Современные научные исследования в дорожном и строительном производс

Список литературы

1.Dalzell H.W., Sarofim A.F. Optical Constants of Soot and their applications to heat flux calculations // Trans. ASME. Ser. C. // Jornal of Heat Transfer. – 1969. – Vol. 91. – № 1. – pp. 100–104.

2.Stull V.R., Plass G.N. Emissivity of dispesed Carbon Particles // Journal of

the Optical Society of America. – 1960. – Vol. 50. – № 2. – pp. 65–71.

3. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. – Л.: Энергоатомиздат, 1984. – 240 с.

4. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. – Л. : Энергия, 1967. – 328 с.

5. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов. – М.; Л.: Гос. науч.- техн. изд-во машиностроит. лит-ры, 1963. – 180 с.

151

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА

Е.В. Поезжаева, Д.Р. Галин, А.Ю. Патракеев, Т.С. Ткаченко

Пермский государственный технический университет, Россия

В наши дни все более актуальной становиться проблема ограниченности природных ресурсов, в частности нефти и природного газа. Ученый постоянно выдвигают сроки окончания углеродных (углеводородных) ресурсов, если свести их предсказания и посчитать среднее арифметическое, мы получим около 50 лет для нефти, и около 70 для природного газа.

Конечно, люди давно уже начали задумываться о том, что же будет после того, как закончаться углеводороды. Особенно это касается отрасли автомобилестроения. Разные технологии замены бензина, дизельного топлива давно уже разрабатываются учеными по всему миру на протяжении нескольких десятилетий. Были придуманы виды двигателей, потребляющих: электричество, природный газ, пропан, метанол, этанол, виды топлива серии Р, биодизельное топливо и конечно же водород – самый распространенный в нашей Вселенной элемент. Рассмотрим подробнее каждый из видов альтернативного топлива.

Природный газ представляет собой альтернативный вид топлива, которое полностью сгорает и уже сейчас повсеместно доступно потребителям многих стран за счет снабжения природным газом домов и производственных объектов. Разработки автомобилей, двигатель которых работает на газу, успешно ведутся уже давно. Из последних же представленных моделей назвать можно показанную на женевской автовыставке разработку французских компаний. Ими был создан автомобиль, оснащенный турбомотором, который может одинаково эффективно работать и на природном газе, и на биогазе. Такой автомобиль привлекателен тем, что его силовая установка не отличается сложной конструкцией, а представляет собой простой двигатель, в камеру сгорания которого вместо бензинового топлива подается смесь газа и воздуха. В итоге работа такого мотора на 25 % экологичнее, чем функционирование ДВС, при этом, если заправлять такой автомобиль биогазом, содержание СО2 в выхлопе автомобиля будет нулевое.

Электричество может использоваться в качестве альтернативного вида топлива для транспортных средств с питанием от аккумуляторных батарей или работающих на топливных элементах. Работающие от батарей электрические транспортные средства накапливают энергию в батареях, которые заряжаются путем подключения транспортного средства к стандартному источнику пита-

152

ния. Транспортные средства на топливных элементах работают на электрической энергии, которая вырабатывается за счет электрохимической реакции, имеющей место при соединении водорода и кислорода. Топливные элементы производят электроэнергию без внутреннего сгорания и загрязнения окружающей среды.

Разрабатывать такие модели стали еще с 20-х гг. прошлого столетия и сейчас электромобили есть в арсенале почти каждого крупного автопроизводителя. И кажется, совершенству нет предела, потому что уже сейчас существует электромобиль мощностью 700 л.с. Это разработка англичан из компании Lightning Car Company, еще одна инкарнация легендарного Roadster от производителя Tesla.

