Міністерство загальної та професійної освіти РФ

Южно Уральський Державний Університет

автотракторний факультет

Денне відділення

Реферат на тему : двигуни внутрішнього

згоряння на зрідженому водні.

Виконав:

Студент гр. Ат-133

Борисов П. А.

Перевірив:

____________________

Челябінськ-2001

Космічні розробки знайшли продовження у новій "Ладі"

Про екологічно чистих автомобілях заговорили ще в сімдесятих роках. Але тернистий шлях від ідеї до реального прототипу почався набагато пізніше і продовжується до цих пір. АВТОВАЗ, будучи найбільшим вітчизняним автовиробником, не залишається осторонь від світових тенденцій. У Цього року на п'ятому Московському міжнародному автосалоні ВАЗ представив принципово нову розробку електромобіля на паливних елементах, концепт, що зачіпає не зовнішню сторону, а що міняє саму суть автомобіля в майбутньому. Детальніше про вазовськой новинці "Лада-Антел" розповідає радник віце-президента по технічному розвитку Георгій Мірзоєв, який є керівником цього проекту.

- Георгій Костянтинович, в чому полягає принципова новизна "Лада-Антел", які принципи роботи використовуваних паливних елементів?

- На автомобілі знаходяться балони з воднем і киснем. У спеціальному електрохімічному генераторі між воднем і киснем відбувається хімічна реакція при температурі близько 100 градусів, у результаті чого виробляється електрика, а в якості "вихлопу" утворюється вода. Ось основний принцип енергоустановки. Водень, що визначає пробіг автомобіля, знаходиться під тиском 290 атмосфер, і машина може пройти 250 кілометрів. Весь цей комплекс встановлений на електромобіль, створений на базі ВАЗ-2131 кілька років тому. Вперше у нас в країні такий генератор був створений для космічних цілей, зокрема для "місячної" програми і для "Бурана". Розробка енергоустановки велася спільно з Уральським електрохімічним комбінатом і ракетно-космічною корпорацією "Енергія" м. Корольов. Потрібно зауважити, що двигун внутрішнього згоряння має коефіцієнт корисної дії близько 30 відсотків, а нова енергоустановки на паливних елементах - в два рази більше. Тобто якщо перевести на будь-яке умовне паливо, то виходить, що ця енергоустановки абсолютно екологічно чиста і витрачає в два рази менше палива.

- Чим можна заспокоїти потенційних покупців, адже вміст кисню та водню разом небезпечно?

- Не небезпечніше, ніж вміст пари бензину з повітрям. Коли вперше з'явилися автомобілі на бензині, теж боялися, що машини почнуть вибухати. Але цього не відбувається. Звичайно, ми надалі будемо переходити з кисню в повітря. Тут теж свої труднощі: кисню в повітрі міститься всього 20 відсотків, і щоб отримати такий же ефект як при чистому кисні, потрібно в п'ять разів більше повітря. У такому випадку потрібно ставити компресор, який буде закачувати повітря в енергоустановку. Але навіть якщо перейти з кисню в повітря і залишити один чистий водень на борту автомобіля, виникає інше питання. Де взяти водень для заправки? Як видно, перший час доведеться встановлювати прямо на борту такий генератор, який буде виробляти водень із бензину.

- Історія електромобілів почалася ще двадцять років тому, з якими проблемами довелося зіткнутися?

- Наприкінці сімдесятих почали всерйоз замислюватися про екологічно безпечних автомобілях - виникла ідея перевести машини на електротягу. Потрібні були акумуляторні батареї, але виявилося, що світ не може створити акумулятори, які могли б мати досить високу питому енергоємність. А щоб зарядити батареї, на відміну від наповнення бака бензином, необхідно кілька годин. Тоді б доводилося заряджатися вночі, але якщо все б стали заряджатися вночі, не вистачило б електростанцій. Проблем була мас, і ентузіазм почав поступово згасати. І тільки в дев'яностих роках ця ідея відродилася і почалася робота з паливними батарей. Тепер вже завдання стояло навчитися виробляти електрику з уже відомих видів палива.

- Які перспективи у цього автомобіля в Росії?

- Показ "Лада-Антел" на автосалоні потрібен, щоб привернути увагу інвесторів і уряду. Адже виробництво екологічних автомобілів має стати державною політикою, а не політикою одного тільки Волзького автозаводу. До того ж витрати дуже великі - приблизно 1 мільярд рублів на рік протягом п'яти-шести років. "Лада-Антел" може стати реальним, що споживають в два рази менше палива, безпечним та екологічно чистим автомобілем.

