Monthly Archives: Март 2018

Водородные технологии и концепты BMW

Efficient Dynamics – стратегия развития BMW, направленная на снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. Ее ключевые аспекты – достижение наивысшей эффективности двигателей, интеллектуальное управление потоками мощности в автомобиле, снижение аэродинамического сопротивления и облегчение конструкции. В рамках этой стратегии проводятся также исследования и испытания инновационных и альтернативных силовых установок. Спектр исследований включает в себя как классические ДВС, так и гибридные технологии, использование водорода в качестве топлива и полностью электрический привод. К двум последним разработкам относится гибрид на топливных элементах и концепт с водородным реформером. Первый позволяет передвигаться в городской черте практически с нулевыми выбросами; второй же существенно уменьшает выбросы во время прогрева двигателя. Новая гибридная платформа с водородными топливными элементами предназначена для следующего поколения Mini и переднеприводных моделей BMW и планируется к выпуску в 2014 году. В настоящее время производство таких моделей сдерживает отсутствие сети водородных заправок.

Гибрид на топливных элементах с нулевым выбросом в городе.

Изготовленный на базе BMW 1-ой серии, гибрид демонстрирует новый подход к использованию водорода в качестве топлива. Автомобиль оборудован четырехцилиндровым бензиновым ДВС, электродвигателем и вспомогательной силовой установкой (ВСУ) на основе топливных элементов. Сочетание ДВС с топливными ячейками позволяет использовать обе технологии с максимальной эффективностью. Использование водорода обеспечивает необходимую дальность хода и быструю заправку. Размер топливного элемента достаточен для обеспечения движения автомобиля на малых скоростях, в то время как ДВС идеально подходит для дальних высокоскоростных загородных поездок. В условиях городского движения электроэнергия, вырабатываемая ВСУ, запасается в суперконденсаторах. Эта энергия отдается электродвигателю при разгоне и старте со светофора. Во время торможения и движения накатом электромотор работает как генератор, возвращая энергию в суперконденсаторы. Проводимые в настоящее время исследования и испытания имеют целью довести общий пробег гибрида в городском цикле до нескольких сотен километров.

Все компоненты гибрида легко устанавливаются в стандартный трехдверный кузов BMW 1 Series. ВСУ расположена под капотом вместе с ДВС, электродвигатель занимает место заднего редуктора и приводит в движение задние колеса. 82 кВт «электрической» мощности и высокий крутящий момент обеспечивают с самого старта «спортивный дух» BMW. Батарея суперконденсаторов заняла место КПП в центральном туннеле. 120-сильный ДВС крутит передние колеса. Объем бензинового бака уменьшен, что позволяет разместить рядом бак для водорода. Таким образом, внутреннее пространство кузова не уменьшилось, и в нем по-прежнему могут разместиться пять человек. Общий же вес автомобиля вырос незначительно.

Технология низкотемпературных топливных ячеек с полимерной мембраной разрабатывалась BMW с 1997 года. С самого начала исследования были направлены на создание компактной ВСУ с максимально низким весом. Концепт BMW 750hL, представленный в начале 2000-х годов, использовал блок топливных ячеек как источник бортового питания. В настоящее время производится уже четвертое поколение ВСУ. Помимо увеличения срока службы до 5000 часов, эти устройства менее сложны, а, значит, имеют более высокую надежность. Они уверенно работают при атмосферном давлении, а их КПД достигает 58%. ВСУ быстро реагирует на изменение нагрузки. Переход от режима холостого хода до максимальной мощности занимает всего лишь 5 миллисекунд. Полимерные топливные ячейки способны работать при низких температурах. Система приходит в рабочее состояние всего лишь через 30 секунд после «холодного» старта. Исследования показали, что после нескольких сотен «холодных» пусков параметры ВСУ не изменились.

ВСУ нового гибрида обеспечивает электропитанием всех потребителей сети аналогично с концептом BMW 750hL. При этом они не отбирают мощность ДВС. Это позволяет также улучшить и некоторые функции комфорта. Например, кондиционер или медиа-системы могут работать во время стоянки, питаясь от батареи топливных ячеек. ВСУ обеспечивает небольшую мощность на протяжении длительного периода времени; энергия же, запасенная в суперконденсаторах, позволяет развивать высокую мощность в течение короткого временного отрезка. Совместная работа этих устройств позволяет добиться идеального движения в городских условиях.

Реформер : меньше выбросов при холодном пуске.

