Monthly Archives: Август 2017

Водород как топливо для автомобилей

В настоящее время многие технические вопросы по внедрению водородной энергетики решены. Все ведущие автомобильные компании имеют концептуальные модели машин, работающих на водороде. Существуют станции заправки этих автомобилей. Однако стоимость водорода пока намного выше, чем бензина или природного газа. Чтобы новая отрасль стала коммерчески оправданной, необходимо выйти на новый уровень получения водорода и снизить цену на него.

Получение водорода

Сейчас известно около десятка методов получения водорода из разных исходных материалов. Самый известный — гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока, но он требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов.

Разрабатываются методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей — электроотрицательных металлов и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они позволяют получать из воды любое количество водорода. Еще одним способом выделения водорода из воды может стать ее фотоэлектрохимическое разложение под действием солнечного света.

К распространенным методам относятся парофазная переработка метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.

Отдельная тема — разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья — продукта переработки биомассы. Но при этом наряду с водородом образуются значительные количества окиси углерода (СО), который необходимо утилизировать.

Еще один перспективный метод — процесс каталитической паровой переработки этанола. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа. Также все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение водорода из сероводорода и большими запасами этого соединения в природе — в воде морей и океанов, в природном газе. Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности.

Водород можно получать с использованием плазменных технологий. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы. В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны — устройства, генерирующие плазменную струю.

Хранение водорода

Для хранения водорода непосредственно в автомобиле существуют следующие способы: газобаллонный, криогенный, металлогидридный.

В первом случае водород хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При этом масса водорода составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны. Это не говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют особых мер предосторожности из-за опасности взрыва.

Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это достаточно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% той энергии, которая получится при использовании полученного водорода. Но, как-бы ни была совершенна теплоизоляция, водород в баке нагревается, давление увеличивается и газ стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Всего несколько дней – и баки пусты!

Самыми перспективными являются твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» не менее 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Как только материал будет найден — его подхватят технологи, и процесс «водородизации» пойдет.

Honda Jazz

Гибридный автомобиль внешне ничем не отличается от обычного бензинового Jazz. Отличия только в «начинке». Силовой агрегат IMA (Integrated Motor Assist) для Jazz Hybrid, не мудрствуя, взяли от Honda Insight. Он включает в себя бензиновый мотор объемом 1,3 литра с системой i-VTEC и установленный на оси коленвала сверхтонкий бесколлекторный электродвигатель (для снижения толщины в обмотках применен провод овального сечения). ДВС выдает 88 л.с. и 121 Н/м, а электромотор – 14 л.с. и 78 Н/м. При снаряженной массе около 1200 кг IMA может разогнать машину до 177 км/ч. В качестве источника питания используется никель-металлгидридная батарея напряжением 110 В.

Коробка передач – бесступенчатый вариатор CVT. При этом присущего многим «вариаторным» машинам надоедливого шума при разгоне нет – электродвигатель помогает ДВС, компенсируя недостаток тяги. Поэтому обороты мотора нарастают плавно, а набирает скорость автомобиль энергично. Особенно заметна помощь электромотора в городском режиме, так как он выдает максимальный крутящий момент при 1000 об/мин. До сотни гибридный Jazz разгоняется за 12,6 секунды, всего на полсекунды медленнее бензинового. Но ведь и весит он на 70 кг больше. По этой причине пришлось применить амортизаторы с другими характеристиками, новый передний стабилизатор и более жесткий задний. Однако увеличение жесткости подвески привело к подробному «считыванию» всех дефектов дороги.

Для экономии топлива в некоторых режимах ДВС отключается. Например, при движении под уклон или накатом с малой скоростью система VCM (Variable Cylinder Management) закрывает клапана и прекращает подачу бензина. При желании водитель может включить режим Econ, при котором система управления двигателем не допустит расточительства – как ни дави на педаль, «зажечь» не получится. Автомобиль, кстати, сигнализирует водителю о режиме езды цветом приборной панели: зеленый цвет свидетельствует об экологичном стиле, а чуть «рванешь» — панель становится синей.

