Б.П. Садковский, А.Ю. Андросов ДВИГАТЕЛЬ БУДУЩЕГО

Б.П. Садковский, А.Ю. Андросов
ДВИГАТЕЛЬ БУДУЩЕГО
На данном этапе научно-технического развития человек использует
несколько
типов
двигателей:
двигатель
внутреннего
сгорания,
электродвигатель, двигатель на водороде, биотопливе и гибридные установки,
сочетающие в себе комбинацию нескольких преобразователей энергии.
Каждый из этих типов имеет определенный потенциал для дальнейшего
развития. Рассмотрим в частности каждый из них.
Двигатель на дизельном топливе и бензине.
Множество исследовательских центров высказывают такую точку зрения,
что бензин до сих пор является наиболее эффективным видом топлива. Оно
является менее затратным по сравнению с конкурентами, приобретение
автозапчастей двигателя внутреннего сгорания не составляет труда, у бензина
сохраняются большие перспективы развития: прямой впрыск, изменение фаз
газораспределения, система рециркуляции воздуха, дезактивация цилиндра,
принудительная индукция. Недалеко отстает от бензина и дизельное топливо,
которое приводит в движение практически всю спецтехнику. Проблема
использования бензина заключается в выбросе углекислого газа, загрязняющего
окружающую среду, при том что не вырабатывать его двигатели попросту не
могут, поскольку он является основными продуктом сгорания нефтяного
топлива. Другой фундаментальной проблемой является сама нефть, запасы
которой отнюдь не бесконечны. Такое положение дел в свою очередь не только
отражается на скором росте цен на топливо, но и стимулирует поиск
альтернативных источников энергии.
Двигатель на биотопливе.
Многие компании разрабатывают автомобильные двигатели специально
для работы на биологическом топливе. Биодизель используется для дизельных
двигателей, а также для бензиновых двигателей, работающих на этаноле.
Получение такого топлива возможно буквально из всего, начиная от пшеницы и
кукурузы и кончая древесными отходами. Биоэтанол — это смесь этанола и
бензина. Применение биоэтанола и биодизеля помогает сокращать выбросы в
атмосферу углекислого газа. Автомобильными компаниями разработан
бензиновый двигатель, способный работать на топливе, содержащем 10%
этанола (топливо Е10). Применение такого топлива способно сократить выброс
в атмосферу углекислого газа на 6%. Следовательно,экологический вопрос
становится неактуальным. Но по данным EROEI (энергетической
рентабельности вещества, т.е. отношения полученной от источника энергии, к
объёму затрат энергии, требуемой для использования этого источника) затраты
энергии на производство этанола как минимум на 27% превышают то
количество, что он может отдать. Если сравнить с нефтью, то получаемая
энергия в 20 раз превышает затраты на добычу. Другая проблема —
невозможность производства этанола в глобальном масштабе, из-за
географических и социальных возможностей человечества.
Двигатель на водороде.
На данном этапе некоторые автопроизводители пробуют использовать в
качестве топлива водород. Во-первых, водород — самый распространенный
элемент, а, во-вторых, при его сгорании образуется одна лишь вода, и никакого
углекислого газа и токсичных веществ. Принцип работы этой технологии в том,
что в процессе физико-химических реакций в топливном элементе происходит
расщепление водорода, и за счет этого вырабатывается энергия. Но, для
обеспечения высокой плотности энергии, т.е. приемлемый запас хода, водород
необходимо держать в сжиженном состоянии, для поддержания условий
необходимо постоянно испарять некоторое количество газа для отвода тепла
чего требуются криогенные баки, поддерживающие температуру минус 253гр.
Еще один из методов — это хранение водорода в баллонах, выдерживающие
колоссальное давление 40Мпа, т.е. 400 атмосфер. Масса такого баллона в
среднем составляет 50кг.Так же при сгорании водорода в цилиндрах двигателя
участвует не чистый кислород, а воздух, состоящий на 80% из азота, при
окислении которого образуются вреднейшие вещества NOx (оксиды азота).
Вследствие высокой температуры водородного пламени оксидов азота в
выхлопе оказывается даже больше, чем при работе на бензине. Для борьбы с
этим, разработчики объединяют водородно-воздушную смесь, что, в свою
очередь, ведет к новой проблеме — снижению мощности. К тому же, несмотря
на то, что в природе водорода чрезвычайно много, в свободном состоянии он
практически не встречается, потому необходимо приложить массу усилий,
чтобы извлечь водород из существующих соединений.
Гибридная установка.
За последнее время все чаще и чаще автоконцерны выпускают свою
продукцию в виде гибридов, то есть автомобилях с двумя двигателями —
внутреннего сгорания (обычно бензиновым) и электрическим. В зависимости от
нагрузки работает либо электромотор, либо более мощный двигатель
внутреннего сгорания, либо оба двигателя сразу. Питается электромотор от
аккумулятора, подзаряжающегося при торможении (рекуперации энергии), или
от генератора
двигателя внутреннего сгорания. Приоритет этого типа:
отличная динамика, экономия топлива, а, следовательно, и уменьшение
выбросов вредных веществ в атмосферу. Но при движении по шоссе или
стоянии в глухой пробке имеет недостатки: из-за отсутствия торможений
невозможно накопление энергии, частые отключения мотора могут приводить к
остыванию и неэффективной работе нейтрализаторов. Данная технология уже
хорошо освоена и не вызывает сомнений в своем дальнейшем развитии.
