европе, а 25 - в США. Всего автомобили BMW Hydrogen 7 к марту 2008 года проехали во всём мире более 2 миллионов км.

Во второй половине 2007 года поставки BMW Hydrogen 7 начались в Великобританию (8 экземпляров) и Японию (2 экземпляра). Кроме того, разрабатываются способы получения водорода из метана, подсолнечного масла, а в США всерьез заговорили о производстве водорода и с помощью атомных станций.

Еще одна задача: где хранить водород в автомобиле. Его можно держать в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), в жидком состоянии при меньшем давлении, но низкой температуре (253 градуса Цельсия ниже нуля), в твердом состоянии в специальном резервуаре - например, в виде гидрида металла (металлогидридные аккумуляторы). Ближе к серийному производству находятся баллоны для хранения водорода под давлением. Для хранения в жидком виде нужна мощнейшая теплоизоляция. Самый привлекательный третий способ - он безопасный, обеспечивает больший запас хода и быструю заправку (не более 10 минут).

Для активного распространения «водородных» автомобилей необходимо снизить стоимость производства водорода, создать сеть заправок и усовершенствовать способы его хранения «на борту» авто. Но несмотря на существующие проблемы, водород, являясь возобновляемым химическим топливом, а также благодаря экологичности, большим запасам воды считается самым перспективным видом топлива будущего. Mercedes - лидер в развитии технологии Fuel Cell - уже заявил о начале производства в 2010 году автомобиля В­класса на топливных элементах. На программу развития технологии Fuel Cell (с 1994 года) концерн DaimlerChrysler израсходовал более $1 млрд., а созданные его инженерами «водородные» автомобили и автобусы уже проехали не один миллион километров. Наряду с опытными машинами в «водородном» автопарке концерна представлены фургоны Dodge, Sprinter и более 35 автобусов Mercedes­Benz Citaro, которые эксплуатируются в Европе, США, Японии, Австралии, Китае и Сингапуре.

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году - на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Основное преимущество внедрения топливных элементов в наземные транспортные средства: предполагаемый высокий КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента - 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД в 57 %. КПД классического свинцового аккумулятора выше - до 70-90 %. Но основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей - дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов.

На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель - снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 за 1 кВт к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что бортовой источник электроэнергии для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л.с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

- Ford Motor Company - Focus FCV;

- Honda - Honda FCX;

- Hyundai - Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

- Nissan - X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

- Toyota - Toyota Highlander FCHV, Toyota Mirai;

- Volkswagen - space up!;

- General Motors;

- Daimler AG - Mercedes-Benz A-Class;

- Daimler AG - Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);

- Toyota - FCHV-BUS;

- Thor Industries - (топливные элементы компании UTC Power);

- Irisbus - (топливные элементы компании UTC Power);

Первый в мире серийный автомобиль поступит в продажу в конце 2014 года:

- Toyota Mirai- водородный гибридный автомобиль на топливных элементах.

ТС с ДВС на газе

Сжатый природный и сжиженный нефтяной газы, а также метанол -приоритетность газа, как наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс.

Уже сейчас в Нидерландах порядка 50% автомобилей работают на природном газе, а каждый десятый автомобиль - на сжиженном. 95% автобусного парка Вены и 87% парка Дании также работают на газу. И совокупный процент потребителей растет с каждым годом. В Великобритании, например, действует специальная программа перехода на другие виды энергии (Power Shift Programs): покупателю компенсируется до 75% расходов, которые он несет по переоснащению автомобиля на газ. В Германии владельцам автомобилей на природном газе предоставляются льготы: ежегодные единовременные компенсации при норме токсичности «Евро-4» и снижение размера налога. При страховании автомобиля законодательством введен специальный экологический тариф, составляющий 15% от обычных ставок.

Поэтому, в настоящее время единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на природный газ, что обеспечит сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам. 

1.3.4 ТС с комбинированной (гибридной) энергетической установкой.

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива. Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один - гибридный, представляющий собой работающие вместе ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно.