Но массовому распространению электромобилей, как говорят эксперты, мешает недостаточно развитая сеть электрических заправок. И хотя подобные станции уже стали строить в Европе, Америке и Японии, их числа пока недостаточно, чтобы обеспечить водителям повсеместную возможность подзаряжать двигатель своего автомобиля. А в плане экономии использование электродвигателя крайне выгодно: электричество дешевле бензина и к тому же обеспечивает автовладельцу полную независимость от автозаправок и стоимости топлива. И к тому же работа электромотора не сопровождается выбросами в атмосфе-

ру СО2.

Водород можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания. Водород также используется в транспортных средствах с топливными элементами, работающими на электричестве, вырабатываемом в результате реакции, которая происходит при соединении водорода и кислорода в топливной ячейке.

По сути, водородные автомобили на топливных ячейках – это электромобили. Ведь и в тех и в других движение осуществляется благодаря вращению электромотора. Разница лишь в источнике питания: электромобиль получает энергию от предварительно заряженного аккумулятора, а водородный – от пакета топливных ячеек, в котором при окислении водорода образуются электрическая энергия и вода.

Но производство и газового топлива и электричества по существующим технологиям сопряжено с потерями энергии, затратами и «замкнуто в круг», потому что электричество производят на ГЭС, ТЭЦ, которые также загрязняют окружающую среду. Единственный способ минимально снизить загрязнение – использовать водород в качестве топлива, осталось лишь придумать способ его производства, который будет недорогим и относительно экологичными.

В новом и динамично развивающимся секторе гибридных автомобилей производители идут на множество ухищрений. Изготовители и средства массовой информацией называют множество автомобилей «гибридами», создавая ложное впечатление, что они все одинаковы.

153

Вобщем случае гибридный автомобиль – автомобиль, использующий

вкачестве движущей силы связку из электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, питаемый как обычным горючим топливом, так и зарядом аккумуляторной батареи.

Взависимости от того, какую роль в силовой установке играет электромо-

тор, гибриды делятся на умеренные (mild hybrids) и полные (full hybrids). У первых электромотор служит помощником двигателю внутреннего сгорания, например у хэтчбека Honda Insight. Вторые способны проехать некоторое расстояние на одной электротяге, например Lexus RX 400h. Есть еще якобы микрогибриды – придуманный маркетологами термин для рекламы системы start/stop. Но последняя, по сути, – генератор с расширенными функциями. А мы говорим о схемах, где электродвигатели передают крутящий момент на колеса.

Микрогибрид (Micro Hybrid) – наиболее мягкие гибриды (mildest hybrids) – обеспечивают пуск и остановку двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и получение энергии для режима холостого хода (малый газ), наряду с регенеративным торможением и работой генератора для регенерируемой энергии. Традиционная свинцово-кислотная батарея, регулируемая с помощью клапана ( VLRA – Valve Regulated Form), является наилучшим решением для хранения энергии с широко применяемой (flooded) свинцово-кислотной батареей; они приводят к необходимому решению, если выход энергии Вт·ч повышен. Все, чем они отличаются от обычных машин, это наличие системы старт-стоп. Она не дает мотору работать в самом «грязном» холостом режиме, заглушая его при остановках и автоматически запуская вновь при трогании. Эта простая технология позволяет снизить расход топлива в городском режиме на 5–7 %.

Мягкий гибрид (Mild Hybrid) является следующим шагом за микрогибридом. Они очень похожи на настоящие, но оснащаются слабы электромоторами. Их батарея еще не дотягивает до уровня настоящих гибридов. В наличии имеется система рекуперации энергии торможения. Мягкий гибрид предполагает применение электрического мотора, который, функционируя вместе с двигателем внутреннего сгорания, дает дополнительную мощность последнему. Подобная система обычно оснащенатакой функцией, как «стоп-старт», итакназываемойрегенеративной системой тормозов.