Концепт с реформером изготовлен на базе пятидверной BMW 1 серии. Известно, что наибольшее количество вредных веществ ДВС производит при холодном пуске и прогреве до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не нагреется до рабочей температуры. Разработанный BMW реформер существенно снижает выбросы. Он может работать и с бензиновыми, и с дизельными моторами. Идея заключается в том, что во время запуска и прогрева двигатель питается не обычным топливом, а газом, синтезированным из него в реформере. Конструкция реформера довольно проста. Он состоит из смесительной камеры со свечой и форсункой и катализатора. В катализаторе происходит расщепление углеводородных цепей, в результате чего синтезируется газ. Газ на 21% состоит из водорода и на 24% из окиси углерода. Этот газ подается во впускной коллектор двигателя, полностью заменяя обычное топливо на время пуска и прогрева. Поскольку такая смесь сгорает практически без остатка, вредных выбросов образуется намного меньше. Двигатель может постоянно работать на синтезированном газе, однако в таком случае резко снижается КПД, т.к. в процессе расщепления 15-20% энергии топлива теряется в виде теплоты. Однако это свойство имеет побочный положительный эффект: производимое в ходе реакции тепло быстрее прогревает двигатель до рабочей температуры. Серийному применению конструкции пока препятстсвуют ее сравнительно большие размеры и вес. Разработчики работают над тем, чтобы снизить вес реформера до 1,5 кг против нынешних 5 кг. Если это им удастся, реформер сможет заменить в дизелях дорогостоящие дополнительный нагреватель, сажевый фильтр, NOx катализатор, а в грузовых дизелях – систему SCR.

Водородные технологии и концепты BMW

Efficient Dynamics – стратегия развития BMW, направленная на снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. Ее ключевые аспекты – достижение наивысшей эффективности двигателей, интеллектуальное управление потоками мощности в автомобиле, снижение аэродинамического сопротивления и облегчение конструкции. В рамках этой стратегии проводятся также исследования и испытания инновационных и альтернативных силовых установок. Спектр исследований включает в себя как классические ДВС, так и гибридные технологии, использование водорода в качестве топлива и полностью электрический привод. К двум последним разработкам относится гибрид на топливных элементах и концепт с водородным реформером. Первый позволяет передвигаться в городской черте практически с нулевыми выбросами; второй же существенно уменьшает выбросы во время прогрева двигателя. Новая гибридная платформа с водородными топливными элементами предназначена для следующего поколения Mini и переднеприводных моделей BMW и планируется к выпуску в 2014 году. В настоящее время производство таких моделей сдерживает отсутствие сети водородных заправок.

Гибрид на топливных элементах с нулевым выбросом в городе.

Изготовленный на базе BMW 1-ой серии, гибрид демонстрирует новый подход к использованию водорода в качестве топлива. Автомобиль оборудован четырехцилиндровым бензиновым ДВС, электродвигателем и вспомогательной силовой установкой (ВСУ) на основе топливных элементов. Сочетание ДВС с топливными ячейками позволяет использовать обе технологии с максимальной эффективностью. Использование водорода обеспечивает необходимую дальность хода и быструю заправку. Размер топливного элемента достаточен для обеспечения движения автомобиля на малых скоростях, в то время как ДВС идеально подходит для дальних высокоскоростных загородных поездок. В условиях городского движения электроэнергия, вырабатываемая ВСУ, запасается в суперконденсаторах. Эта энергия отдается электродвигателю при разгоне и старте со светофора. Во время торможения и движения накатом электромотор работает как генератор, возвращая энергию в суперконденсаторы. Проводимые в настоящее время исследования и испытания имеют целью довести общий пробег гибрида в городском цикле до нескольких сотен километров.

Все компоненты гибрида легко устанавливаются в стандартный трехдверный кузов BMW 1 Series. ВСУ расположена под капотом вместе с ДВС, электродвигатель занимает место заднего редуктора и приводит в движение задние колеса. 82 кВт «электрической» мощности и высокий крутящий момент обеспечивают с самого старта «спортивный дух» BMW. Батарея суперконденсаторов заняла место КПП в центральном туннеле. 120-сильный ДВС крутит передние колеса. Объем бензинового бака уменьшен, что позволяет разместить рядом бак для водорода. Таким образом, внутреннее пространство кузова не уменьшилось, и в нем по-прежнему могут разместиться пять человек. Общий же вес автомобиля вырос незначительно.

Технология низкотемпературных топливных ячеек с полимерной мембраной разрабатывалась BMW с 1997 года. С самого начала исследования были направлены на создание компактной ВСУ с максимально низким весом. Концепт BMW 750hL, представленный в начале 2000-х годов, использовал блок топливных ячеек как источник бортового питания. В настоящее время производится уже четвертое поколение ВСУ. Помимо увеличения срока службы до 5000 часов, эти устройства менее сложны, а, значит, имеют более высокую надежность. Они уверенно работают при атмосферном давлении, а их КПД достигает 58%. ВСУ быстро реагирует на изменение нагрузки. Переход от режима холостого хода до максимальной мощности занимает всего лишь 5 миллисекунд. Полимерные топливные ячейки способны работать при низких температурах. Система приходит в рабочее состояние всего лишь через 30 секунд после «холодного» старта. Исследования показали, что после нескольких сотен «холодных» пусков параметры ВСУ не изменились.