Для снижения расхода топлива и уменьшения выбросов вредных веществ улучшили аэродинамику, закрыв моторный отсек и днище защитными панелями и установили шины с низким сопротивлением качению. В совокупности все вышеперечисленные меры позволили добиться расхода топлива 4,5 л/100 км в смешанном цикле и понизить выброс углекислого газа до 104 г/км.

Но в целом преимущества гибрида выглядят довольно призрачными. Более-менее заметная экономия достигается только при городской езде. А на трассе либо нужно тащиться в правом ряду, либо, плюнув на экономию и экологию, ехать как все. Но зачем тогда переплачивать, ведь цена гибридного Jazz на 15% выше бензинового?

Снижение веса автомобилей

Законодательные ограничения выбросов вредных веществ заставляют автопроизводителей искать все новые и новые средства снижения расхода топлива. Одним из направлений является уменьшение массы автомобиля. Большой автомобиль имеет свои преимущества – прежде всего в безопасности и комфорте. Но вектор развития поменялся в направлении экономии и экологии. Поэтому внимание потребителя обращается на преимущества легкого автомобиля: его проще разогнать и остановить, им легче управлять, при ДТП он наносит меньший вред другим машинам. Снижение веса автомобиля на каждые десять процентов дает топливную экономию в шесть процентов.

Противники утверждают, что применение алюминия и углепластика повышает стоимость машины и производители, таким образом, больше заботятся о своей прибыли. А производство того же алюминия далеко не экологично, и сводит на нет снижение выбросов автомобилей.

Но факт остается фактом: все крупные автоконцерны взяли курс на снижение массы. И в первую очередь это касается кузова. Его облегчённая конструкция означает возможность применения более компактных тормозной системы и двигателя, топливного бака меньшего размера и так далее.

Облегчение кузовов идет по нескольким направлениям: оптимизация структуры кузова, применение легких материалов и внедрение новых производственных процессов. К последним относятся, например, технологии сваривания лазером, трением, или способы изготовления деталей методом горячей штамповки или гидроформовки.

Основные материалы для производства современных кузовов – это сверхпрочные стали и алюминий. Причем, прочность стали за последние два десятка лет возросла в разы, а алюминиевых сплавов – на четверть. Более широкое применение алюминия сдерживает его высокая цена. Но такие гиганты как Audi, BMW, Mercedes все большее внимание уделяют разработке и внедрению композитных материалов. Композит – материал, состоящий из армирующего и связующего компонентов. Армирующий придает детали прочность и жесткость, а связующий – нужную форму. Важным условием является расположение армирующих волокон строго в направлении приложенной нагрузки. Если же сила будет направлена поперек волокон, композит не выдержит. Поэтому если направления прикладываемых нагрузок известны, то, изменяя положение волокон, легко можно создать деталь с нужными характеристиками. Композиты имеют лучшие показатели жесткости и прочности, чем высокопрочная сталь. При ударном сжатии труба из армированного пластика не сминается, как стальная, а полностью разрушается. Удельная энергия, поглощаемая углепластиком, при этом вчетверо выше. Почему же такой идеальный со всех точек зрения материал до сих пор широко не применяется при создании кузовов? Причин несколько: высокая цена, низкая технологичность, нет существенного выигрыша в весе. Например, в углепластике нежелательно сверлить отверстия, так как прочность от этого падает намного больше, чем у стали.

Но, по всей видимости, технологический прорыв произойдет именно в композитных материалах. В BMW, например, считают, что несущие обшивки вполне можно изготавливать из двух тонких композитных листов, пространство между которыми заполнено алюминиевыми сотами или вспененным полимером. Капот для М3, изготовленный по такой экспериментальной технологии, весит всего 5 кг! Пока же из композитов изготавливают менее нагруженные элементы, например, разного рода кронштейны. При той же прочности они получаются гораздо легче стальных и алюминиевых. Углепластиковые тормоза вдвое легче стальных, но намного дороже, а главное, эффективны только после разогрева.

Резервы снижения веса инженеры находят не только в кузове. Например, инженерам Форда удалось снизить даже вес пластика! Суть идеи в том, чтобы при производстве пластиковых деталей производится инъекция пузырьков газа: они создают структуру, схожую с пористым шоколадом. Благодаря крошечным «пустым» пространствам деталь становится легче без потери целостности.

А теперь — только факты, наглядно иллюстрирующие изобретательность специалистов в вопросе снижения веса (без указания конкретных моделей и производителей).

