Устройства экономии топлива для теплового двигателя

Поршень 2 перемещается вверх от НМТ к I ВМТ Выпускной клапан 5 открывает выпускное окно, и цилиндр 1 освобождается от отработавших продуктов. В дальнейшем процесс работы двигателя беспрерывно повторяется. При этом цилиндр1,  головка цилиндра 3 охлаждаются системой охлаждения двигателя.

Таким образом, старый-новый ДВС работает на воде. Он избавит нас от многих бед, если мы это дело, как всегда, не угробим.

 

20. Немного техники

 

Главное препятствие к  внедрению водородного автомобиля -- отсутствие системы промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую систему удастся создать не раньше 2020--2030 гг. На переходный период ведущие автомобилестроители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатываются практически всеми ведущими автомобильными компаниями и уже серийно выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель  внутреннего сгорания приводит в  движение колеса через механический привод. Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что  их эффективность катастрофически  мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий коэффициент полезного  действия (КПД) автомобиля -- 10--12 % (за городом, где меньше светофоров, 15--17 %). Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу.

 

9.1 Автомобили на водородном топливе условно можно разделить на три класса.

 

Первый -- это машины с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде или водородной смеси. Такие модели могут работать на чистом водороде или 5-- 10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях КПД двигателя увеличивается (во втором случае примерно на 20%) и выхлоп становится гораздо чище (содержание угарного газа (СО) и углеводородов (СnНm) уменьшится в полтора раза, оксидов азота (NOx) -- до пяти раз. Такие двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания у нас и за рубежом примерно в 70--80-х годах. Однако, учитывая затраты и конструкционные сложности, это может быть только промежуточным, переходным этапом на пути к третьему типу.

Второй -- это машины с двумя электроносителями, так называемые гибридные. Его колеса приводят в движение электропривод, энергию которому поставляет аккумулятор, в свою очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь КПД электродвигателя достигает 90--95 % в отличие от бензинового (35 %) или дизельного (50 %), таким образом, общий КПД повышается до 30 %, соответственно снижается расход топлива. Даже если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем вредных выбросов позволяет уложиться в нормы «Евро-4» с десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый выхлоп можно только у третьего типа автомобилей.

Третий -- настоящий водородный автомобиль -- это машина с электродвигателем, который питается от топливного элемента, расположенного на борту автомобиля. Теоретически КПД топливного элемента, работающего на смеси водород--воздух, может быть больше 85 %. Сейчас уже удалось получить двигатели с КПД около 75 % -- это более чем в два раза выше, чем в лучших двигателях внутреннего сгорания. В условиях города такие машины получат пяти--шестикратное преимущество перед обычными автомобилями.

21. Вместо топливного бака

 

Общая схема водородного  двигателя понятна: электродвигатель, топливный элемент, водород для  его работы. Проблема заключается  в том, что нужен некий аналог топливного бака, а ведь водород  в топливный бак не нальешь. Это  на сегодняшний день самая большая  техническая трудность.

Ученые рассматривают  довольно много вариантов. Например, можно хранить водород в аккумуляторах  на основе гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi идр.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистое вещество. Но при этом варианте масса водорода в общем объеме вещества (т. и. аспектное число) составляет всего 5 %, к тому же возникает проблема со скоростью высвобождения водорода. Можно хранить водород в жидком виде. Но, во-первых, это требует охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (соответственно, вырастает стоимость водорода), а во-вторых, заправленный таким образом автомобиль должен будет расходовать свое топливо как можно быстрее. Очень перспективное направление -- хранение водорода в наноструктурах (углеродных нанотрубках), однако эти исследования находятся пока на начальных стадиях.

Наиболее перспективным  ученые считают хранение водорода в  баллонах высокого давления -- более 350 атм (аспектное число до 18 % при давлении выше 500 атм) или получение его прямо на борту из другого топлива (метанола или жидких углеводородов: бензина, дизельного топлива и пр.), в специальных каталитических реакторах (аспектное число около 10 %). Такие системы разработаны и российскими учеными и при разумных габаритах обеспечивают запас водорода для пробега в несколько сотен километров.

Конструкторы сталкиваются также и с другими проблемами. Так, машина (прежде всего кабина) должна иметь систему водородной безопасности.

 

22. Топливный элемент

 

Топливный элемент, работающий на водороде, -- одна из ключевых деталей в новом автомобиле. Топливный элемент (иначе -- электрохимический генератор) -- это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. То же происходит и в обычных электрических аккумуляторах, но в топливных элементах есть два важных отличия:

-- они работают до тех  пор, пока поступает топливо;

-- топливный элемент не  нужно перезаряжать.

