«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому, так ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».
М. В. Ломоносов, 1745 год. Закон сохранения массы веществ.
ДВС без боя не сдается
Так и живем уже 245 лет, подчиняясь этому Вселенскому Закону, сформулированному великим русским ученым. И весь мир живет, подчиняясь Закону сохранения массы веществ, и не только веществ, но и настроений, состояний, добра и зла, войны и мира, богатства и бедности. И чудо появления автомобиля, которое дало человечеству возможность укротить стремление к свободе передвижения и принесло все известные блага, создало и огромную опасность: здесь мы даже не говорим о сотнях тысячах погибших под колесами и при столкновениях на дорогах — это, так сказать, неизбежные издержки неизбежных же преимуществ. Опасность, о которой последние десятилетия стали задумываться все чаще: массовое поражение здоровья людей вследствие нарушения основ генетической наследственности, вызванного катастрофическим загрязнением атмосферы токсическими веществами, которые в больших количествах содержатся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
К настоящему времени сложилось две точки зрения на это явление: оптимистическая и пессимистическая. Первая из них, в основном, присуща лидерам автомобилестроения таких стран, как США и Япония. Они утверждают, что, хотя упомянутые опасности реально существуют, пройдет достаточно много времени до того момента, когда возникнет необходимость в крайних практических действиях. «А до тех пор мы что-нибудь придумаем»! Крайние пессимисты, а среди них выделяются экологи и медики, утверждают, что человечество вплотную подошло к тому рубежу, за которым вот-вот последует экологическая катастрофа на нашей планете.
Мы не ставим своей задачей искать истину между двумя крайностями, и приведем банальную фразу, что истина находится где-то посередине. Безусловно, угрожающе быстрый рост числа автомобилей на Земле требует оперативной разработки системы мероприятий по предотвращению экологической катастрофы, но стоит сделать замечание, что, по всей видимости, в обозримой перспективе невозможно полностью избежать загрязнения атмосферы выхлопными газами. Поэтому, общую задачу можно сформулировать так: необходимо снизить уровень токсичности отработавших газов в такой мере, чтобы изменить тенденцию к нарастанию заражения атмосферы Земли. И это при условии, что объем производства автомобилей будет нарастать со сложившейся динамикой, поскольку даже мысль о возможных ограничениях производства автомобилей сегодня представляется кощунственной. Нельзя проигнорировать тот факт, что автопроизводителями много сделано в направлении решения этой проблемы: это, и внедрение каталитических нейтрализаторов, и непрерывное совершенствование процесса сгорания ДВС. Но на данный момент предлагаемые меры по снижению токсичности отработавших газов ДВС автомобилей должны давать результаты, оцениваемые уже не несколькими процентами, а кратностью в несколько раз. Вот как сегодня представляются основные направления в решении этой проблемы:
- Совершенствование конструкций и рабочих процессов ДВС.
- Совершенствование ДВС существующего конструктивного типа.
- Создание перспективных ДВС новой конструкции с новыми рабочими процессами. Создание в 2005 году ДВС нового поколения.
- Использование для ДВС альтернативных топлив с рациональной экономикой производства.
- Использование более сложных по структуре комбинированных силовых установок (КСУ) с применением в качестве основы источника энергии ДВС, для которого созданы оптимальные условия работы, а также создание КСУ с использованием ДВС в качестве основного источника энергии и электромеханической батареи (ЭМБ) на базе современных маховиковых накопителей энергии (МНЭ).
- Разработка энергетических установок без использования ДВС
- Создание более совершенных энергетических установок на базе тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ). Автомобили с этими установками — типичные электромобили.
- Создание КСУ с использованием полутопливного элемента (ПТЭ) металл-воздух, в частности основного источника энергии ТАБ или ЭМБ в качестве пикового источника энергии.
- Создание КСУ с использованием топливного элемента (ТЭ) типа водород-кислород с получением водорода на борту автомобиля.
Рассмотрим подробнее перспективы развития перечисленных энергетических установок.