Про те, як близько водневі машини наблизилися до реального життя, можна судити з BMW 745h. Буква h - це хімічний знак водню.

BMW 745h оснащується восьмициліндровим двигуном на водні. Як і попередник, 745hL, він може працювати як на бензині, так і на водні. Двигун об'ємом 4,4 літра розвиває 135 кВт (184 л.с.), максимальна швидкість дорівнює 215 км/ч. Запасу водневого палива вистачає для подолання 300 кілометрів, якщо додати до цього 650 кілометрів, які можна проїхати, заправив повний бак бензину, отримуємо майже 1000 кілометрів - дуже пристойну цифру.

Компанія BMW представила новий експериментальний седан 750hL з двигуном на водневому паливі. Таким паливом (водень + кисень) зазвичай заправляють ракети. Розробників привернула екологічність двигуна - він виділяє тільки водяна пара. Машина була продемонстрована в Лос-Анджелесі - одному з найбільш задимлених міст США.
На думку фахівців, вдалося зробити важливий крок до переходу на "безбензіновие" двигуни. Компанія BMW буде продовжувати тестування нових автомобілів у своєму дослідному центрі в Каліфорнії.
Двигуни на водні не тільки екологічні, але й дуже економічні. На моделі 750hL встановлено 12-циліндровий двигун, що розганяє машину до 141 миль на годину.
Рідкий водень закачується в спеціальний бак і дозволяє автомобілю проїхати без дозаправки близько 200 миль.
Тим часом, деякі експерти скептично ставляться до оснащення автомобіля таким вибухонебезпечним доповненням. До того ж, на сьогодні немає дешевої і надійної технології виробництва водню, що вплине на споживчу привабливість машини.
Як повідомляється, у серійне виробництво машина піде тільки років через десять, але BMW сподівається запустити моделі серії 7 на водневому паливі раніше. Основним завданням вважається створення необхідної інфраструктури та винаходи надійного способу зберігання такого палива "на борту". Водень можна виробляти з води шляхом електролізу або отримувати його з попутного нафтового газу. У будь-якому випадку це паливо буде коштувати поки значно більше, ніж бензин.
Що стосується вартості самої машини, то BMW 750 на водневому паливі можна порівняти за ціною з звичайною версією - вона коштує близько $ 93 тисяч.
Водень намагаються використовувати й інші автовиробники. General Motors застосовує його в паливних елементах для вироблення електрики. Honda і Toyota розробили гібридні моделі, у яких водневі двигуни поєднуються з електричними. Ford, GM і DaimlerChrysler AG планують представити власні версії подібних машин в 2003 році.

Toyota через два роки планує почати серійне виробництво автомобільних двигунів на водні. Один з таких автомобілів, який поки носить позначення FCHV-4, вже проходить випробування на вулицях Токіо.

Вже в 2003 році почнеться продаж обмеженої партії FCHV-4 (Full Cell Hybrid Vehicle). Скільки буде коштувати цей унікальний автомобіль, поки не повідомляється. Відомо тільки, що потужність мотора становить 107 к.с., а максимальна швидкість FCHV-4 дорівнює 150 км/год. ПАЛИВО НА МАЙБУТНЄ

Питома маса водню невелика, а ось його перспективи в автомобілебудуванні розцінюються як досить солідні.

Паливна криза 70-х років змусив багато автомобільних компаній по-новому поглянути на альтернативні види пального. Тоді-то і був відзначений першим сплеск інтересу до водню. А що, цей "кандидат" виглядав цілком багатообіцяюче. Водню на Землі - море. У прямому розумінні слова, адже його можна одержувати з води ...
Однак незабаром криза пішла на спад, нафтопроводи заробили на повну потужність, а водневі проблеми були, на перший погляд, відсунуті в далекі кути академічних лабораторій. Однак минуло двадцять років, і тепер ці дослідження, схоже, отримали друге дихання - вони виявилися співзвучні сучасним "екологічним" настроям. Дійсно: спалюємо водень - отримуємо воду. Як не поглянь - цілком нейтральний і нешкідливий продукт.

ДЕ ЙОГО ВЗЯТИ?

