В чём разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями

Коллекторный двигатель- Принцип работы и отличия от бесколлекторного двигателя

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.Текущие тенденции на мировом рынке автомобилестроения сводятся к полной замене силовых установок, работающих за счет внутреннего сгорания топлива на электрические моторы. За последние годы, призывы к увеличению планки по количеству вредных выбросов в атмосферу, звучат, чуть ли не ежедневно, а это укрепляет позиции электрических агрегатов.

Принцип работы электрического двигателя, преобразовать электрическую энергию в механическую работу. Если сравнивать агрегаты с двигателями внутреннего сгорания, электрические моторы предпочтительней, преимущество: компактность, простота, долговечность, экологически безвредны и масса других плюсов.

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.

Электромобиль Tesla model S:

Описание коллекторного двигателя

Прежде, перед рассмотрением вариантов установок, проясним, что значит понятие коллекторный двигатель. Электрический мотор, это устройство, преобразующее электрику в механику и наоборот. Если обмотка мотора имеет связующее звено с узлом коллектора и принимает участие в трансформации энергии, то такой агрегат носит название коллекторный.

Якоби Б.С. (1801-1874гг) изобретатель первого коллекторного двигателя в 1837г.

Элементы электрического двигателя:

• Ротор, деталь мотора, подвержена вращению;
• Статор, деталь мотора, остаётся в стационарном положении;
• Индуктор, кусок агрегата, который с целью сформировать момент, участвует в образовании потока магнитного поля. В состав индуктора входят: магниты, совокупность витков. Механизм выполняется в качестве части ротора или неподвижной детали;
• Якорь, агрегат, поддерживающий движение нагрузочного, упорядоченного движения частиц, носителей электрического заряда и за счет индукции, формирующий электродвижущую силу. Функцию якоря выполняет либо ротор, либо статор;
• Щетки, деталь, являющаяся частью электрической цепи, посредством которой ток передаётся к якорю. Материал, из которого делают щётки, как правило, графит. Двигатель содержит минимум две щётки для «положительного» и «отрицательного» полюсов;
• Коллектор, часть агрегата, контактирующая со щетками и распределяющая ток.

Название агрегата произошло благодаря наименованию узла ротора электродвигателя – коллектора. Визуально коллектор представляет собой деталь, в виде цилиндра, которая состоит из пластин меди, изолированных между собой.

Важно! Опытные пользователи знают, что для увеличения срока службы новой установки, обкатать коллекторный двигатель. Для этого в течение 10-15 минут агрегат работает на 15-20% мощности без нагрузки. Это позволит избежать прожигания коллектора и даст прирост мощности на уровне 10-15%.

Универсальный коллекторный двигатель.

Принцип работы коллекторного двигателя

Для того, что бы понять, как работает коллекторный двигатель, вспомним электромагнитную индукцию. Поместим на оси вращения проводник, с циркулирующим током внутри него, между магнитами, северный и южный полюс. Проводник вращается в направление движения тока, это принцип работы коллекторного двигателя. Питание проходит через щетки на конец проводника. Пол оборота, и происходит переключение тока, способствующее непрерывному вращению в заданном направлении. Коллекторный двигатель оборудован несколькими проводниками, поэтому окружность коллектора, делится на контакты.

От статора ток проходит к обмоткам ротора посредством последовательного соединения, щёток и коллектора. Коллекторные двигатели применяют в изделиях, где важна скорость вращения. Моторы не тяжёлые, с относительно небольшими габаритными размерами.

Принцип работы коллекторного двигателя.

Важно! Коллекторный двигатель, способен работать в обратном порядке, преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию. В этом случае, роль установки — генератор.

Разновидности коллекторных двигателей

Для удобства восприятия в любой сфере существует классификация изделий по критериям, признакам, функциональности. Что касается коллекторных установок, классификация проходит по разным параметрам.

Схема универсального коллекторного двигателя.

При классификации по питанию:

1. Универсальный коллекторный двигатель;
2. Коллекторный агрегат (направление движения заряженных частиц в электрическом поле = const);

• С индуктором на постоянных магнитах;
• С индуктором на катушках возбуждения:
• Катушка возбуждения (тип обмотки независимый);
• Катушка возбуждения (тип обмотки параллельный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки последовательный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки смешанный).