Гибридами называют машины, у которых используется два типа двигателей - электромотор и ДВС. Только в одном случае эти два агрегата могут входить в состав силовой установки, а в другом - крутящий момент для привода колес вырабатывает только электромотор, а ДВС работает в паре с генератором для зарядки АКБ и подпитки электромотора. С точки зрения получения энергии первая получила название параллельной, а вторая - последовательной. Эти технологии для знатоков автомобилей не новы. Toyota Prius десять лет назад стала первым серийным гибридом и продолжает выпускаться до сих пор, пройдя за это время несколько этапов модернизации. Первые гибриды в основном представляли собой комбинации бензинового двигателя внутреннего сгорания и тягового электродвигателя, питаемого от аккумуляторной батареи. Теперь же в компанию к электротяге предлагают более экологически чистые и экономичные дизели.

С точки зрения компоновки гибриды могут иметь параллельное или последовательное подключение к колесам. Параллельная компоновочная схема - наиболее сложная. В ней для совмещения крутящего момента двух двигателей используются специальные редукторы. ДВС в такой схеме используется и для подзарядки аккумуляторов. В зависимости от режима движения автомобили­гибриды способны двигаться или при помощи электромоторов, или двигателя внутреннего сгорания, или с работающими электромотором и ДВС одновременно. ДВС может автоматически запускаться и приводить в действие генератор, если аккумуляторная батарея разряжена и запаса электричества недостаточно для работы электромотора. При торможении в некоторых конструкциях активируется режим рекуперации энергии, т. е. электромотор начинает работать как генератор и вырабатывает электроэнергию для подзарядки аккумуляторной батареи. В ряде моделей мотор­генератор выполняет еще и функции стартера.

При более простой последовательной схеме электромотор (один или два) устанавливается между ДВС и трансмиссией. В этом случае он, как правило, помогает ДВС при разгоне, или работает без ДВС на очень малых скоростях, а в некоторых режимах «становится» генератором.

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche, разработанный конструктором Фердинандом Порше в 1900 - 1901 годах.

Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями.

В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.

В США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60-е - 70-е годы. В 1980 году компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность, по возможности не жертвуя при этом остальными эксплуатационными характеристиками - скоростью, приёмистостью, пробегом на одной заправке. Экономия была достигнута, в том числе:

- использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма;

- работой двигателя в оптимальном режиме;

- его полной остановкой вместо работы на холостом ходу

- применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок).

Постоянный контроль за работой всех систем гибридного автомобиля на их оптимальных режимах представляет собой весьма сложную задачу, решение которой не представлялось возможным до появления бортовых компьютеров.

Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной стороны, снижением расхода углеводородного топлива; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля - в частности, в пробках. С другой стороны, применение батарей меньшей, чем в электромобилях, ёмкости - и, соответственно, размеров, - снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.

Корпорация Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, кроссоверов серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса - Lexus LS 600h. По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius.

Технологию гибридного привода Toyota HSD (Гибридный синергетический привод, англ. Hybrid Synergy Drive, HSD) - технология силовой установки автомобиля, основанная на синергетическом эффекте, разработанная японской корпорацией «Toyota». Впервые применена в 1997 году в серийном автомобиле «Prius».

Объединяет семь основных компонентов:

- бензиновый двигатель 1NZ-FXE (2ZR-FXE) с изменяемыми фазами газораспределения, соединён с водилом планетарной передачи;

- электродвигатель (синхронный, с постоянным магнитом), соединён с коронной шестернёй планетарной передачи;

- электрогенератор, соединён с солнечной шестернёй планетарной передачи;

- планетарная передача;

- аккумуляторная батарея (рассчитана на весь срок службы автомобиля)

- инвертор (преобразует постоянный ток в переменный)

- электронный вариатор

Комплекс управляется компьютером по концепции Drive-by-Wire (без прямого механического контакта).

На скорости выше средней бензиновый двигатель передаёт часть энергии (через водило и корону планетарной передачи) непосредственно на передние колеса, оставшаяся часть (через водило и солнечную шестерню) идёт на электрогенератор. От генератора часть тока ответвляется на подзарядку батареи, а часть возвращается (через инвертор 500 В) на тяговый электромотор, который вращает передние колеса через коронную шестерню.

При обгоне (максимальном ускорении) компьютер прекращает подзарядку батареи и направляет весь ток от генератора на электромотор. Кроме того, ток от батареи через инвертор также поступает на электромотор.

При торможении компьютер выключает бензиновый двигатель, а электродвигатель переключается в режим генерации тока и возвращает энергию в батарею (рекуперация). На малой скорости (до 50 км/ч) автомобиль работает в режиме электромобиля, получая энергию только от батареи.