 

Топливный элемент состоит  из многих десятков ячеек, каждая примерно в сантиметр толщиной. Каждая ячейка состоит из двух электродов, разделенных  электролитом. На один электрод (анод) подводится топливо (водород), на другой (катод) -- окислитель (кислород воздуха). Водород здесь не сгорает, химическая реакция окисления происходит при низкой температуре в присутствии катализатора. Смысл устройства в том, чтобы, используя эту реакцию, разделить положительный и отрицательный заряды в пространстве и создать между ними напряжение. Поэтому электролит, заполняющий пространство между электродами, должен обладать способностью пропускать через себя протоны (т. е. ионы водорода) и не пропускать электроны. На аноде водород распадается, на электроны и протоны, далее протоны проходят через слой электролита, достигают катода и, соединяясь с кислородом, образуют воду. Однако в вопросах получения качественного и недорогого электролита наука пока что испытывает огромные трудности. Полимерный электролит американской фирмы «Дюпон» стоит около 700 евро за м2, а на батарею для среднего автомобиля нужно десятки квадратных метров такого материала. Понятно, что при такой стоимости электролита невозможно наладить серийный выпуск водородных автомобилей. Учеными всего мира ведутся интенсивные исследования с целью удешевления этого материала и использования его при более высоких температурах (150--200°С).

В общем, топливный элемент  на водороде вполне готов к применению. Дело за малым: сделать его компактнее и дешевле.

 

Заключение

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода - это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения  оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны  миллионы лет, а чтобы в цикле  получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты. Но водород  как топливо и химическое сырьё  обладает и рядом других ценнейших  качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может  заменить любой вид горючего в  самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных  двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в  процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых  и иных целей, метан в топливных  элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах.

В то же время водород - сырьё  для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для  получения синтетических углеводородов. Автопроизводители говорят, что водородные двигатели решают сразу две важнейшие задачи, во-первых, они делают автомобили и их выхлопы безвредными для окружающей среды, а во-вторых, они снижают зависимость транспортной системы, являющейся ключевой для современного мира, он нефти и ее производных

Научные исследования однозначно показывают, что наибольший экологический  ущерб природе и соответственно человеку наносится химией, используемой в аграрном производстве, а также  добычей и сжиганием природных  углеводородов в качестве топлива  для автомашин и предприятий  энерго и теплоснабжения.

 …

 В крупных городах  на долю автотранспорта приходится  от 60 до 90% общей массы выбросов  в атмосферу, остальное приходится  на долю промышленных предприятий.  В целом автотранспорт выбрасывает  в воздух более 40 химических  веществ, причем каждый из них  в различной степени вреден  для организма человека.

Брюса Стерлинг, роман “Распад”. В нем есть один прелюбопытный  эпизод. Крупная автомобилестроительная корпорация финансирует талантливейшего  биолога. Этот исследователь сделал не что иное, как “живой” генератор  электричества, способный дать жизнь  сверхдешевым и совершенно экологичным электромобилям. Но он сталкивается с тем, что корпорация даже не собирается пользоваться этим чудом. Почему? И тут следует страстная речь одного из капитанов компании:

 “…Господи, никто  не мог предположить, что проклятый  сахарный двигатель будет работать. Дьявольское изобретение – гигантский  микроб в коробке! Мы создаем  автомобили, мы не занимаемся  разведением гигантских микробов! И тут они выкидывают этот  сумасшедший трюк и… Ну, это просто делает нашу жизнь невозможной! Мы – классическая промышленность, мы работаем с металлом! У нас все схвачено – сырье, топливо, запасные части, дилеры… Мы не можем сообщить в лицо нашим топливным поставщикам, что заменяем их сахарной водой! Поставщики топлива – часть нашего бизнеса! Это будет все равно, что отпиливать собственную ногу! 

Список литературы

 

1. История автомобильного транспорта. Режим доступа: www.auto-book.net
2. Непомнящий А.Л. История автомобилей. Режим доступа :http://automan.ru
3. Шотт. А.В. Курс лекций по истории автомобильного транспорта /А.В. Шотт, И.С. Петров. - Минск: Асар, 2004
4. Экология и жизнь -2005- №5- (статья из журнала)

 

Электронные ресурсы:

 

5. www.google.by
6. www.library.by
7. http://www.dunmers.com/?p=210
8. http://vseprokosmos.ru/nauka43.html
9. http://new-energy21.ru/ustroystva-ekonomii-benzina/par-i-voda-effektivnyie-zameniteli-topliva-na-transporte-s-teplovyimi-dvigatelyami.html
10. http://c-plant.kiev.ua/idei/voda-vmesto-benzina/
11. http://www.meanders.ru/meiers.shtml
12. http://www.ecotoc.ru/liquid_biofuel/hydrogen_fuel/d127/