Этот тип гибрида имеет дополнительные регенеративные возможности и помогает обеспечить запуск до 3 с. Для этого гибрида «низкой стоимости» при движении по городу может быть применена технология VLRA, но только если цикл Вт·ч может быть снова улучшен с помощью батареи NiMH. Он имеет низкотемпературные характеристики, тогда как Li-ion технология кажется более привлекательной для длительного по времени решения. Применение UCAP вместе с батареей VLRA является привлекательным, однако при этом стоимость электроники является главной характеристикой.

Умеренный гибрид (Moderate Hybrid) – гибрид этого типа может обычно обеспечивать более длительную мощность в течение 3–10 с.

154

Предусматриваются батареи умеренно высокого цикла Вт·ч в сочетании с типичной электрической системой автомобиля средних размеров, имеющей напряжение 50–150 В и мощность 10–20 кВт. Обычно выбирается современная батарея NiMH, но могут быть и другие решения. Технология более мощных Li-ion батарей может обеспечить энергией, если их постепенное уменьшение мощности задерживается. Технологии с применением UCAPs могут быть конкурентными, если они обеспечивают зарядку менее чем за 5 с и сохраняют мощность в течение 5–10 с, комбинируя импульс UCAP и VLRA. При необходимости увеличения длительности до 10 с могут быть конкурентными UCAPs в сочетании с перспективной батареей.

Жесткий гибрид (Strong Hybrid) – эта технология применяется, если требуется обеспечить ускорение в течение более 8с и если требуется только электрический привод при низких скоростях. Такая технология имеет высокий диапазон Вт·ч, составляющий 30–70 % от состояния зарядки и высокий выход Вт·ч. Батареи NiMH являются современным решением, но батареи Li-ion начинают конкурировать, по меньшей мере, в проектных разработках; однако при этом необходимо рассматривать стоимость, срок службы и допустимость неправильного обращении.

Параллельный гибрид – ведущие колеса в такой схеме в движение приводит и двигатель внутреннего сгорания и электрический двигатель. Чтобы они работали согласованно, применяют компьютерное управление. В параллельных гибридах может быть установлена аккумуляторная батарея с меньшей в сравнении с последовательным гибридом мощностью, так как основную часть времени работает двигатель внутреннего сгорания.

Полный гибрид – сочетает в себе лучшие качества двигателя внутреннего сгорания и электромотора, т.е. удобный энергоноситель вместе с отличными моментными характеристиками. Гибрид характеризуется работой обоих двигателей друг на друга. Недостатки моторов сводятся к минимуму, при этом достоинства объединяются. Однако и стоимость подобных автомобилей выше, если сравнивать их с традиционными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

Гибридная силовая установка сочетает двигатель внутреннего сгорания и электромотор, что обеспечивает меньший расход топлива и снижает токсичность выхлопных газов. Однако чем экономичнее гибридный автомобиль, тем более емкие аккумуляторы ему требуются и, следовательно, тем выше его цена.

Существует также три основные схемы устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная. Последовательная гибридная схема появилась первой (ее придумал в 1899 г. Фердинанд Порше), но в легковых автомобилях распространена меньше. По ней, например, построены силовые агрегаты карьерных самосвалов, некоторых автобусов и локомотивов. В последовательной схеме колеса приводит в движение электромотор, а малолитражный ДВС крутит генератор, вырабатывающий электроэнер-

155

гию. Здесь отсутствует необходимость в коробке передач и мощном двигателе внутреннего сгорания. Зато требуются аккумуляторы, как правило, никельметаллогидридные, большой емкости.

В настоящее время самая распространенная схема – параллельная. Она запатентована еще в 1905 г. немцем Генри Пипером. Ей отвечают почти все умеренные гибриды. Они оснащаются мощным электромотором (10–15 кВт), который помогает двигателю внутреннего сгорания при разгоне, а при торможении запасает рекуперативную энергию. В качестве трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача.

Компания «Honda» нашла возможным оснастить свое бензоэлектрическое купе CR-Z шестиступенчатой «механикой». В качестве источника питания используются литиево-ионные или литиево-полимерные аккумуляторы. Умеренные гибриды не требуют емких батарей на борту, благодаря чему доступны по цене. Однако некоторые автопроизводители присматриваются к дорогим суперконденсаторам, которые способны кратковременно отдавать ток очень высокой мощности.