Каталитический нейтрализатор весом 24 кг стал легче на 10 кг за счёт применения нержавеющей стали с высоким содержанием хрома. Замена электромоторчика в кондиционере позволила выиграть 317 грамм. Армирование алюминиевых панелей передка стекловолокном позволило снизить вес автомобиля на 100 грамм. Соединение алюминиевых профилей фрикционной сваркой облегчило машину на 600 грамм. Магний, примененный в конструкции рулевого колеса, сэкономил 400 грамм. В коробке передач замена отдельных алюминиевых деталей магниевыми отняло 760 грамм. Оптимизация расположения проводки помогла уменьшить её длину и сэкономить 2,68 кг, пластиковые корзины и неодимовые магниты динамиков акустической системы сберегли еще килограмм. Комбинация алюминиевой ступицы и чугунного диска позволила снизить массу на 20% по сравнению со стальными тормозами. Вставки из вспененного полимера привели к снижению веса колеса на 1,5 кг.

Система бортовой самодиагностики

Система EOBD проверяет следующие элементы.

Каталитический нейтрализатор. Блок управления двигателя сравнивает значения напряжения на датчиках кислорода, установленных на входе и выходе нейтрализатора, и вычисляет соотношение, по которому оценивается его эффективность работы. Если это соотношение выходит за пределы заданного диапазона, система управления двигателя определяет наличие неисправности каталитического нейтрализатора, а в памяти неисправностей регистрируется соответствующий код. Кроме того, о неисправности сообщается водителю посредством сигнальной лампы токсичности отработавших газов.

Лямбда-зонды. Системой EOBD проводится: диагностика нагревателя лямбда-зонда, проверка времени реакции датчика на входе в каталитический нейтрализатор, проверка предела регулирования датчика на выходе из каталитического нейтрализатора, проверка датчика на выходе из каталитического нейтрализатора в режимах ускорения и замедления.

Система вентиляции топливного бака. Если большое количество топлива связывается в фильтре с активированным углём, топливовоздушная смесь обогащается путем подмешивания этого связанного фильтром топлива к впускаемому воздуху. В обратном случае смесь обедняется. Это изменение регистрируется датчиком на входе в каталитический нейтрализатор и служит подтверждением правильной работы системы вентиляции топливного бака.

Обнаружение пропуска воспламенения для каждого цилиндра может проводиться двумя методами:

Метод обнаружения неравномерности в работе двигателя. Датчики частоты вращения коленчатого вала отслеживают неравномерности вращения, вызванные пропуском воспламенения. По этим данным, используемым совместно с сигналом от датчика положения распределительного вала, блок управления двигателя определяет, какой цилиндр является источником проблемы, регистрирует неисправность в памяти и включает сигнальную лампу токсичности отработавших газов.

Метод мгновенного анализа. Этот метод предполагает сравнение неравномерной частоты вращения коленчатого вала, возникающей из-за пропуска воспламенения, с заданными расчётными входными величинами в блоке управления двигателя на основе данных от датчика частоты вращения коленчатого вала и датчика положения распределительного вала.

Если существует опасность повреждения каталитического нейтрализатора в случае пропуска воспламенения, а кривая скорости находится в диапазоне опасной нагрузки на двигатель, сигнальная лампа токсичности отработавших газов начинает мигать. Подача топлива в соответствующий цилиндр отключается.

Рециркуляция отработавших газов. В момент подачи отработавших газов во впускной коллектор датчик давления во впускном коллекторе определяет увеличение давления (т.е. уменьшение разрежения). Блок управления двигателя сравнивает значение изменения давления с объемом поданных отработавших газов и выводит из этого значения величину, обеспечиваемую системой рециркуляции отработавших газов.

Система подачи вторичного воздуха. Датчик на входе в каталитический нейтрализатор (широкополосный датчик) используется для проверки работы системы впуска вторичного воздуха.

Диагностика предельного давления наддува. Датчик давления наддува передает данные в блок управления двигателя, который определяет неисправность. Но регистрации информации в памяти в этом случае может оказаться недостаточно. Необходимо также отключить турбонагнетатель для предотвращения повреждения двигателя. Для этой цели выпускной клапан турбонагнетателя открывается, и отработавшие газы направляются в обход турбонагнетателя.

