Водородные автомобили

[Евгений Халак 1 043]

Ужин двигателя

автомобильный форум

Вот уже 115 лет бензин остается самым востребованным блюдом в рационе двигателя Отто. Однако в меню «искрового» мотора есть и другие позиции - более лакомые и более здоровые.

Летом 2006 года в пригороде Парижа можно было увидеть занимательное действо. Журналисты, приглашенные на конкурс экологически чистых машин Challenge Bibendum, радостно забирались в водородный Ford Focus C-MAX, проезжали на нем круг трассы, а затем выходили из салона с одинаковым удивленно-разочарованным видом. "Неужели мы будем ездить на таких машинах?!" - читался вопрос на их лицах. От высококалорийного "топлива будущего" все ожидали заметных преимуществ, но на деле оказалось, что водород действовал на автомобиль как транквилизатор. Несмотря на все старания правой водительской ноги, машинка набирала скорость с черепашьей медлительностью.

Поиски оптимального топлива для "искрового" двигателя начались за несколько лет до официального рождения автомобиля в 1886 году. Существовавшие на тот момент стационарные ДВС работали главным образом на светильном газе, смеси метана и водорода, образующейся при коксовании угля. Светильный газ был недешев и к тому же неудобен в хранении и транспортировке.

Одним из первых стал использовать бензин в качестве моторного топлива (ранее он продавался в маленьких бутылочках в аптеках как средство от вшей) не кто иной, как Готлиб Даймлер. Изобретением карбюратора, позволившего переводить жидкое топливо в газообразное состояние и смешивать его с воздухом, он решил основную проблему того времени, и вскоре примеру Даймлера последовали другие. "Средство от вшей" теперь все чаще можно было встретить в обычных магазинах, залитым в большие канистры, а вскоре бензин появился на специальных заправочных станциях, которые стали непременным атрибутом каждого большого города.

Бензин против бензина

Довоенные методы получения бензина из нефти не позволяли достичь высокого октанового числа, поэтому двигатели машин той поры имели меньшую степень сжатия топливо-воздушной смеси и, соответственно, меньший КПД. Увеличить их эффективность не позволяло явление детонации. Когда октановое число бензина было недостаточно высоким для работы в двигателе с определенной степенью сжатия, смесь самовоспламенялась от поджатия, прежде чем до нее доходил фронт пламени от свечи. Такое воспламенение имело взрывной характер, и двигатель начинал работать с большими тепловыми и механическими нагрузками.

Однако за годы войны бензин как топливо сильно улучшил свои позиции. Вторую мировую войну не случайно называют "войной моторов", именно техническое превосходство часто становилось основной причиной побед. В деле двигателестроения немцы были сильны, но и антигитлеровская коалиция имела свой козырь-лучший по качеству бензин. Британский премьер-министр Дэвид Ллойд Джордж отмечал, что его страна не выиграла бы в 1940 году воздушную битву за Британию, если бы у летчиков не было авиационного бензина с октановым числом около 100. Октановое число бензина немцев и японцев было около 87-90, и этот недостаток сильно снижал шансы на победу гитлеровских летчиков в воздушных боях.

После окончания войны технологии, изначально разработанные для авиации, нашли применение на автомобилях. С ростом октанового числа бензина росла степень сжатия двигателей, а вместе с ней их мощность и экономичность. Октановое число бензина обычно определяется пропорциями содержащихся в нем компонентов. Например, бензины, на которых работают моторы болидов "Формулы-1", содержат больше высокооктановых компонентов, таких как ароматические углеводороды и парафиновые углеводороды разветвленного строения, а также больший набор добавок, призванных снизить риск детонации.

Надо сказать, что создание высокооктановых бензинов для гоночных болидов - непростое дело. Специалисты ограничены жесткими рамками правил, которые запрещают использовать присадки, недопустимые к применению в обычном бензине. Так что залог успеха в подборе верных компонентов, составляющих "формульный" бензин. Между тем не многие догадываются, что бензин, который используется в "Формуле-1", - отнюдь не оптимальное гоночное топливо. Если бы не было ограничений, болиды ездили бы на более высокооктановом топливе, а скорее всего, это был бы вообще не бензин.

Алкоголики под капотом

Если вы однажды окажетесь в Бразилии, то обратите внимание, что помимо бензина и дизельного топлива на местных заправках продается этанол. После разразившегося в 1970-х годах топливного кризиса правительство Бразилии решило воспользоваться своими огромными плантациями сахарного тростника и стало производить этиловый спирт из отходов этого производства. Бразильцам, ездящим на спирту, приходится мириться с увеличивающимся расходом топлива - ведь это компенсируется более низкой ценой топлива. Повышенный расход топлива объясняется меньшей, чем у бензина, теплотой сгорания. Если при сгорании 1 кг бензина можно получить около 43,4 МДж тепловой энергии, то с 1 кг этанола можно снять только около 27 МДж. Но если для полного сжигания 1 кг бензина нужно 14,6 кг воздуха, то для сжигания 1 кг этанола - всего 9 кг, поэтому при использовании этанола в воздух просто впрыскивается большее количество спирта, и мотор работает практически без потери мощности. Так как для обычных владельцев важно, чтобы их автомобили могли работать как на бензине, так и на спирте, степень сжатия моторов приходится ограничивать возможностями бензина. Но у спирта октановое число существенно выше, и эта особенность уже давно нашла применение в автоспорте.