Распространены также смешанные, или последовательно-параллельные, гибриды. Классические представители этого семейства – хэтчбек Toyota Prius и автомобили Lexus с индексом h, оснащенные фирменным «синергитическим» приводом HSD (Hybrid Synergy Drive). Рассмотрим принцип его работы: благодаря планетарной передаче и возникает синергия – взаимодействие двигателя внутреннего сгорания и электромотора. ДВС крутит колеса в паре с электромотором, одновременно вращая генератор. В традиционной коробке передач нет необходимости: электроника регулирует обороты моторов и генератора, превращая такую систему в бесступенчатую трансмиссию ECVT.

Большинство двигателей, установленных на гибридах, – бензиновые. Многие работают по циклу Аткинсона с более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели. Распространение, казалось бы, более экономичных дизельэлектрических силовых установок сдерживает прежде всего то, что большинство гибридов продаются в незнакомой с дизелем Америке. Кроме того, дизельный мотор дороже бензинового, а это лишь увеличивает немалую цену гибрида.

Выходом из данной ситуации является приобретение гибридной модели либо электромобиля. Длятся и разработки каров с водородными движками. Но в данный момент ситуация вокруг их сродни замкнутому кругу. Компании не желают открывать специальные АЗС, пока такие авто не выпускаются серийно, а автопроизводители не могут начать выпуск таковых моделей, пока их негде заправить. Но на самом деле это только верхушка айсберга. Основная неувязка – добыча топлива. Водород можно извлечь из природного газа, но в этом случае возникают вредные выбросы в атмосферу и пропадает основная привлекательность техники – экологическая чистота. Второй, наиболее сложный, метод – получение водорода методом электролиза из воды в топливных ячейках. При этом

156

выделяется огромное количество электроэнергии, которая приводит в движение электромотор. Таким образом, выходит гибридная силовая установка нового типа. В результате возникает еще одна неувязка, знакомая производителям электромобилей, – необходимость сильной аккумуляторной батареи для скопления энергии. Доступные соляные батареи – томные и не обеспечивают огромного запаса хода, а массивные литий-ионные – хотя и легче, но очень дорогие.

По сути, водородные автомобили на топливных ячейках – это электромобили. Ведь и в тех и в других движение осуществляется благодаря вращению электромотора. Разница лишь в источнике питания: электромобиль получает энергию от предварительно заряженного аккумулятора, а водородный – от пакета топливных ячеек, в котором при окислении водорода образуются электрическая энергия и вода.

Главным компонентом силовой установки и основным источником энергии FCX Clarity служит революционный пакет водородных топливных ячеек третьего поколения V Flow Stack. Инженерам компании удалось создать удивительно компактный и эффективный реактор – он в 3 раза легче пакета ячеек первого поколения, разработанного в 1999 г., почти втрое компактнее, а его удельная мощность увеличена в 4 раза. Если прежде проблема оптимального размещения пакета ячеек на шасси ставила дизайнеров в тупик, то сейчас небольшой металлический ящик размером с системный блок компьютера легко помещается в центральном тоннеле. В новом V Flow Stack газопроводящие каналы стали на 17 % тоньше. Исходные газы проходят сквозь ячейки вертикально, сверху вниз: такая компоновка упрощает дренаж воды с генерирующих слоев ячейки, что крайне важно для устойчивого процесса генерации электроэнергии. Но что еще более важно, в дизайне пакета V Flow Stack для подвода рабочих газов на электроды и эффективного охлаждения ячеек применяются не прямые, как прежде, а волнообразные проводящие каналы.

Топливный элемент – устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.

Принцип «топливного элемента» в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах.