ВСУ нового гибрида обеспечивает электропитанием всех потребителей сети аналогично с концептом BMW 750hL. При этом они не отбирают мощность ДВС. Это позволяет также улучшить и некоторые функции комфорта. Например, кондиционер или медиа-системы могут работать во время стоянки, питаясь от батареи топливных ячеек. ВСУ обеспечивает небольшую мощность на протяжении длительного периода времени; энергия же, запасенная в суперконденсаторах, позволяет развивать высокую мощность в течение короткого временного отрезка. Совместная работа этих устройств позволяет добиться идеального движения в городских условиях.

Реформер : меньше выбросов при холодном пуске.

Концепт с реформером изготовлен на базе пятидверной BMW 1 серии. Известно, что наибольшее количество вредных веществ ДВС производит при холодном пуске и прогреве до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не нагреется до рабочей температуры. Разработанный BMW реформер существенно снижает выбросы. Он может работать и с бензиновыми, и с дизельными моторами. Идея заключается в том, что во время запуска и прогрева двигатель питается не обычным топливом, а газом, синтезированным из него в реформере. Конструкция реформера довольно проста. Он состоит из смесительной камеры со свечой и форсункой и катализатора. В катализаторе происходит расщепление углеводородных цепей, в результате чего синтезируется газ. Газ на 21% состоит из водорода и на 24% из окиси углерода. Этот газ подается во впускной коллектор двигателя, полностью заменяя обычное топливо на время пуска и прогрева. Поскольку такая смесь сгорает практически без остатка, вредных выбросов образуется намного меньше. Двигатель может постоянно работать на синтезированном газе, однако в таком случае резко снижается КПД, т.к. в процессе расщепления 15-20% энергии топлива теряется в виде теплоты. Однако это свойство имеет побочный положительный эффект: производимое в ходе реакции тепло быстрее прогревает двигатель до рабочей температуры. Серийному применению конструкции пока препятстсвуют ее сравнительно большие размеры и вес. Разработчики работают над тем, чтобы снизить вес реформера до 1,5 кг против нынешних 5 кг. Если это им удастся, реформер сможет заменить в дизелях дорогостоящие дополнительный нагреватель, сажевый фильтр, NOx катализатор, а в грузовых дизелях – систему SCR.

Tesla — первые электрические суперкары

В 2008 году впервые увидел свет серийный электрический суперкар. Выпустила его фирма Tesla Motorsпод маркой Roadster. За основу была взята платформа автомобиля Lotus Elise, а электрической составляющей занималась фирма AC Propulsion. В качестве силового агрегата использован электродвигатель мощностью 248 л.с. и крутящим моментом 370 Нм. Скорость вращения ротора – до 14000 об/мин. Привод осуществляется на задние колеса. Источник питания – управляемая микропроцессором литий-ионная батарея с напряжением 375 В и весом 450 кг.

С таким «вооружением» электромобиль разгоняется до 100 км/ч за 3,7 секунды, а максимальная скорость ограничена электроникой на отметке 200 км/ч. Полностью заряженная батарея обеспечивает запас хода около 400 километров при измерении в американском комбинированном цикле ЕРА (город/трасса). Зарядка батареи занимает не более 3,5 часов. Срок службы аккумулятора – пять лет или 160000 км пробега, после чего она подлежит замене. Цена батареи – 20000 $. Зато, в отличие от одноклассников с ДВС, Roadster требует планового ТО только каждые 45000 км. Автомобиль имеет соответствующий статусу суперкара богато отделанный двухместный салон и базовую комплектацию. Начальная цена – 98000 $.

В 2011 году Tesla Motors заявила о прекращении производства модели Roadster, чтобы полностью сосредоточиться на подготовке к серийному выпуску нового, более массового, электромобиля под маркой Model S. И хотя новая модель представляет собой семейный семиместный седан, по своим техническим характеристикам она превосходит многие автомобили, позиционируемые как «спортивные». До 60 миль (96 км) в час Model S разгоняется за 5,6 секунд, а максимальная скорость 192 км/ч. Тормозной путь со скорости 60 миль составляет 40 м. Коэффициент лобового сопротивления – 0,27 (на модели Roadster – 0,35). Способствуют высоким динамическим качествам облегченный кузов, выполненный из алюминиевых панелей и алюминиевые же детали подвески. При почти пятиметровой длине снаряженный вес составляет 1730 кг. Из них 540 кг весят литий-ионные батареи.

На электромобиль в базовой комплектации устанавливается батарея емкостью 42 кВт*ч, которая обеспечивает запас хода в 250 км. За доплату можно заказать более «продвинутую» батарею емкостью 70 кВт*ч, на которой можно проехать 480 км (больше, чем на модели Roadster). Полный заряд от обычной электросети занимает четыре часа, экспресс-заряд – всего лишь 45 минут. В США планируется открыть сеть сервисных станций, на которых можно будет всего за пять минут заменить батарею.