Электронная система регулирования мощности. Проверяются датчик положения педали акселератора и датчик угла открытия дроссельной заслонки. О наличии неисправностей сообщает сигнальная лампа электронной системы регулирования мощности (EPC). Если неисправность остаётся и в последующих циклах работы двигателя, система EOBD также включает сигнальную лампу токсичности отработавших газов.

Шина данных CAN. Каждый блок управления двигателя получает информацию о других блоках управления, которые обмениваются информацией по шине данных CAN. Если минимально допустимое количество сообщений не было получено, регистрируется неисправность.

Самодиагностика. Для обеспечения нормальной работы электрических устройств, влияющих на состав отработавших газов, система EOBD непрерывно проверяет их состояние. Кроме того, во время движения производится регулярная диагностика всех систем, влияющих на состав отработавших газов. Результаты диагностики отражаются в коде готовности. Код готовности используется в качестве подтверждения того, что диагностика была выполнена до конца и без ошибок. Этот код не предоставляет информации о том, какие неисправности были обнаружены в системе. Для генерирования и считывания кода готовности можно воспользоваться тестером автомобильных систем, прибором для считывания кодов несправностей, информационно-измерительной системой диагностики.

Honda Insight

Insight – классический пример параллельного гибрида, в котором ДВС и электродвигатель вращают ведущие колеса совместно. В хондовской системе IMA (Integrated Motor Assist) электромотор расположен на одной оси с коленвалом бензинового мотора и предназначен только для помощи ему. На одной электротяге такой гибрид двигаться не может. Электродвигатель работает при разгоне и при движении на малых скоростях, а при торможении переходит в режим рекуперации, подзаряжая батарею.

С 1999 года по 2006 выпускалось первое поколение Insight, которое особого успеха не имело (продано всего лишь около 17000 машин). В 2009 году появилось второе поколение. Обновленный автомобиль представляет собой пятиместный переднеприводной хэтчбек снаряженной массой 1200 кг. Бензиновый ДВС объемом 1,3 литра имеет мощность 88 л.с. и крутящий момент 121 Нм. Для экономии топлива в нем предусмотрены системы изменения фаз газораспределения (i-VTEC) и отключения цилиндров (VCM)Электродвигатель развивает мощность 14 л.с. и 78,5 Нм при 1000 об/мин. В отличие от первого поколения, он уже может обеспечить старт и непродолжительное движение на скорости до 25 км/ч без участия ДВС. Питает IMA никель-металлгидридная батарея напряжением 100 В и весом всего 38 кг. Гарантия на ее безотказную работу – 8 лет или 150000 км и работоспособность ее сохраняется вплоть до -35 градусов. Для запуска ДВС и питания электропотребителей используются обычные 12 вольтовая АКБ, стартер и генератор. Пара ДВС-электромотор передает крутящий момент на ведущие колеса через мокрое сцепление и клиноременной вариатор.

Разгон до 100 км/ч занимает 12,6 секунды, а максимальная скорость – 186 км/ч. По паспорту расход составляет 4,6 литра в городском режиме, 4,2 л за городом, и 4,6 л в смешанном цикле. На практике же он находится в пределах 5,0-5,5 литров в комбинированном режиме. Выбросы СО – 101 г/км. Стихия Insight – город. Благодаря системам рекуперации и «старт-стоп» именно там проявляются все его преимущества. Если же вы большую часть времени ездите по трассе, то дизель предпочтительнее.

Объём багажника 408 литров. Базовая комплектация довольно солидная: шесть подушек безопасности, включая шторки, система стабилизации, климат-контроль и масса других удобств. Салон приятный и удобный. Все «электрохозяйство» расположено под полом. Спинки задних сидений складываются.

Производится Honda Insight только в Японии, а продается, кроме родины, еще в США и Европе. Стоимость в Японии от 20 700 долларов, в США — от 18 500 долларов. Общий объем продаж по планам Honda — около 200 000 автомобилей в год. Половина от этого количества будет приходиться на США. Американцы, кстати, настаивали, чтобы новый Insight выпускался в кузове седан, но японцы рассудили, что хэтчбек предпочтительнее. Во-первых, лучшая аэродинамика (Сх=0,28) снижает расход топлива, а во-вторых, в Европе седаны особо не жалуют.