Принцип действия ТЭ был открыт еще в 1839 г. Тогда английский физик сэр Уильям Гроув обнаружил, что процесс электролиза, при котором вода с помощью электрического тока разлагается на составляющие ее водород

икислород, обратим. Нужно лишь подобрать соответствующий катализатор,

иводород с кислородом будут соединяться в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Конструкций ТЭ множество, но далеко не все подходят для бортового использования на автомобилях. Одни обладают высоким КПД, но требуют только чистых водорода и кислорода. Другие способны питаться природным газом, но при работе нагреваются до 900 °С. Пока для

157

автомобилей наиболее подходят топливные элементы на так называемых протонообменных мембранах, разработанные в середине 80-х гг. На одну сторону такой мембраны подается под давлением водород на поверхность анода, при этом он распадается на два иона и два электрона (катализатор ускоряет этот процесс). Электроны уходят во внешнюю цепь, образуя электрический ток, и попадают на катод. В это же время на катод также поступает кислород из воздуха, который рекомбинирует с ионами водорода, прошедшими через мембрану, и электронами из внешней цепи, образуя воду. Этого достаточно, чтобы при реакции «холодного горения» мембрана выдавала напряжение от 0,7 до 1 В, нагреваясь при этом всего до 80 °С. Последовательно соединяя такие мембраны в батареи, можно создать достаточно мощный источник энергии для современного автомобиля (рисунок).

Автомобиль, работающий на топливных элементах, – это фактически электромобиль, который вместо подзарядки от электросети заправляется водородом на специальных заправочных станциях.

Рис. Принцип действия топливного элемента

Волнообразные каналы-сепараторы – критически важный элемент пакета, насчитывающего несколько сотен плоских топливных ячеек, собранных в виде сэндвича. Топливная ячейка состоит из двух электродов, разделенных пленочной электролитической мембраной, и двух диффузионных слоев – по одному на анод (водородный) и катод (кислородный электрод).

Каждая ячейка изолирована от других соседних ячеек разделительными слоями-сепараторами, пронизанными тончайшими волнообразными каналами, доставляющими на электроды водород и кислород. Отдельный вертикальный канал предназначен для отвода воды с поверхности электродов. Газопроводящие каналы в слое-сепараторе ориентированы вертикально, а горизонтальные волнообразные каналы системы охлаждения обвивают их, как волокна в ткани. Волнообразная форма на порядок увеличивает объем каналов и создает турбулентность

158

газов, необходимую для их эффективного распределения по поверхности. Производительность ячеек в пакете V Flow Stack новой FCX Clarity на 10 % выше, чем у ячеек предыдущего поколения.

Для нормальной работы ячеек критически важен стабильный температурный режим. Волнообразная форма каналов позволила вдвое уменьшить их количество. Если раньше на одну ячейку приходился один канал, то теперь один канал с охлаждающей жидкостью осуществляет отвод лишнего тепла сразу от двух ячеек. В результате японским инженерам удалось снизить размеры всего пакета на 20 % по длине и на 30 % по высоте. Эффективный вертикальный дренаж воды, образующейся во время реакции окисления водорода, позволил резко улучшить рабочие характеристики пакета при низких температурах. Новая FCX Clarity спокойно заводится при температуре –30 °С, а время прогрева пакета до оптимальной рабочей температуры снизилось в 4 раза.

Следующим шагом после улучшения эксплуатационных характеристик батарей стало усовершенствование двигателя – электромотора постоянного тока. За два года до этого инженеры Honda создали достойный агрегат для концептуального электромобиля EV Plus, и руководство проекта приняло решение использовать его модифицированную версию с соосной интегрированной транс-

миссией на FCX Clarity.