Все компоненты привода размещены, как водится, в подполье, причем электромотор и одноступенчатая коробка передач для лучшей развесовки разнесены по осям. Подкапотное пространство используется как второй багажник. Привод – на задние колеса. В дальнейшем планируется выпуск и полноприводной версии.

Технология GTL (Gas to liquids)

Газ в жидкость (Gas to liquids) – процесс преобразования природного газа или других газообразных углеводородов в длинноцепочные углеводороды, такие как бензин и дизтопливо. Богатые метаном газы преобразуются в жидкие синтетические топлива либо путем прямой конверсии, либо через синтез-газ как промежуточный продукт.

При прямой конверсии метан преобразуется в метанол без применения катализаторов в один этап. Эта технология позволяет получать дешевый продукт, но реакция конверсии трудно поддается контролю. Поэтому этот способ не получил широкого применения.

Для получения топлива через синтез-газ используются три основных процесса: Фишера-Тропша, MTG (Methanol to gasoline) компании Mobil и STG+ (Syngas to gasoline plus).

Процесс Фишера-Тропша

 

Процесс Фишера-Тропша был разработан в Германии в середине 20-х годов прошлого века. Он начинается с парциального (частичного) окисления метана (природного газа) в диоксид углерода, монооксид углерода, водород и воду. Кислород либо берется из воздуха (что делает газ менее насыщенным), либо подается из воздушного криогенного сепаратора (что увеличивает стоимость). Соотношение монооксида углерода и водорода (1:2) регулируется реакцией с водяным газом, а избыток диоксида углерода удаляется с помощью водных растворов алканоаламина (или физическим растворением). После удаления воды остается синтез-газ (сингаз), который, химически реагируя в присутствии катализатора (железа или кобальта) превращается в жидкие углеводороды и другие побочные продукты.

Метанол в бензин (Methanol to gasoline process — MTG)

 

В начале 70-х гг. ХХ века компания Mobil разработала альтернативную технологию конверсии природного газа в синтез-газ, а синтез-газа в метанол. Затем метанол полимеризуется в присутствии цеолитного катализатора с образованием алканов (насыщенных углеводородов).

Метанол производится из метана (природного газа) посредством трех реакций: парового риформинга, конверсии водяного газа и синтеза. Затем он преобразуется в бензин по оригинальной технологии Mobil. Вначале метанол обезвоживается с получением диметилэфира, который, в свою очередь, далее дегидратируется в присутствии оригинального цеолитного катализатора ZSM-5, разработанного Mobil. В результате получается бензин, в котором содержание углеводородов с пятью и более атомами углерода достигает 80% по весу. Для прекращения реакции ZSM-5 деактивируется коксованием с добавлением избытка углерода. В дальнейшем катализатор может быть вновь активирован путем выжигания кокса потоком горячего (500 °C) воздуха. Однако число циклов реактивации ограничено.

Синтез-газ в бензин плюс (Syngas to gasoline plus process — STG+)

 

Этот способ основан на технологии MTG. В ходе непрерывного циклового термохимического процесса полученный из природного газа синтез-газ преобразуется в высокооктановый синтетический бензин. Весь цикл состоит из четырех этапов. Каждый этап осуществляется в отдельном реакторе с неподвижным слоем катализатора, которые последовательно соединены между собой.

Синтез метанола. В первом реакторе сингаз, проходя через слой катализатора, преобразуется в метанол, который подается во второй реактор.

Синтез диметилэфира (ДМЭ). Здесь метанол также проходит через слой катализатора и подвергается дегидратации, в результате чего на выходе получают ДМЭ.

Синтез бензина. В третьем реакторе поступивший ДМЭ с помощью катализаторов преобразуют в углеводороды, включающие парафины (алканы), ароматические углеводороды, нафтены (циклоалканы) и небольшое количество олефинов (алкенов). Все они имеют от 6 до 10 атомов углерода в молекуле.

Очистка бензина. В четвертом реакторе продукты, поступившие из третьего реактора, подвергаются трансалкированию и гидрогенизации. Это уменьшает содержание дурола (тетраметилбензола)/изодурола и триметилбензола, которые имеют высокие точки. Поэтому их содержание в бензине должно быть сведено к минимуму. В результате полученный синтетический бензин имеет высокое октановое число и необходимые вязкостные свойства.

Сепаратор. Здесь смесь, поступившая из четвертого реактора, конденсируется. Несконденсированный газ и готовый бензин разделяются. Большая часть газа направляется обратно в первый реактор для переработки. Полученный синтетический бензин состоит из парафинов, ароматических углеводородов и нафтенов.