Двигатели внутреннего сгорания
Совершенствование ДВС не прекращается с момента его изобретения, то есть более ста лет. Но особенно значительные результаты по улучшению конструктивных и эксплуатационных свойств автомобильных ДВС достигнуты за последние 10-15 лет, что отразилось на существенном снижении удельного расхода топлива и содержания токсических веществ в отработавших газах. Однако, достигнутый уровень обоих названных показателей, тем не менее, нельзя признать удовлетворительным и отвечающим требованиям текущего момента.
Нынешнее состояние проблемы не позволяет ждать значительных и быстрых результатов от дальнейших работ по улучшению характеристик ДВС существующего типа, поскольку выполненные работы в значительной мере исчерпали возможности дальнейшего совершенствования. Во всяком случае очевидно, что вкладываемые в научно-исследовательские работы средства будут приносить все более ограниченные по значимости практические результаты.
Тем не менее, рядом зарубежных фирм, прежде всего американских, ведутся работы по созданию ДВС нового поколения, которые могут иметь в три раза меньший расход топлива, по сравнению с современными образцами, а следовательно, большую экологическую чистоту. ДВС нового поколения будут основаны на процессе с бедным сгоранием при идеальном соотношении компонентов горючей смеси, минимальными вентиляционными потерями. Для них характерен непосредственный впрыск топлива, как для дизельных, так и для бензиновых двигателей. Ученые и конструкторы работают и над двигателями, отличными по конструктивному типу от существующих. Так в НАМИ ведутся работы по созданию аксиальных двигателей и, говорят, в ближайшие годы можно рассчитывать на значительные практические результаты.
Важной частью работы по улучшению ДВС является внедрение новых видов топлив — речь в первую очередь идет о природном газе и метаноле. В настоящее время в Европе, Азии и Америке эксплуатируется сравнительно много автомобилей, работающих на природном газе, но надо отметить, что дальнейшее расширение использования газа на автомобилях требует создания широкой сети газозаправочных станций и встретит трудности экономического порядка, что, в конечном итоге, не позволит решить основную экологическую проблему.
Создание комбинированных силовых установок (КСУ) с использованием ДВС и тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ)
Работы в этом направлении уже привели к практическим результатам. Пример: автомобиль TOYOTA PRIUS, выпускаемый серийно и оснащенный усовершенствованным ДВС и ТАБ. Название PRIUS выбрано неслучайно. В переводе с латыни оно обозначает «раньше других».
«Раньше других» имеет расход топлива около четырех литров на 100 км и содержание токсичных веществ в отработавших газах на 90% меньше, чем у традиционных автомобилей. Однако основная проблема на сегодня — это высокая стоимость автомобиля. По сравнению с аналогичной по габаритам моделью COROLLA, компания теряет при продаже 8000 долларов на каждом экземпляре. А это может себе позволить только компания со стабильным экономическим положением, какой является TOYOTA. Из этого следует вывод, что, несмотря на начало серийного производства автомобилей с силовыми установками такого типа, увеличение объемов производства в мировом масштабе представляется сегодня весьма сложной экономической проблемой.
Однако, теоретически, применение на автомобиле двух различных источников энергии с функциональной связью создает два новых качества. Одно из этих качеств заключается в возможности аккумулирования энергии основного источника (ДВС) в том случае, если развиваемая им мощность больше необходимой в определенных условиях движения, а также тормозной энергии. Аккумулированная энергия по необходимости используется в режиме тяги. Второе качество возникает при частичном восстановлении энергии ТАБ за счет внешнего источника, что позволяет уменьшить энергию, получаемую от ДВС. Эти качества, плюс совместное использование ДВС и ТАБ в режимах, требующих повышенной мощности, позволяет добиться снижения расхода топлива за счет применения ДВС меньшей мощности, повысить коэффициент использования мощности ДВС, снизить количество выбрасываемых в атмосферу токсичных веществ. Преимущества КСУ должны компенсировать ее недостатки: усложнение структуры и увеличение числа компонентов системы, повышение стоимости и расходов по обслуживанию и ремонту.