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Никель-металлгидридные аккумуляторы пришли на смену никель-кадмиевым и никель-водородным батареям. В Ni-MH аккумуляторах положительный электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, изготавливается из оксидно-никелевого сплава, а отрицательный — из сплава никеля с редкоземельными металлами, поглощающий водород. Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является именно водород-абсорбирующий сплав, который может поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий свой собственный объем. Эти сплавы состоят из двух или нескольких металлов, один из которых абсорбирует водород, а другой является катализатором, способствующим диффузии атомов водорода в решетку металла. Количество возможных комбинаций применяемых металлов практически не ограничено, что дает возможность оптимизировать свойства сплава. Применение этих материалов для изготовления отрицательного электрода позволило повысить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора. Поэтому никель-металлгидридные аккумуляторные батареи отличает высокая энергетическая плотностьпо сравнению с предшественниками. Так как при их производстве используются нетоксичные материалы, то легче решается и проблема утилизации отработанных аккумуляторов. У Ni-MH аккумуляторов, в отличие от Ni-Cd, нет "эффекта памяти".

Технические характеристики

Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы Ni-MH аккумулятора в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка понижается с увеличением глубины и скорости разряда и зависит от скорости заряда. Ускоренный (за 4 — 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. В зависимости от типа, режима работы и условий эксплуатации аккумуляторы обеспечивают от 500 до 1000 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы от 3 до 5 лет. С повышением нагрузки(уменьшение времени разряда) и при понижении температуры емкость Ni-MH аккумулятора уменьшается. Особенно заметно действие снижения температуры на емкость при больших скоростях разряда.

Условия эксплуатации и хранения

При хранении происходит саморазряд Ni-MH аккумулятора. За месяц при комнатной температуре потеря емкости составляет 20-30%, а при дальнейшем хранении потери уменьшаются до 3-7% в месяц. Скорость саморазряда повышается при увеличении температуры. Ni-MH аккумуляторы чувствительны к перезаряду. В течение заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется теплота, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термопредохранители или термореле. Ni-MH аккумуляторы имеют сравнительно узкий температурный диапазон эксплуатации: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 градусов и выше +40 градусов.

Применение в гибридных автомобилях

В гибридных автомобилях применяются Ni-MH аккумуляторыпрямоугольной конструкции. В них положительные и отрицательные электроды размещены поочередно, а между ними размещается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. В Ni-MH аккумуляторах используется щелочной электролит, состоящий из КОН с добавкой LiOH. Хотя большинство специалистов уверены, что будущее за литий-ионными батареями, на многих гибридных автомобилях используются никель-металлгидридные аккумуляторы. Они существенно дешевле, а их производство технологически отработано. Проигрывают же они в весовом качестве (отношении запасенной энергии к массе) и диапазоне зарядки (от 40 до 60%) — всего 20% общей емкости.

Топливные элементы

Топливная ячейка (Fuel Cell) — это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором.

Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC).

Ячейки с протонной мембраной

Топливная ячейка с протонной обменной мембраной работает следующим образом. Между анодом и катодом находятся специальная мембрана и катализатор с платиновым покрытием. На анод поступает водород, а на катод — кислород (например, из воздуха). На аноде водород при помощи катализатора разлагается на протоны и электроны. Протоны водорода проходят через мембрану и попадают на катод, а электроны отдаются во внешнюю цепь (мембрана их не пропускает). Полученная таким образом разность потенциалов приводит к возникновению электрического тока. На стороне катода протоны водорода окисляются кислородом. В результате возникает водяной пар, который и является основным элементом выхлопных газов автомобиля. Обладая высоким КПД, РЕМ-элементы имеют один существенный недостаток — для их работы требуется чистый водород, хранение которого является достаточно серьезной проблемой.

Если будет найден такой катализатор, который заменит в этих ячейках дорогую платину, тогда сразу же будет создан дешевый топливный элемент для получения электроэнергии, а значит, мир избавится от нефтяной зависимости.