Универсальный коллекторный агрегат.

Установки применяются в быту, коллекторный двигатель переменного тока 220в используется в бытовой технике. Мотор потребляет постоянный и переменный ток. Популярность в применении обусловлена реверсом, регулировкой скорости вращения, необходимостью частоты выше 3000 об./мин.

Применяя однофазный коллекторный двигатель переменного тока, обмотки статора и ротора соединяют последовательно или параллельно. Последний вариант соединения уже никто не делает. Универсальный однофазный коллекторный агрегат работает с переменным и постоянным током.

Недостатки универсального механизма:

• Стоимость агрегата;
• Сложность обслуживания;
• Шумность работы, сложное управление, возникновение радиопомех;
• Полезное действие ниже необходимого, если применяется источник переменного тока;
• Износ щеток по причине образования искр.

Коллекторный агрегат (ток = const).

Индуктор на постоянных магнитах.

Конструктивное отличие от универсальной установки заключается в использовании магнитов, а не катушек возбуждения. Агрегат популярен и распространен в большей степени, чем остальные виды коллекторных установок. Положительный момент, это стоимость и простота конструкции. Кроме того, устройство легко в управлении. Камень преткновения, применяемые магниты, которые напрямую связаны с характеристиками мощности установки. На установку влияет образуемое магнитами поле.

Коллекторный двигатель с индуктором на постоянных магнитах.

Катушки возбуждения (независимая и параллельная)

Название типа получено как следствие независимого питания. Особенность, для возникновения момента питание индуктора и якоря должны отличаться, иначе ротор установки не будет крутиться.

Если нет возможности организовать подачу разного тока, то подключение делается параллельно. Оба типа одинаковы с точки зрения характеристик. Момент у силовых установок высокий (даже на низком вращении), рост частоты — момент уменьшается. Особенность: независимость катушки и якоря. Что бы агрегат вышел из строя, достаточно току, возбуждающему катушку, упасть до значения «0».

Схема независимого возбуждения:

Схема параллельного возбуждения:

Обмотка возбуждения (тип последовательный)

Последовательность, предполагает равное значение тока. При токе статора, значением ниже расчётного, падает мощность потока магнитного. Рост нагрузки сопоставим росту мощности потока, до тех пор, пока не произойдёт выход на предельный уровень, когда рост тока не увеличивает поток магнитный.

Такая особенность не позволяет запускать двигатель, если расчётная нагрузка, ниже 25%. Сделав это, произойдёт резкое неконтролируемое увеличение частоты вращения. Особенность наложила отпечаток на использование агрегатов, однако, если мощность установки ниже 200Вт, возможно падение нагрузки, даже до холостого хода.

Схема последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения (тип смешанный)

В таких агрегатах, установлено две катушки, подключены последовательно и параллельно. Первая носит статус основной за счет возможности применять большую силу магнетизма, вторая обладает статусом вспомогательной. Возможно подключение катушек встречным или согласованным методом. От выбранного подключения зависит, чему будет соответствовать интенсивность поля.

Подключить коллекторный двигатель можно, в случае надобности получения неизменной частоты, или увеличения оборотов при увеличении нагрузки.

Схема смешанного возбуждения.

Следующим шагом развития электрических двигателей стали бесколлекторные моторы. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного, отсутствие у последнего, как коллектора, так и щеток. Функцию ротора в двигателе выполняют магниты, которые расположены вокруг вала, тут же расположены и обмотки. Положение ротора контролируется датчиком. Информация от датчика обрабатывается вычислителем. Агрегат обладает положительными аспектами, присущими установкам с коллектором, не обслуживается, единственный отрицательный аспект, это высокая стоимость.

Альтернативные виды топлива для современных автомобилей

Человечество активно использует ресурсы планеты и загрязняет окружающую среду, мало заботясь о том, что останется после нас. Неисчерпаемые ресурсы используются минимально, а те, которые могут исчерпаться уже в ближайшее время, как раз наоборот. Запасы нефти в частности сильно истощены, тогда как потребность в топливе только растёт. При современных объёмах потребления ни о каком возобновлении ресурса не может быть и речи, тем более что для этого понадобилось бы не одно тысячелетие. Задумываясь о глобальных проблемах, учёные предпринимают шаги по замещению топлива, полученного путём переработки нефти, альтернативными вариантами. Все попытки пока не принесли серьёзных успехов, а лишь дали толчок для дальнейших разработок.