Ротор на постоянных магнитах полый, внутри проходит главный вал трансмиссии. Количество магнитов снижено с 12 до 8, для повышения прочности конструкции внутри ротора установлено центральное ребро жесткости. Новые магниты обеспечивают на 20% лучший удельный крутящий момент и на 50% более высокую мощность узла, чем у стандартного электромотора EV Plus. Вал ротора получил новые опорные подшипники пониженного трения, что положительно отразилось на динамических свойствах мотора. Специалисты отмечают, что он отличается удивительно тихой и мягкой работой во всем диапазоне оборотов вплоть до 12 500 об/мин.

Соосное расположение мотора, компактной трансмиссии и преобразователя напряжения Power Drive Unit (PDU), отвечающего за изменение характеристик притока электроэнергии на силовую установку, позволило собрать все эти три элемента в едином корпусе с общей системой охлаждения. В итоге двигатель и трансмиссия новой FCX Clarity стали меньше на 16 см в длину и на 24 см в высоту в сравнении с аналогичным узлом предыдущего поколения. При этом максимальная мощность установки возросла на 20 % и составила 134 л.с. Крутящий момент вызывает уважение даже у обладателей дизельных автомобилей – полноценные 256 Н·м с самых низких оборотов.

Один из главных аспектов использования водородных автомобилей – снижение вредных выбросов в атмосферу. Водородный автомобиль намного эффективнее бензинового и электрического аналогов. Топливная ячейка обладает КПД примерно 80 %, но полученную энергию нужно еще превратить

159

в кинетическую энергию вращения колес автомобиля. Электрический мотор и трансмиссия имеют такой же КПД – 80 %. Таким образом, водородный автомобиль обладает теоретическим КПД 64 %. Honda заявляет, что эффективность модели FCX Clarity равна 60 %. Для сравнения, бензиновый автомобиль превращает в механическую работу всего 20–30 % энергии, содержащейся в топливе. Электромобиль способен использовать чуть более 70 % энергии аккумулятора.

Для сравнения возьмем автомобили Honda различных типов двигательных установок, один из самых экономичных дизелей – VW Jetta Diesel и спортивный(!) электромобиль Tesla Roadster. Для сравнения выбраны малолитражные автомобили, не сильно различающиеся по весу со спортивным электромобилем. Почему выбран именно спортивный вариант электромобиля? Потому что известен большой расход топлива спортивных автомобилей и, таким образом, выбрав Tesla Roadster для сравнения, мы имеем преимущество перед другими участниками нашего исследования.

Поскольку электромобиль в настоящее время является, в основном, средством внутригородской коммуникации, сравнивать будем расход энергии на передвижение в смешанном цикле. Для всех автомобилей были выбраны минимальные цифры расхода топлива (таким образом, в нашем исследовании участвуют самые экономичные двигатели из имеющихся в данной линейке версий автомобиля).

Суммарная эффективность переработки, доставки и заправки взята из ста-

тьи «The 21st Century Electric Car» by Martin Eberhard and Marc Tarpenning, Tesla

Motors Inc. Wednesday, July 19, 2006.

Теплота сгорания различных видов топлива взята из книги: «А.С. Енохович. Справочник по физике и технике. Москва, 1989». Для бензина теплота сгорания принята 30,8 Мдж/л, для дизтоплива – 36,3 МДж/л, водород – 120 МДж/кг, природный газ – 45 МДж/кг.

Для водородных топливных элементов получение водорода принято, исходя из наиболее недорогой технологии производства – путем окисления метана природного газа парами воды эффективность данного метода около 61 % (на весь процесс от добычи природного газа до заправки в бак автомобиля). Отметим, что в современных установках по электролизу воды КПД процесса составляет чуть более 60 %.

Электроэнергию для зарядки электромобиля можно получить на атомных электростанциях или из возобновляемых источников (при помощи солнечных батарей, гидроили ветроэлектростанций). Однако трудно рассчитать эффективность этих методов получения электроэнергии, поэтому для рассчетов взята электроэнергия, производимая на ТЭЦ при сжигании природного газа. Для сравнения энергоэффективности различных типов автомобилей данные расчетов объединены в таблицу.

160