Ядовитый метанол одно время был самым распространенным топливом для гоночных автомобилей. Октановое число по исследовательскому методу у него выше, чем у "формульных" бензинов, и равно 111. Высокая детонационная стойкость топлива позволяла заметно повышать степень сжатия двигателя, а соответственно, и эффективность его работы.

Метанол, имея на три единицы большее октановое число, чем у этанола, проигрывает ему по теплоте сгорания. 1 кг метанола способен выдать всего 19,6 МДж тепловой энергии - как минимум вдвое меньше по сравнению с бензином. Но зато для полного сгорания 1 кг метанола требуется всего 6,5 кг воздуха. Это позволяет при работе двигателя добавлять в воздух значительно большее количество метанола, чем бензина, - в результате чего в случае использования непосредственного впрыска метанола можно снять с двигателя большую мощность, чем при использовании бензина, даже без повышения степени его сжатия. Так что метанол прочно закрепился в автоспорте, но изобретатели не удовлетворились этим. Они пытались найти еще более "мощное" топливо, позволяющее заметно повысить отдачу "искрового" двигателя.

Топливо для экологии

Если до топливного кризиса 1970-х годов цены на бензин мало кого волновали, то после этого времени монополисты "искровых" двигателей стали все чаще искать более экономную альтернативу, а в 1990-е годы не меньшее внимание начали уделять еще и экологическим характеристикам топлива. Так, все большим интересом начинают пользоваться сжиженный и природный газ. С экологической точки зрения природный газ представляется самой привлекательной альтернативой. При его использовании существенно снижается эмиссия токсичных выбросов с отработавшими газами, привлекателен он и с точки экономии топлива, ведь стоимость его заметно ниже бензина. Но достоинства перекрываются недостатками: во-первых, двигатель, работающий на природном газе, имеет затрудненный запуск в холодную погоду, а во-вторых, пока экономически целесообразней выпускать битопливные двигатели. Из-за этого двигателестроителям приходится ограничивать степень сжатия возможностями бензина, и высокое октановое число природного газа 130 оказывается бессмысленным. Так что, несмотря на то что теоретически двигатели, работающие на природном газе, могут выдавать большую мощность по сравнению с бензиновыми, на практике при работе на метане мощность снижается примерно на 10% и одновременно увеличивается расход топлива.

Топливо с полей

"Поля вместо скважин" -так звучит девиз сторонников биотоплива. Подобно Никите Хрущеву, они предлагают засеять нашу планету кукурузой и получать из нее этанол. При сгорании спирта в атмосферу выделяется СО2, ведущий к парниковому эффекту, однако растения, из которых получают топливо, при росте поглощают этот вредный газ. Слезть с нефтяной иглы можно также путем более эффективного использования отходов производства. Например, из древесных опилок можно получить как этанол,так и прекрасный заменитель дизельного топлива. Широкому распространению биотоплива мешает его дороговизна, но рост цен на нефть обещает усилить его позиции.

На фоне природного газа использование водорода в ДВС выглядит менее перспективным. Теоретически, если двигатель оборудовать непосредственным впрыском водорода, его мощность можно увеличить примерно на 20% по сравнению с аналогичным бензиновым. Ведь теплота сгорания водорода - 120 МДж/кг, правда, она частично компенсируется тем, что для сгорания 1 кг водорода требуется 34,48 кг воздуха. Но почему же тогда водородный С-МАХ не впечатлил пишущую братию? Оказывается, мощностью решили пожертвовать ради экологии. Дело в том, что вопреки созданному стереотипу из выхлопной трубы водородной машины выделяется не только вода, но и токсичные оксиды азота. Особенно высоко их образование при работе мотора на стехиометрической смеси, когда внутри цилиндра создаются высокие температуры. Поэтому, чтобы сделать выхлоп по-настоящему чистым, мотор заставляют работать на обедненных смесях - добавляя в цилиндр меньше водорода, чем это возможно. В итоге при переходе с бензина на водород машина теряет почти половину мощности.

Так что поиски оптимального топлива для "искрового" ДВС продолжаются...

Автообоз

Читайте в газете "Город за рулём"

[Гость flashhero]

Лидер мирового автопрома в области создания машин с гибридными силовыми установками через два года дебютирует в сегменте моделей на топливных элементах. Прототип предсерийной версии водородного автомобиля Fuel Cell Hybrid Vehicle компания Toyota покажет общественности на следующей неделе во Франкфурте.

Концептуальный автомобиль Toyota Fuel Cell Hybrid Vehicle оснащен такой же силовой установкой Hybrid Synergy Drive, как и гибридомобиль Prius, а также двумя баллонами высокого давления для водорода и батареей емкостью 21 кВт·ч.

Японский автопроизводитель сообщил, что модель обладает лучшими характеристиками в сравнении с концептом FCV-R, чья премьера состоялась в 2011 году. В частности, инженерам удалось уменьшить размер блока топливных ячеек, повысить их энергоотдачу и увеличить максимальный запас хода водородной модели. В пресс-релизе марки отмечается, что Toyota Fuel Cell Hybrid Vehicle преодолевает свыше 560 км. Силовая установка автомобиля способна работать при температуре ?30°C.

Товарный вариант Toyota Fuel Cell Hybrid Vehicle поступит на рынок по цене порядка $110 000.

Одновременно с водородным автомобилем во Франкфурте Toyota познакомит общественность с гибридной версией хэтчбека Yaris. Модель Yaris Hybrid-R оснащена силовой установкой суммарной мощностью 420 л.с.

[Muzik 3 466]

[Muzik 3 466]

[Muzik 3 466]