Tag Archives: водородный

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.

Водородные технологии Toyota

В конце ХХ века многие поверили в то, что в скором времени на смену нефти придут топливные элементы. Не осталась в стороне от всеобщего увлечения водородными технологиями и Toyota. Наряду с гибридом Prius, японцы в том же 1997 году создали и первый прототип своего «водородомобиля» Toyota FCHV-1. Основой для его создания послужила модель Highlander. В течение последующих пяти лет (в 1999 и в 2001 годах) были созданы усовершенствованные варианты FCHV-2 и FCHV-3, пока в 2002 году не появился первый серийный вариант FCHV-4. Однако полномасштабного коммерческого выпуска японцы не планировали. Ограниченная серия из 20 автомобилей была отдана для тестирования в различные университеты, корпорации и правительственные учреждения в США и Японии.

Силовая установка Toyota FCHV состояла из блока топливных элементов мощностью 90 кВт, которая питала 90-киловаттный электродвигатель, развивавший 260 Нм крутящего момента. Никель-металлгидридная батарея служила дополнительным источником энергии для подпитки электромотора во время ускорений и для движения на малых скоростях. Ее емкости хватало на 50 километров пробега. Принцип работы силовой установки очень похож на работу гибридной установки Hybrid Synergy Drive (HSD), применяемой на Toyota Prius. Главное отличие состояло в том, что вместо ДВС использовался блок топливных элементов. А вот механизм совместной или раздельной работы батареи и топливных элементов, система рекуперативного торможения остались прежними. Toyota FCHV, имея снаряженную массу почти 1900 кг, разгонялась до 155 км/ч, а запаса водорода хватало на 330 км пробега.

В 2008 году появилась новая версия «водородомобиля» под названием Toyota FCHV ADV. Окончание ADV означало «Advanced» — «Улучшенный». В чем же заключались улучшения? Прежде всего, в существенной доработке блока топливных элементов. Изменения, внесенные в его конструкцию, увеличили энергоотдачу на 25% и, что самое главное, позволили FCHV ADV надежно работать при температурах до -30°С. Новые баки позволили хранить водород при давлении, вдвое превышающем прежнее, а, значит, вмещать большее его количество. Кроме того, заметно снижено энергопотребление вспомогательных систем и увеличена эффективность системы рекуперации энергии торможения. В результате всех этих улучшений Toyota FCHV ADV способен преодолеть без дозаправки 800 км! Остальные же «автомобильные» характеристики остались прежними.

В июне 2008 года водородомобиль получил сертификат серийного автомобиля. В январе 2010 года Toyota объявила о начале трехлетних демонстрационных испытаний 100 экземпляров FCHV-ADV на дорогах США. Как и прежде, автомобили будут работать в университетах и госучреждениях, доказывая преимущества этого вида «зеленого» транспорта и стимулируя развитие инфраструктуры для «водородомобилей». А полномасштабное серийное производство японцы обещают начать не ранее 2015 года. А к этому времени, как считают специалисты Toyota, и более точно определится вектор развития "зеленого" транспорта — то ли это будут автомобили на топливных элементах, то ли "чистые" электромобили.

«Водородная» история Hyundai

26 февраля 2013 года произошло знаменательное событие – с конвейера завода Hyundai в Ульсане сошел первый в мире серийный «водородомобиль» ix35 Fuel Cell. К этому дню корейцы шли целых 13 лет. Еще в 2000 году Hyundai запустил свою программу по созданию электромобиля на топливных элементах. К октябрю этого же года был создан первый прототип такого автомобиля на базе модели Santa Fe. Чтобы снизить общий вес, стальную раму заменили алюминиевой. Однако это не помогло существенно улучшить динамику – максимальная скорость едва превышала 120 км/ч, а разгон до «сотни» занимал целых 18 секунд. Да и дальность хода не впечатляла: на одном баке машина могла проехать лишь 160 км. Но усилия Hyundai по созданию экологичного автомобиля были по достоинству оценены в Калифорнии – лакомом куске для любого автопроизводителя. Участие в экосоревнованиях, организованных Калифорнийским обществом топливных элементов, принесло Santa Fe первые места за нулевые выбросы и низкую шумность и второе место за топливную экономичность.

Вторым этапом программы стало создание в 2005 году Tucson FCEV, который впервые был представлен опять же в США – колыбели автомобильной экологии. Автомобиль заметно превосходил предшественника благодаря использованию топливных элементов второго поколения, новой 152 – вольтовой батареи и 80 – киловаттному электродвигателю. Максимальная скорость составила уже 150 км/ч, а увеличенный вдвое бак позволял проехать без дозаправки целых 300 км. Кроме того, Tucson FCEV, в отличие от предшественника, стал легко переносить отрицательные температуры за бортом. В 2008 году «водородомобиль» успешно преодолел 6900 км пробега Hydrogen Road Tour, в котором приняли участие еще 7 крупнейших автопроизводителей США, Японии и Европы.