Выбор альтернативных видов топлива.

Тем не менее, альтернативные виды топлива для автомобилей применяются уже сегодня, хоть и в небольших масштабах. К тому же известными автопроизводителями в борьбе за экологию (или чтобы быть в тренде) выпускается всё больше экологически чистых машин, гибридных, а также оборудованных системами снижения вредных выбросов. Как известно, продукты горения классического топлива наносят колоссальный вред окружающей среде, поэтому горючее, которое придёт на смену бензину и дизельному топливу, решит сразу две проблемы – и недостаток энергоресурсов, и сохранение природы.

Исследования в данном направлении ведутся многие годы учёными разных стран. На данный момент используется несколько видов альтернативного горючего, способного в будущем заменить привычное топливо, и практикуется два варианта применения: частичное (в качестве добавок) и полное замещение. Конечно, для повсеместного внедрения разработок потребуется много времени и денежных вложений, в частности на обустройство инфраструктуры, поскольку такие автомобили необходимо обеспечить заправочными станциями, что на данном этапе не слишком активно воплощается.

Газомоторное топливо

Оптимальным во всех отношениях вариантом для замещения бензина и дизельного топлива сегодня является газомоторное топливо. Это экономный и экологически чистый вид горючего, широко распространённый во всём мире. В России среди других видов альтернативного моторного топлива чаще встречаются сжиженный углеводородный газ и компримированный природный газ. Потребление газа в виде топлива для автомобилей постоянно увеличивается, поскольку этому благоприятствуют большие запасы ресурса, активное развитие газозаправочной инфраструктуры и сравнительно низкая стоимость. Городские власти экономят внушительные суммы, переводя пассажирский транспорт и коммунальную технику на газомоторное топливо.

Сети заправок стремительно растут, а в ближайшие годы планируется существенное расширение инфраструктуры и увеличение поставок топлива. Многие предприятия сегодня стремятся к осуществлению работы автопарка на природном газе, переходят на него и автовладельцы, которые ценят экономичность (а она заметна с первых километров), хотя первоначальное переоборудование автомобиля потребует немалых затрат. Так, компримированный или сжиженный метан, сжиженные углеводородные газы в виде пропан-бутановых смесей, на которых базируется топливо, благодаря многочисленным преимуществам являются более логичной альтернативой привычному горючему.

Электроэнергия

Попытки привести автомобиль в движение за счёт электроэнергии предпринимались ещё со времён создания первых машин. Современные разработки обеспечили форсированное развитие автомобилестроения в данном направлении и намекают на повсеместное внедрение технологий уже в ближайшем будущем. Совсем недавно электромобили представлялись на обозрение общественности в единичных экземплярах, а сегодня уже поставлены на поток.

Серийно выпускаются и гибриды, которые сегодня считают необходимым иметь в своих линейках известнейшие автоконцерны. Во многих странах владельцы экологически чистых авто поощряют значительными субсидиями или налоговыми льготами, а то и вовсе освобождают от налога. Гибридные автомобили функционируют как на бензине, так и на электричестве, что очень удобно в отношении экономии и отсутствии прямой зависимости от источников электроэнергии. Машина не прекратит движение, если закончится запас энергии, а переключится на применение традиционного топлива.

Электромобили же, чаще всего оснащаемые крупными литий-ионными батареями и полностью зависящие от электропитания, не внедряются в больших масштабах ввиду необходимости регулярных поисков источников питания авто, а инфраструктура в данном направлении не спешит развиваться. Самый большой шаг вперёд сделала Швеция, где недавно открыли первую в мире электрифицированную дорогу для зарядки транспортных средств во время передвижения, её протяжённость всего 2 километра, но планы у правительства на внедрение заправочных дорог крупномасштабные. В ближайшее время планируется расширение сети таких дорог с целью увеличения транспортных средств, не загрязняющих окружающую среду.

Альтернативные источники топлива в виде электроэнергии, конечно, достаточно перспективны, но пока полноценно вживить инновации не получается. Проблема также состоит в обслуживании таких автомобилей, редкий автосервис возьмётся за электромобиль или гибрид, а те, что специализируются на этом, назовут за услуги немалую цену. Да и стоимость самих авто не каждому придётся по карману.