Твердооксидные ячейки

Твердооксидные ячейки SOFC значительно менее требовательны к чистоте топлива. Кроме того, благодаря использованию РОХ-реформера (Partial Oxidation — частичное окисление) такие ячейки в качестве топлива могут потреблять обычный бензин. Процесс превращения бензина непосредственно в электричество выглядит следующим образом. В особом устройстве — реформере при температуре около 800 °С бензин испаряется и разлагается на составные элементы. При этом выделяется водород и углекислый газ. Далее, также под воздействием температуры и при помощи непосредственно SOFС (состоящих из пористого керамического материала на основе окиси циркония), водород окисляется кислородом, находящимся в воздухе. После получения из бензина водорода процесс протекает далее по описанному выше сценарию, с одной лишь разницей: топливная ячейка SOFC, в отличие от устройств, работающих на водороде, менее чувствительна к посторонним примесям в исходном топливе. Так что качество бензина не должно повлиять на работоспособность топливного элемента. Высокая рабочая температура SOFC (650–800 градусов) является существенным недостатком, процесс прогрева занимает около 20 минут. Зато избыточное тепло проблемы не представляет, поскольку оно полностью выводится оставшимся воздухом и выхлопными газами, производимыми реформером и самой топливной ячейкой. Это позволяет интегрировать SOFC-систему в автомобиль в виде самостоятельного устройства в термически изолированном корпусе. Модульная структура позволяет добиваться необходимого напряжения путем последовательного соединения набора стандартных ячеек. И, возможно, самое главное с точки зрения внедрения подобных устройств — в SOFC нет весьма дорогостоящих электродов на основе платины. Именно дороговизна этих элементов является одним из препятствий в развитии и распространении технологии PEMFC.

Системы нейтрализации выхлопных газов

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (каталитический нейтрализатор). Постоянное повышение экологических требований к выбросам вредных веществ заставляет автопроизводителей совершенствовать системы нейтрализации.

Системы нейтрализации бензиновых двигателей

Еще при введении норм Евро-3 в методику испытаний добавили режим холодного пуска: измерения производятся сразу же после запуска двигателя при температуре -7 градусов. При отрицательных температурах смесь нужно сильно обогащать – количество СО и СН при этом в выхлопных газах резко возрастает. А не успевший прогреться до рабочей температуры каталитический нейтрализатор практически бездействует.

Для решения этой проблемы было найдено несколько способов. Первый, сравнительно простой – расположить нейтрализатор не под днищем автомобиля, а поближе к выпускному коллектору. Так появились катколлекторы, в которых два узла объединены в один. Для более быстрого прогрева их изготавливают не из чугуна, а из тонкой стали. Чтобы уменьшить потери тепла предусматривается теплоизоляция.

Ускорить прогрев нейтрализатора можно и другим способом – добавить в выхлопные газы воздуха с одновременным обогащением топлива. Таким образом «лишняя» горючая смесь, догорая вне цилиндра, повышает температуру отработанных газов, а они, в свою очередь, быстрее нагревают нейтрализатор. В двигателях с непосредственным впрыском того же эффекта добиваются подачей дополнительной порции бензина во время рабочего хода. Есть и третий способ – разогрев нейтрализатора электрическим термоэлементом.

Повысить точность работы системы нейтрализации удалось добавлением второго датчика кислорода. Первый предназначен для контроля качества смеси – богатая она или бедная. А по показаниям второго контроллер более точно корректирует работу системы топливоподачи. Еще более совершенными являются широкополосные датчики – они способны определять, насколько соотношение воздуха и бензина отличается от стехиометрического.

Произошли изменения и в материале изготовления сот нейтрализатора. Мы привыкли к тому, что их изготавливают из керамики. Но она имеет ряд недостатков – в силу своей хрупкости не переносит тряски и ударов, быстро разрушается некачественным топливом или в случае нарушений в работе ЭСУД. В настоящее время все больше применяются соты из металлической проволоки. Они медленнее прогреваются и имеют меньшую рабочую поверхность, зато легко переносят механические воздействия и высокие температуры. Очень важно также то, что металлические соты создают намного меньшее сопротивление потоку выхлопных газов.