Розміщення агрегатів "Тойоти FCEV":
1 - двигун; 2 - електронний блок управління;
3 - паливні елементи; 4 - реактор перетворення
вання метанолу в водень; 5 - паливний бак;
6 - акумулятори.

Як завжди, у новому й перспективному справі безліч варіантів. Однаковість прийде потім, а поки вибір досить великий. Самое просте - замість бензобака розмістити на автомобілі балони зі стисненим воднем. Підходяща апаратура вже існує - адже у світі чимало автомобілів працює на стиснутому газі. Правда, природному, але пристосувати ці пристрої відносно легко. Звичайно, і сам двигун доведеться переробляти, але про це трохи пізніше. Такий шлях, хоча і здається простим, все-таки малоймовірний. Важко уявити водія, який добровільно погодиться возити ємності зі стисненим до 200 кгс/см2 воднем, до того ж здатним підступно проникати через найдрібніші нещільності паливної апаратури. У чому набагато перевершує природний газ, що складається з більш "важких і неповоротких" молекул і тому менш схильний до витоків. А ще кожен, безумовно, пригадає "гримучий газ" - вибухонебезпечну суміш водню з киснем в об'ємному співвідношенні 2:1.
Не більш перспективним виглядає і зріджений водень. Кому захочеться мати справу з паливом, яке потрібно зберігати при -253 ° С? І на які технічні хитрощі доведеться йти конструкторам, щоб підтримувати такий холод скільки-небудь тривалий час? Отже, цей варіант поки що теж відпадає.
На щастя, є ще одна можливість - гідриди. Нагадаємо, що атоми металів розташовуються в певному порядку, їх "побудова" називають кристалічними гратами. Так ось, деякі метали та сплави здатні "розмістити" між своїми атомами і атоми водню. Такі "співтовариства" і називають гідридах.
Так розміщуються атоми водню в
кристалічній решітці металу.

Не вдаючись у подробиці, зауважимо, що ємність подібного "сховища" (при рівному обсязі пристрої) вп'ятеро вище, ніж у балона зі стисненим газом, і майже вдвічі - ніж у Дьюара зі скрапленим. Дослідники наполегливо шукають найбільш походять сплави, але вже відомо, що найкращою основою для них є титан. Гидридні накопичувачі штука досить складна, і, природно, вони не складаються з цільного шматка металу, а більше нагадують губку з безліччю каналів - для швидкого поглинання і виділення водню. Останнє відбувається при нагріванні гідридів, а вже джерело тепла на автомобілі довго шукати не потрібно - скажімо, для цієї мети цілком підійдуть гарячі вихлопні гази. Ще одна важлива риса гідридів - вони стократ безпечніше інших способів зберігання водню. Правда, для автомобільного транспорту ємність і у них замала, а вага і складність пристрою, навпаки, великі.
Резонно поставити запитання: якщо зберігання викликає такі труднощі, чи не можна отримувати водень безпосередньо на автомобілі? Виявляється, можна. Самим перспективним вважається спосіб, при якому сировиною служить метанол, або, за старою російської класифікації, метиловий спирт - "молодший брат" відомого всім етилового. Родственнічек-то, правда, з характером - отруйний, але це якщо його пити, а взагалі-то він застосовується досить широко - навіть входить до складу більшості автомобільних рідини для миття скла.
Отже, бак автомобіля - по суті, цілком звичайний - наповнюють легкої рідиною з різким спиртовим запахом. Звідси вона потрапляє в реактор (не лякайтеся, не ядерний, а хімічний), випаровується і в присутності каталізатора реагує з водяною парою, виділяючи водень і двоокис вуглецю.
Паливо отримано, залишилось його використовувати. До речі, можна провести реакцію іншим способом, тоді другий з продуктів виявиться не СО2, а СО (той самий, з яким борються екологи); суміш останнього з воднем отримала назву синтез-газ. Оскільки Н2 і СО горючі, їх можна разом безпосередньо спалювати в циліндрах двигуна внутрішнього згорання. Подібні експерименти проводилися під безлічі лабораторій, в тому числі й у нас в НАМИ.

палити або не палити?

Більш ніж столітня традиція транспортних засобів із двигунами внутрішнього згоряння практично однозначно вирішує це питання в користь першого варіанту. Такий шлях обіцяє певні вигоди - підвищується ефективний ККД двигуна, єдиним прямим продуктом реакції є водяний пар, і навіть оксидів азоту (вони утворюються при високій температурі з кисню та азоту повітря) викидається в атмосферу в 4-5 разів менше (дані НАМИ), ніж при їзді на бензині.                              Структура паливного еелемента.         Схема паливного елементу.     