Электродвигатель.
Автомобили
с
электродвигателями
традиционно
считаются
транспортным средством будущего. Преимущества такого двигателя: наличие
высокого КПД до 90-95%;
максимальный крутящий момент двигатель
развивает с начала движения, в момент пуска; ему не нужна коробка передач;
меньшая стоимость эксплуатации и обслуживания; высокая экологичность
ввиду
отсутствия
применения
нефтяного
топлива,
антифризов,
трансмиссионных и моторных масел; низкая пожаро- и взрывоопасность при
аварии; высокая надёжность и долговечность экипажной части; возможность
подзарядки от бытовой электрической сети; меньший шум за счёт меньшего
количества движимых частей; высокая плавность хода с широким интервалом
изменения частоты вращения вала двигателя;
возможность
подзарядки
источников энергии во время рекуперативного торможения;
возможность
торможения самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) без
использования механических тормозов.
Основным препятствием на пути распространения электромобилей
по-прежнему остается недостаточная емкость источников электроэнергии.
Даже лучшие литий-ионные батареи обладают плотностью энергии всего в
250 Втч/кг, в то время как у водорода этот показатель равен 33000 Втч/кг, а у
бензина — 11000 Втч/кг. Поэтому дальность поездки электромобилей мала, к
тому же длительный процесс зарядки как 4-5 часов. Аккумулятор емкостью
100 Ач или, учитывая его напряжение 12 В, расчитывая по формуле:
С С U .
(C — емкость выраженная в кВч; С — емкость выраженная в Ач; U —
напряжение аккумулятора при данной мощности) при рассчитанной емкости
1,2 кВч имеет стоимость 5000 рублей, поэтому последние аккумуляторы
емкостью 85 кВч отличаются очень высокой стоимостью.
Электродвигатель — это механизм преобразующий электрическую
энергии в кинетическую, причём в процессе выделяется определённое
количество тепла. Типичные составляющие электродвигателя это статор (так
называется неподвижная его часть) и ротор — часть подвижная. Как и любая
другая подобная машина, электродвигатель работает по принципу
электромагнитной индукции: в статоре уложена своеобразная электрическая
цепь, по которой прогоняется при создании напряжения электрический ток, в
данном случае корректно называть этот ток «током возбуждения», т.к. он
возбуждает магнитное поле механизма, что буквально моментально приводит в
движение ротор, т.е. происходит индукция тока в обмотке ротора магнитным
полем статора, в результате проходящая через механизм электроэнергия плавно
превращается в кинетическую энергию вращения, которую можно
использовать для приведения в движение механизмов самого разного плана.
На данный момент все усилия по оптимизации работы батарей были
сконцентрированы на одну составляющую — анод. На следующем этапе
исследований необходимо изучить изменения в катоде, кроме того, необходимо
доработать электролитную систему так, чтобы батарея могла автоматически (и
обратимо) выключаться при экстремальных температурах — подобный
защитный механизм мог бы экономить заряд аккумулятора. В будущем
необходимо создать электроёмкие нано аккумуляторы, способные заряжаться
за считанные минуты. Этим уже начали заниматься: группа ученых кафедры
нанотехнологий Университета в городе Карлсруэ в Германии работает над
оптимизацией литий-ионных аккумуляторов. Данная система основана на
никеле, наночастицы которого заключены в углеродные капсулы и вступают в
1
1
реакцию с литий-фтором. Преследуемая учеными цель — это пятикратное
увеличение мощности в сравнении с традиционными элементами питания. В
новом аккумуляторе заряд переносится не катионом лития, а анионом фтора.
При этом на катоде и аноде образуются и распадаются фториды металлов. На
стороне катода используется металл, на стороне анода — фторид металла.
Основное преимущество данных материалов состоит в том, что теоретически
плотность запасаемой энергии можно увеличить до 5000 Втч/кг.
Пока ученые пытаются найти способ усовершенствовать литий-ионные
аккумуляторы, ученые из Университета Монаш в Австралии решили нарастить
емкость конденсаторов, для чего обратились к идее использования графена.
Для изготовления нового типа конденсатора использовалась технология
капиллярного сжатия гелеобразных графеновых пленок в присутствии жидкого
электролита. Благодаря новому подходу, можно создавать графеновые листы с
высокой плотностью и четкой прослойкой субнанометрового уровня между
листами. При этом, жидкий электролит играет двойную роль: сохраняет
минимальный зазор между листами графена и проводит электричество.
Конденсаторы имеют очень большой срок службы и достаточно быстро
заряжаются. Они имеют плотность хранения энергии от 5 до 8 Втч/кг, однако
это на порядок ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Но, если учесть, что
конденсаторы заряжаются быстро, то небольшой запас хода электромобиля,
150-200 км, уже перестанет быть проблемой.
Задача увеличения емкости аккумуляторов уже решается лучшими
инженерами мира, и активное использование электродвигателей в
автопромышленности приобретает реальный в будущем характер, поэтому
совершенно новый и экологически чистый двигатель рано или поздно будет
изобретен в ходе активной конкуренции ведущих производителей.
Список использованных источников
1. Садковская Н.Е., Садковский Б.П. Пути повышения уровня экологической
безопасности технических средств и технологий: монография. — Калуга:
Манускрипт, 2011. — 156 с. ISBN 978-5-94627-071-7.
2. Пузанов А.Т. Автомобили: Конструкция, теория и расчет: Учебник. —
М:
Академия, 2007. — 544с.