Еще одну проблему пришлось решать для современных двигателей с непосредственным впрыском, которые способны работать на бедных смесях. При этом достигается заметная экономия топлива, однако количество оксидов азота в выхлопных газов также значительно возрастает. Обычный нейтрализатор не в состоянии с ними справиться. Поэтому в выпускную систему дополнительно вводится NO-накопитель. Конструктивно он практически не отличается от обычного нейтрализатора, за исключением веществ, которыми покрываются его соты. Оксиды калия, стронция, циркония, кальция, лантана, бария задерживают оксиды азота. Периодически рабочая смесь обогащается, и накопленные вредные вещества выжигаются, разлагаясь при этом на азот и углекислый газ. Располагается накопитель после нейтрализатора, так как для его работы нужна более низкая температура (около 400 градусов).

Системы нейтрализации дизельных двигателей

Другой подход нужен к дизелям. Здесь приходится бороться с углеводородами, оксидами азота и сажей (твердыми частицами). Сажевые фильтры придуманы давно. В первых конструкциях накопившуюся сажу периодически выжигали при температуре около 600 градусов, кратковременно обогащая смесь. Но при этом увеличивался выброс других вредных веществ. Поэтому в современных конструкциях сажевый фильтр объединили с окислительным нейтрализатором. Одно устройство и оксиды азота разлагает, и сажу сжигает, причем при более низкой температуре (около 250 градусов).

Для очистки выхлопа грузовиков дополнительно применяется технология SCR (Selective Catalitic Reduction). Ее суть – периодический впрыск в нейтрализатор раствора мочевины (AdBlue). Там она превращается в аммиак и вступает в реакцию с оксидами азота. В результате образуются безвредные азот и вода.

Однако возможности ученых и изобретателей не безграничны. Нормы Евро-6, по всей видимости, — предел, достижимый современными ДВС. А дальше придется искать другие экологически чистые источники энергии.

Каким должен быть биодизель

В марте 2009 года Комитетом Всемирной Топливной Хартии (WWFC) были представлены Руководства по биодизелю и биоэтанолу. Быстрый рост использования этанола и биодизеля вызвал потребность в большей информации об этих важных возобновляемых видах топлива. Так же как и для обычных бензина и дизельного топлива, качество биотоплива должно соответствовать потребностям и характеристикам двигателей и других систем автомобиля. Это особенно актуально в свете грядущих стандартов сверчистых выбросов.

Учитывая различия в производстве и методах измерения биотопливных смесей, руководство сосредоточено на качестве исходного биодизеля, используемого для изготовления готовых смесей биотоплива. Этот документ содержит рекомендации изготовителям, которые производят и используют 100% биодизельное (В100) и ДТ на нефтяной основе для получения 5% смеси биодизеля (В5). Получающееся топливо должно соответствовать рекомендациям WWFC для различных категорий рынков топлива, как и обычное ДТ.

Использование этанола и биодизеля является важным фактором для увеличения поставок бензина и дизельного топлива. В качестве возобновляемых видов топлива они имеют потенциал чтобы сократить уровень выбросов парниковых газов. Правильная рецептура также может помочь обеспечить более низкий уровень выбросов обычных загрязнителей. Ключ к достижению низких выбросов состоит в производстве сырья хорошего качества, а также смешивание и реализация готового топлива способом, который сохраняет его качество до конечного потребителя.

Этот документ выражает коллективное мнение на сегодняшний день, основанное на опыте производства биодизеля из обычного сырья, таких как рапс и соя и с учетом комментариев от всех заинтересованных сторон. Однако, техническая информация будет продолжать развиваться, так что этот документ также будет меняться.

Цель Всемирной топливной хартии состоит в продвижении высококачественных и гармонизированных видов топлива на глобальной основе для оптимизации работы двигателя и автомобиля в целом, повышения их долговечности и обеспечения наиболее чистой работы двигателей и автомобилей. Решение этой задачи принесет пользу потребителям, упростит топливные рынки, облегчит торговлю и поможет правительствам в выполнении целей государственной политики.

Биотопливо представляет особый интерес сегодня из-за их потенциала в сокращении использования топлива на основе нефти, повышения энергетической безопасности и уменьшения выбросов парниковых газов. Биодизель является одним из таких видов топлива, которое уже используется, а также другие перспективные виды топлива, такие как гидроочищенное растительное масло (НВО) и топливо, полученное из биомассы (BTL). Хорошее качество биодизеля имеет фундаментальное значение для его дальнейшего использования. Данное руководство содержит рекомендации для изготовителей, касающиеся качества биодизеля, необходимого для его использования в двигателях.