В марте 2010 года в корейцы презентовали новую, третью модель своей «воодородной» серии — ix35 (на корейском рынке Tucson) Fuel Cell. 100 – киловаттные топливные элементы вкупе с литий-ионной батарей емкостью 24 кВт*ч обеспечивают запас хода в 650 км. Батарея используется как дополнительный источник энергии при разгоне, а так же для движения при отсутствии водорода в баке. Автомобиль разгоняется до 100 км/ч за 12,5 секунды, а максимальная скорость увеличилась до 160 км/ч. Водород хранится в двух баллонах под давлением в 700 бар. В них помещается 5,6 килограмма водорода, а его потребление составляет 0,95 кг/100 км – на 15% меньше, чем у водородного Tucson предыдущего поколения. В пересчете на бензин это соответствует расходу в 3,2 л/100 км. К вопросу о безопасности. Водородные баллоны, армированные углеводородным волокном, пуленепробиваемые. В ходе одного из тестов специалисты Hyundai оценивали взрывоопасность. Для сравнения взяли обычный бензиновый ix35 и его водородного близнеца. В пепельнице обеих машин оставили горящий окурок. Бак бензиновой машины взорвался через 40 минут, система же безопасности ix35 FCEV заблаговременно стравила водород из баллонов, предотвратив взрыв.

В 2011 году Hyundai ix35 FCEV был выбран в качестве демонстрационной модели для тестирования в реальных условиях эксплуатации с целью продвижения технологии водородных топливных элементов. Автомобили ix35 FCEV предлагались для испытаний членам Европарламента, специальным уполномоченным и другим европейским законодателям. Кроме Hyundai, над водородными технологиями активно работают специалисты Toyota, General Motors и Daimler. Главным преимуществом автомобилей на топливных элементах по сравнению с «обычными» электромобилями на литий-ионных батареях является гораздо больший пробег без дозаправки и существенно меньшее время для заправки водородом по сравнению со временем, необходимым для подзарядки батарей. А больший пробег потребует гораздо меньшую сеть заправочных водородных станций. То есть, по потребительским качествам «водородомобиль» ни в чем не уступает обычному автомобилю, но при этом практически не загрязняет окружающую среду. Но где же взять столько водорода? Специалисты Hyundai подсчитали, что 20% от производимого в Корее водорода хватит для заправки 500 000 автомобилей на топливных элементах в течение года.

Итак, серийный выпуск начат. За два года Hyundai планирует произвести 1000 экземпляров ix35 FCEV, которые разойдутся в основном по государственным структурам в Европе. Цена автомобиля составляет 88550 $ без учета налоговых льгот. В 2015 году планируется начало массового выпуска для всех желающих в объеме 10 тысяч экземпляров в год. Предполагаемая цена – 50 000 $, которая с учетом скидок и льгот для конечного потребителя должна составить 30 000 $. К этому времени, как расчитывают в Hyundai, и автомобиль удастся доработать, и в наиболее развитых странах мира будет создана сеть заправочных станций.

Водородный Mercedes

Судя по всему, Мерседес всерьез взялся за водородные технологии. Для чего же еще был организован 125 -дневный кругосветный пробег трех автомобилей В-класса F-CELL? Внешне экспериментальная машина ничем не отличается от обычной. Основная «начинка» — три углепластиковых бака для водорода и электрохимический генератор расположены под полом. Воздух для работы топливных ячеек подается с помощью компрессора. В багажнике поместили высоковольтную литий-ионную батарею, а под капотом – электродвигатель мощностью 136 л.с. и крутящим моментом 290 Нм. Привод осуществляется на передние колеса через два планетарных ряда и дифференциал, обеспечивающих движение вперед и назад.

Основным источником тока является электрохимический генератор, а батарея используется при холодном старте, пока топливные элементы не вышли на рабочий режим, и для хранения энергии, запасенной при рекуперативном торможении. На одной батарее автомобиль может проехать несколько километров. В таком режиме удобно двигаться в городе, не затрачивая водород и одновременно подзаряжая батарею за счет торможения. Причем тормозной момент мотора настолько велик, что зачастую даже нет необходимости давить на педаль тормоза: достаточно просто отпустить «газ» — и машина тут же замедляется.

Рабочая температура топливных элементов – 80 градусов. На прогрев требуется от 15 минут до часа, в зависимости от температуры наружного воздуха. Но в случае необходимости, например, если разряжен литий-ионный аккумулятор, электрохимический генератор может вступать в работу и через несколько секунд после старта. Но до момента выхода на рабочий режим мощность будет ограничена, а потребление водорода возрастет. Когда ЭХГ прогрет, он, кроме питания электродвигателя, еще и подзаряжает батарею. Кроме того, прогретый генератор сохраняет тепло долгое время, и оно используется для отопления автомобиля. Вода в топливных ячейках благодаря мерседесовским технологиям не замерзает при «забортной» температуре до -25 градусов.

Когда мотору необходимо развить высокую мощность, он может запитываться одновременно и от генератора, и от батареи. Максимальная скорость автомобиля 170 км/ч, а до сотни он разгоняется за 11,4 с. Но на высоких скоростях Mercedes F-CELL не так удобен. Крутящий момент электродвигателя с ростом оборотов снижается, а, значит, ускорение при нажатии на акселератор происходит довольно медленно. Кроме того, существенно возрастает расход водорода. Если при экономной езде расход водорода примерно составляет 1,1 кг на 100 км, то на шоссейных скоростях он возрастает до 1,2 кг. Немного? Но в переводе на привычные для нас литры первая цифра эквивалентна 3,7 л/100 км, а вторая – около 20 л/100 км!

Водородные баки вмещают 3 кг водорода, что обеспечивает запас хода около 400 км. Заправка занимает не более трех минут. При этом согласно требованиям техники безопасности, автомобиль необходимо заземлить.

А насколько эффективен водородный автомобиль? КПД самой силовой установки составляет 90%. Но с учетом существующих технологий получения, транспортировки и хранения водорода, он падает до 22%. КПД же современного дизеля составляет 25%, а лучших образцов гибридов – до 33%. Но, в то же время, эмиссия токсических веществ водородомобиля равна нулю.