Наряду с разработкой КСУ с ТАБ ведутся исследования по применению в качестве аккумуляторов маховиковых накопителей энергии (МНЭ) в составе электромеханической батареи (ЭМБ). Энергетика таких КСУ в принципе аналогична энергетике установок с электроаккумуляторами, а возможности и перспективы их применения известны еще со времен программы советского телевидения «Это вы можете» и некоего профессора Гулию — фаната МНЭ. Кто помнит, тому здесь все ясно, а кто не помнит, поясним, что МНЭ представляет собой маховик, который раскручивается под действием энергии, высвобождаемой при торможении и движении автомобиля на спусках, а также избыточной энергии ДВС. Накопленная МНЭ энергия высвобождается при необходимости, что позволяет, в целом, решать те же задачи, что и применение электроаккумуляторов. МНЭ в составе ЭМБ работает совместно с обратимой электрической машиной, которая в зависимости от условий движения может работать как электрогенератор или как электродвигатель. Современные образцы МНЭ обладают весьма высокой удельной мощностью, но удельная энергоемкость пока недостаточна. Для самых совершенных образцов маховиков, изготовленных из композиционных материалов она составляет 30-40 Втхч/кг. Однако удельные параметры с учетом массы электрической машины, корпуса и вспомогательных элементов имеют более низкие показатели. Несмотря на кажущуюся на первый взгляд сомнительность возможности практического использования таких КСУ, некоторые фирмы США в своих разработках вплотную приблизились к уровню конструктивных и эксплуатационных свойств, допускающих развертывание работ по использованию МНЭ на автомобилях.
Инерционные системы аккумулирования энергии имеют ряд преимуществ перед электрохимическими системами. Их работоспособность не зависит от климатических условий, а срок службы сопоставим со сроком эксплуатации автомобиля. Утилизация и переработка подобных систем также не представляет проблемы. МНЭ могут быть полностью заряжены за несколько десятков минут в зависимости от параметров системы и мощности внешней сети, однако решение практических задач с использованием МНЭ требует значительных затрат средств на разработку композиционных материалов для изготовления маховиков, создание быстроходных электрических машин и решение целого ряда сопутствующих проблем.
Обобщая изложенное, отметим, что все перспективные комбинированные установки строятся на основе существующих или перспективных ДВС. Это, с одной стороны, имеет важное преимущество, заключающееся в сохранении современной системы доставки энергоносителя — жидкого топлива нефтяного происхождения — к автомобилям, сохранении производственных мощностей для изготовления ДВС и механических узлов трансмиссии, с другой стороны, массовое использование КСУ потребует дополнительных вложений средств как в разработку и освоение производства новых автомобилей, так и в создание дополнительной инфраструктуры системы эксплуатации таких транспортных средств. Все эти затраты вряд ли окупятся экологическим эффектом от внедрения КСУ и, по всей видимости, такие системы являются тупиковой ветвью развития автостроения.
Без ДВС
То, что движение без использование двигателя внутреннего сгорания возможно, человеку известно с первобытнообщинного строя. Например, пешком, или на коне, наконец, на трамвае или электромобиле. Одним словом, обойтись без ДВС в случае чего можно, и как показывает экологическая обстановка, в скором времени станет очень даже нужно.
Говоря об экологически чистом транспортном средстве, чаще всего подразумевают электромобиль. И неслучайно. На заре автомобилестроения машины на электротяге как-то даже конкурировали со своими поршневыми собратьями, порой устанавливали рекорды скорости и на протяжении всей сотни лет считались перспективными. Можно отметить тот прогресс, который был достигнут за последние 20-30 лет в области создания электромобилей и главного, без чего немыслим электромобиль — аккумуляторов. Но если сравнивать этот прогресс с темпами развития преобразователей жидкого топлива — ДВС и намечаемыми рубежами в этой области энергетического машиностроения, то становится понятным, что электрохимические источники энергии остались далеко позади, правда, если не учитывать экологических проблем.