Рекомендуемые нормы в данном руководстве установлены для 100% биодизеля (B100), который предназначен для смешивания с дизельным топливом на нефтяной основе для получения смеси, содержащей не более 5% биодизеля по объему (B5), пригодной для использования в автомобилях с ДВС.  Для смесей, содержащих более высокий процент биодизеля, необходимы другие спецификации, маркировка и контроль защиты потребителей. Готовые биодизельные смеси должны отвечать требованиям, установленным хартией для соответствующей категории дизельного топлива.

Биодизелю свойственно изменение качества с течением времени. С момента производства в нем начинаются реакции окисления. Температура воздуха, а также вода и кислород, содержащиеся в нем, оказывают влияние на скорость окисления. Антиоксидантные добавки могут помочь замедлить этот процесс ухудшения качества и до некоторой степени улучшить топливную стабильность. Их эффективность зависит от того, добавлены они во время производства биодизеля, либо сразу же после его окончания. Чрезмерное использование антиоксидантов может привести к дополнительному образованию осадка. Таким образом, необходимо соблюдать осторожность при выборе типа и количества антиоксидантов. Не рекомендуется хранить готовые смеси длительное время или в неблагоприятных условиях.

Эти рекомендации основаны на опыте использования биодизеля из обычного сырья производителями двигателей и автомобилей на различных рынках по всему миру.  По мере появления новых видов сырья, свойства и нормы, указанные здесь, могут потребовать пересмотра.

Биодизель и биодизельные смеси должны иметь однородные свойства, для обеспечения надлежащего качества как до, так и после смешивания. Высокоскоростное впрысковое смешивание предпочтительнее смешивания разбрызгиванием, так как при этом обеспечивается лучшее качество топлива.

Содержание эфира (не менее 96,5 %) в топливе показывает количество сложного метилового эфира жирной кислоты (FAME) в нем, и, следовательно, является показателем качества топлива. Низкое количество эфира может означать, что не прореагировавшие соединения, такие как триглицериды, или используемые в процессе производства компоненты, такие как катализаторы (KOH/NaOH) или метанол, остались в топливе. Низкий уровень также может указывать на загрязнение не FAME соединениями. Эти примеси могут вызвать засорение топливного фильтра, отложения в двигателе и другие проблемы. Государства могут законодательно устанавливать содержания эфира в топливе.

Окислительная стабильность: (индукционный период 10 мин). Устойчивость к окислению очень важна. Устойчивость к окислению является одним из наиболее важных свойств поскольку FAME окисляется легче по сравнению с нефтяным дизельным топливом и производит продукты реакции, которые могут повредить двигателю или автомобилю. Топливо с большим числом молекул метиленовых групп, прилегающих к двойным связям, особенно восприимчивы к окислению. Процесс окисления начинается, как только растительное масло создается и продолжается до начала переэтерификации. Окисление производит пероксиды (гидропероксиды), которые подвергаются дальнейшей реакции с образованием кислоты. Молекулы могут также полимеризоваться и образуют смолы, осадок и другие нерастворимые соединения. В отличие от пероксидов, которые обычно исчезают в какой-то момент во время переэтерификации, полимеры, образующиеся при окисления не исчезают и остаются в смеси. Индукционный период – это время, в течение которого топливо может храниться до появления кислоты, что указывает на то, что топливо становится неустойчивым.

Общее кислотное число (не более 0,50 мг КОН / г)Кислотное число является мерой кислот в топливе. Эти кислоты исходит из двух источников: (I) кислоты, используемые в производстве биодизельного топлива, которые не полностью удаляются в процессе производства, и (II) кислоты, образующиеся в качестве побочного продукта в процессе окисления. Кислотное число измеряется количеством КОН (гидроксида калия), необходимого для нейтрализации одного грамма FAME. Кислотное число биодизеля будет меняться вследствие нормального процесса окисления с течением времени, и недавние исследования показали, что это изменение является хорошим индикатором B100 стабильности. Наличие кислот в топливе может нанести вред системам впрыска и другим металлическим деталям.

Цетановое число (не менее 51) является мерой воспламенения топлива и характеристик сгорания качества. Топливо с низким цетановым числом приводит к затрудненному пуску, жесткой работе двигателя, повышенному шуму и дымности выхлопных газов.