Фактически, силовая установка автомобиля разбита на два модуля - электрическая подсистема отвечает за работу на переходных и установившихся режимах, подсистема внутреннего сгорания - только за работу на установившихся режимах.

Такой подход кардинально меняет требования к двигателю внутреннего сгорания и целевые функции конструкторов при разработке всей силовой установки автомобиля, а не только одной трансмиссии, как, например, в опытной разработке General Motors, DaimlerChrysler AG и BMW « Two-Mode», которая предназначена для гибридизации стандартных бензиновых или дизельных двигателей старых конструкций, разработанных без учета работы в составе гибридного агрегата. «Хайбрид Синерджи Драйв» является заметной вехой в автомобилестроении.

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов. В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году. В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей. Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Использование гибридных силовых установок позволяет значительно сократить выбросы отработавших газов в атмосферу, повышает экономичность, но зависимость от нефтяного топлива остается. Массовое применение таких силовых агрегатов ограничивает их высокая стоимость.

1.3.5 Электромобили

Транспортные средства, приводимые в движение электромоторами и имеющие на борту запас электроэнергии в кислотных или щелочных аккумуляторных батареях (АКБ), существуют очень давно. Но отсутствие компактных и легких аккумуляторов, а также малый запас хода, проблемы с утилизацией стали камнем преткновения на пути массового производства автомобилей на «чистой» электротяге. Как альтернатива классическим АКБ в конце ХХ века начали применять так называемые топливные элементы или ячейки (Fuel Cell), которые «питаются» водородом.

Топливные элементы преобразовывают химическую энергию в электрическую без сгорания. В упрощенном виде они представляют собой устройство, в котором соединяются водород с кислородом, в результате химической реакции образуются водяной пар (или вода + тепло) и электричество. Электрохимический процесс в топливном элементе протекает следующим образом: водород на аноде (катализаторе) ионизируется с образованием протонов и электронов. Положительно заряженные протоны проходят через мембрану к катоду, а электроны направляются к внешним потребителям электроэнергии в виде электричества. На катоде кислород реагирует с электронами и протонами - образуется вода. Электроцепь, соединяющая огромное количество индивидуальных ячеек «собирает» достаточное количество электроэнергии, чтобы стать источником питания для тягового электродвигателя. Например, батарее топливных элементов GM HydroGen­4 мощности 93 кВт с запасом хватает для питания синхронного электродвигателя (73 кВт, 100 л. с.), который ускоряет автомобиль до «сотни» за 12 секунд.

Электромобили с такими источниками электроэнергии уже создали Ford, General Motors, Toyota, Honda, Nissan и многие другие автопроизводители. Но тормозит их внедрение в серийное производство отсутствие развитой сети водородных заправок. Общая проблема использования водорода - сложность и пока дороговизна его получения, так как для этого требуется большое количество энергии. С помощью химических процессов можно получать водород и из бензина на борту автомобиля. Но сжигать нефтяное топливо неэффективно, так как в перспективе нефть наверняка станет очень дорогим сырьем. Поэтому ведутся поиски других способов получения водорода. Например, предполагается строительство станций электролиза воды, которые будут работать от электроэнергии, полученной с помощью солнечных батарей или ветряных «мельниц­электростанций».

В 2004 году в США эксплуатировалось 55852 электромобиля. Кроме этого, в США эксплуатируется большое количество самодельных электромобилей. Наборы комплектующих для конвертации автомобиля в электромобиль продаются в магазинах.

Мировой лидер по производству электрического транспорта - Китай. В 2014 году в Китае было продано 75 тысяч электромобилей, что составляло 25 % мирового рынок.

Помимо этого, небольшие электромобили упрощённой конструкции широко применяются для перевозки грузов на вокзалах, в цехах и больших магазинах, а также как аттракцион. В данном случае все недостатки в виде малого запаса хода и скорости, высокой собственной стоимости батарей и массы, перекрываются преимуществами: отсутствием вредных выхлопов и шума, что принципиально важно для работы в закрытых людных помещениях. Формально к электромобилям такие машины относить не принято из-за специфичности их применения.

Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей, - малый спрос, обусловленный высокой стоимостью и малым пробегом от одной зарядки. Существует точка зрения, что широкое распространение электромобилей сдерживается дефицитом аккумуляторов и их высокой ценой. Для разрешения этих проблем многие автопроизводители создали совместные предприятия с производителями аккумуляторов. Например, Volkswagen AG создал совместное предприятие с Sanyo Electric, Nissan Motor с NEC Corporation

автомобиль безопасность экологический



2. Оптимизация

Все вышеперечисленные способы снижения потребления нефтяного топлива и повышения экологичности автомобилей очень дорогие и не могут стать доступнее без массовых продаж и соответствующей инфраструктуры. Поэтому пока автопроизводители работают и над оптимизацией существующей конструкции машины и ее систем в нескольких основных направлениях: улучшение аэродинамики, повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателей, рекуперация энергии и снижение ее потерь (например, использование шин с пониженным сопротивлением качению). Правда, такие работы дают существенный положительный эффект только в комплексе. Например, компания BMW запустила в серию проект

«Эффективная динамика» (Efficient Dynamics). Благодаря этой стратегии около 40 процентов всех новых моделей компании BMW (BMW, Mini, Rolls­ Royce) к 2008 году будут выбрасывать в атмосферу не более 140 г/км СО2, и это без потерь скоростных и динамических характеристик. Прежде всего это заслуга инженеров, работающих над усовершенствованием моторов. За последнее десятилетие ни один производитель автомобилей не внедрил в свои двигатели столько новых технологий, как BMW: это и системы бесступенчатого изменения фаз газораспределения BI­VANOS, и бездроссельная система впуска Valvetronic (изменяет момент и высоту поднятия впускных клапанов), и непосредственный впрыск топлива, и многопорционная подача топлива в цилиндры, и система Stop&Start и многое другое. Кроме того, компания возобновила установку на свои моторы турбокомпрессоров.

Еще два интересных направления усовершенствования ДВС -«обучение» их работе на различных видах топлива, а также смешивание рабочих процессов разнотипных ДВС - с принудительным и самовоспламенением смеси. В последнем направлении работает компания Mercedes, представившая на выставке концептуальный гибрид F 700 с 1,8­ литровым бензиновым двигателем DiesOtto, в котором на малых оборотах топливо­воздушная смесь воспламеняется не от искры свечи зажигания, а от повышения температуры за счет высокого давления сжатия. Выброс СО2 у этого мотора обещают в районе 127 г/км. В тоже время мощностные показатели при объеме 1,8 л поражают - максимальная мощность 238 л. с., а максимальный крутящий момент - 400 Нм. Суммарная мощность гибридной силовой установки этого концепта - 258 л. с. При таких данных расход топлива у этого 5,2­метрового гиганта составляет всего 5,3 л/100 км, а разгон до сотни - 7,5 с.

Mercedes показал линейку дизельных моторов, использующих технологию BLUETEC. Ее в 2006 году презентовали в США, где модель E 320 BLUETEC получила награду «Зеленый автомобиль 2007 года». Это самая экологичная машина бизнес­класса, соответствующая экологическим нормам Евро 5. Добиться таких успехов позволило внедрение самой совершенной топливной системы с пьезофорсунками, способной подавать горючее в цилиндры несколькими порциями за один такт всасывания и сжатия, интеллектуальных турбокомпрессора и системы рециркуляции (дожига) отработавших газов, использование высокоэффективных катализаторов и сажевых фильтров в выпускной системе, а также впрыскивание в нее восстановителя AdBlue, который на 80% сокращает объем угарного газа в выхлопе. При мощности 224 л. с. и крутящем моменте 540 Нм уже при 1600 об/мин 3,0­ литровый мотор BLUETEC потребляет всего 7,3 л/100 км. Теперь дизельными двигателями с этой технологией оснащаются шесть моделей с трехлучевой звездой. В 2009 году Мersedes­Вenz планирует запустить в производство еще один высокотехнологичный 2,2­литровый мотор с четырьмя цилиндрами. При мощности 204 л. с. и крутящем моменте 480 Нм расход будет составлять 4,9 л/100 км. При этом разгон до «сотни» С­класса - всего 7,9 секунды.

Ford и Volvo внедряют в свои модели двигатели, способные работать не только на бензине, но и на биоэтаноле E85 или любой смеси этих двух видов топлива. Биоэтанол - регенерируемый источник энергии, производимый из возобновляемой биомассы. Благодаря этому количество «парникового» газа CO2, выбрасываемого за весь жизненный цикл автомобиля, уменьшается на 30-80% без снижения динамических характеристик и удовольствия от вождения.

...