Певну небезпеку представляють спалаху "гримучого газу" в колекторі в момент відкриття впускного клапана. Щоб уникнути цього, інженери в 70-і роки припускали подавати водень безпосередньо в камеру згоряння. На кресленнях тих років неважко помітити додатковий канал в головці блоку циліндрів і маленький клапан, керуючий надходженням водню. Пізніше з'ясувалося, що проблему можна вирішити по-іншому - Скажімо, уприскувати в робочу суміш воду або забезпечити рециркуляцію відпрацьованих газів (теж, по суті, водяної пари). До переваг водню як моторного палива слід віднести його високу детонаційну стійкість, що дозволяє помітно збільшити ступінь стиснення і тиск наддуву. Ці заходи піднімуть ефективну потужність двигуна (при "бензинових" ступенях стиснення з-за меншого коефіцієнта наповнення потужність двигуна на водні виявляється Схема реактора. менше). Проводилися експерименти й по використанню водню в ... дизелі . Правда, в газодизельної циклі невелика порція рідкого палива подавалася в циліндр, щоб ініціювати початок горіння. Дизелю водень теж пішов би на користь - з ним викиди сажі і твердих частинок зводяться майже до нуля.
На перший погляд, додати до того, що сказано, начебто нічого, якщо не занурюватися в міркування про те, що краще спалювати: чистий водень, синтез-газ або їх всілякі суміші з бензином, метанолом, соляркою ... Але, виявляється, не всі фахівці мислять так прямолінійно. Деякі, раз ступивши на шлях досліджень в галузі хімії водню, вже й чути не хочуть про двигуни внутрішнього згоряння. І ось, завдяки зусиллям конструкторів на сцені з'являється нове дивовижне пристрій, що дозволяє при реакції водню з киснем отримати електричну енергію безпосередньо!

Багато хто, ймовірноо, пам'ятають шкільні досліди з електролізу: у воду опускають два електроди, підводять певну напругу, і на одному з них починає виділятися водень, а на іншому - кисень. Тут же все відбувається з точністю до навпаки. Водень у чомусь схоже на металів, і його атом легко втрачає свій єдиний електрон. У пристрої, що отримав назву водневий паливний елемент, реакція водню з киснем відбувається в кілька стадій. Спершу водень змушений пройти через іонообмінну мембрану, яка вільно пропускає лише протони - позбавлені електрона атоми водню (Н +), а зовсім не його молекули Н2. Електрони при цьому залишаються на негативному електроді (він же - платиновий каталізатор). Пройшовши через мембрану, водень знову отримує свій електрон - у момент реакції з киснем повітря, на позитивному (і теж платиновому) електроді. Електрони ж змушені йти "кружним шляхом", через електричний ланцюг, роблячи при цьому корисну роботу.
Ну ось, залишилось підключити електродвигун, блок управління і ... батарею акумуляторів. Остання, природно, менше, ніж в електромобілях, і служить для приведення всього пристрою в робочий стан, а також згладжує пікові навантаження на паливний елемент і зберігає енергію при гальмуванні.
Досвідчені екземпляри транспортних засобів з такою жахливою за складністю силовою установкою вже бігають по полігонах багатьох зарубіжних автомобільних концернів, а "Тойота" навіть представила свою модель FCEV (електромобіль з паливними елементами) на Токійському автосалоні в кінці минулого року. Займаються цією тематикою і "Мерседес", і американці, але найбільш активні японці. По правді кажучи, поки що складність і вартість таких автомобілів багато разів перевершують їх ефективність, але, як знати, в майбутньому ситуація може змінитися.
Кажуть, що в Японії регулярно проводять конкурси на транспортний засіб з найбільш складними перетвореннями енергії. Кілька років тому в такому змаганні переміг якийсь ентузіаст, що придумав ... велосипед. Обертання педалей цього хитромудрого пристрої призводило до тертя двох брусків, які, нагріваючись, кип'ятили воду. Невелика парова машина обертала генератор, а колеса приводилися в дію електродвигуном. Що найдивніше, цей велосипед був здатний рухатися (правда, надзвичайно неспішно)! Журі така конструкція здалася просто унікальною. Але ж тоді ще не побудували "Тойоту FCEV"! ..