Но даже если экологическим проблемам в обозримом будущем будет отдан приоритет, электрохимические источники энергии в одиночку не смогут заменить ДВС в автомобилях. Слишком много проблем возникает лишь при организации массового производства тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ), в том числе и дефицит исходных материалов, не говоря уже о проблемах, которые возникнут при массовой эксплуатации такой техники. Одним словом, о перспективах электромобилей с ТАБ в ближайшем будущем можно не заикаться, хотя ограниченное применение их в определенных условиях эксплуатации будет иметь место.
Транспортное средство на электрохимических аккумуляторах не единственная альтернатива автомобилю с ДВС. За последние несколько лет появилась информация о создании в России, США и некоторых других странах энергетических установок автомобилей с использованием так называемых полутопливных элементов (ПТЭ) и тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) или электромеханических батарей (ЭМБ).
ПТЭ типа алюминий-воздух (Рис.1) состоит из двух пористых положительных (1) электродов (угольно-тефлоновых с катализатором 5) и отрицательного алюминиевого электрода (2), разделенных между собой электролитом и сепаратором (4) и соединенных через внешнюю нагрузку.
1 – положительный электрод; 2 – отрицательный электрод; 3 – внешняя нагрузка; 4 – электролит;
5 – катализатор.
Работа ПТЭ основана на реакциях трех типов: окисления алюминия, восстановления (связывания) кислорода и реакции коррозии алюминия. В первых двух выделяется полезная энергия движения электродов, реализуемая на внешнюю нагрузку, и теплота; в ходе третьей — теплота. Реальные испытания таких установок показывают, что длительность замены алюминиевых электродов составляет 25-30 минут. Восстанавливать электроды и удалять продукты электрохимической реакции нужно ежедневно, в конце рабочей смены. ПТЭ при его установке на автомобиль должен иметь системы технического и технологического обеспечения (терморегулирования, циркуляции электролита и отвода тепла из зоны реакции, очистки и подачи воздуха в батареи элементов под избыточным давлением), а также системы, связанные с управлением тяговыми электродвигателями и пр.
Удельная мощность ПТЭ типа алюминий-воздух, которая для лучших образцов составляет максимум 90 Вт/кг при массе топливного элемента 100 кг, намного ниже, чем того требуется по условиям тяги(Рис.2). Поэтому необходимо применение пикового источника мощности, в качестве которого может быть использована электрохимическая аккумуляторная батарея.
от времени (t) движения по циклу.
Как перспективный источник энергии в последнее время рассматривается топливный элемент (ТЭ) типа водород-кислород. Такому рассмотрению, применительно к использованию на автомобиле, способствует тот факт, что ТЭ типа водород-кислород уже созданы для использования в космосе, причем эти образцы имеют весьма хорошие энергетические параметры, и пожалуй, единственным крупным недостатком ТЭ, как таковых, является их высокая стоимость. Проблема их использования на автомобиле состоит в водороде. Общепризнанно, что хранение водорода на борту любой транспортной машины является крайне нерациональным из-за большого веса баллонов для газа, а также является крайне опасным из-за свойств самого водорода. Единственный выход из этого — получение водорода на борту автомобиля…
Читатель наверняка посчитает, что продолжением этой фразы будет описание работы очередного «химического комбината» на борту мифического автомобиля, нарисованного воображением чудаковатых ученых, описания, интересного лишь с познавательной точки зрения, поскольку, если судить по опыту, все попытки сместить ДВС с «королевского трона» окончились провалом. И в этом читатель будет отчасти прав. Будет описание «химического комбината» — такого «химического комбината», который имеет все перспективы выбросить «короля» на свалку истории. Читайте о супердостижении американских ученых в области создания автомобильных энергетических установок, которое уже получило звание «научного подвига» в следующем номере журнала «Турбо» в последней части статьи «Перспективы развития энергетических установок автомобилей».
По материалам журнала «Автостроение за рубежом», №10,11,12, 1998 г.