Водород

В поисках замены традиционного горючего на альтернативное топливо стоило только обратиться к истории, и идея воплотилась в использовании легковоспламеняющегося водорода, запасы которого практически неисчерпаемы, если наладить производство при помощи возобновляемых источников энергии. Применение вещества практиковалось ещё два века назад и давно используется в ракетных двигателях. В качестве подъёмного газа для авиатранспорта о водороде пришлось забыть, чему поспособствовала трагедия, случившаяся с дирижаблем «Гинденбург», в действительности газ при правильном обращении не более опасен, чем любое другое горючее.

Переход на новый вид топлива не требует больших вложений, ведь серьёзных конструктивных изменений не понадобится. Водород может применяться в классических двигателях внутреннего сгорания, а падения мощности ДВС поможет избежать небольшой апгрейд системы зажигания. Сгорание водородной смеси, заменяющей топливо, обеспечивает выделение большей энергии, чем в случае с бензином, что спровоцирует перегрев элементов конструкции двигателя, вещество также при нагреве негативно повлияет на смазку механизмов, так что хоть и незначительная, но модернизация всё же необходима. В целом направление имеет перспективы, но требует больших усилий для воплощения на практике.

Экологичность транспорта благодаря применению водорода бесспорна, поскольку «выхлопы» такого автомобиля пригодны даже для питья. Опасность газа сводится к минимуму благодаря его летучести, так что, если утечка произошла на открытом пространстве, он быстро растворится в воздухе, и гремучей смеси опасаться не стоит, однако в закрытом пространстве существует опасность удушья (например, если авто находится в гараже). Перспективные разработки современности по переходу на водород в виде экологического топлива уже внедряют ведущие автопроизводители, такие ка Тойота, БМВ, Хонда, Мерседес и Мазда.

Биодизельное топливо

В Европе, США и ряде других стран в виде альтернативы традиционному топливу решили использовать биодизель. Топливо на основе растительных масел, являющее собой метиловый эфир, полученный в результате химических реакций, применяется как в чистом виде, так и в смесях с дизельным топливом. Для добычи горючего используются самые разные сельскохозяйственные культуры, чаще всего рапс, соя, кокосовое и пальмовое масла, ятрофа, а также отработка растительных масел, животных жиров.

При применении альтернативного биодизельного топлива не требуется коррекция конструкции двигателя, но существенным недостатком является малый срок хранения, составляющий три месяца, после чего начинается разложение компонентов. К минусам относятся также негативное воздействие на лакокрасочное покрытие кузова и детали двигателя, потеря свойств в морозы, снижение мощности двигателя. К тому же используемые средства для выращивания требуемых растений в больших масштабах приводят к снижению качества почвы, а для производства сырья необходимы значительные территории.

К стопроцентным эко-продуктам биодизель не причисляется, но сравнительно с обычным дизтопливом горючее будет чище. Всё же, несмотря на преимущества биодизельного топлива, в том числе в виде дешевизны продукта и низкого уровня токсичности, вряд ли удастся внедрить повсеместно данный вариант, заменяющий привычное горючее.

Спирты

Посреди альтернативных видов автомобильных топлив широкое распространение получили спирты, известные хорошей возгораемостью, а именно этанол и метанол, добавляемые к бензину или самостоятельно в чистом виде. Этанол активно используется в жарких странах Латинской Америки, добывается из отходов древесины и сахарного тростника. Этиловый спирт отличается высоким октановым числом, он обеспечивает высокую производительность двигателя и снижает уровень вредных выбросов.

Метанол или древесный спирт, добываемый из хвои, успешно применяется США и европейскими государствами как альтернативное топливо ввиду дешевизны производства. Метиловый спирт имеет высокое октановое число и по стоимости ниже, чем этиловый. На заправках можно встретить бензин с добавлением спиртов, маркирующийся буквенными обозначениями Е и М, а также цифрами, которые свидетельствуют о процентном содержании спирта. В случае маркировки М100 или Е100, заливать горючее в обыкновенный ДВС нельзя. Применение стопроцентных спиртов, как этанола, так и метанола в качестве топлива потребует переоборудования двигателя автомобиля.

При таком обилии альтернатив никаких серьёзных подвижек не наблюдается для перехода на новый уровень технологического развития, и бензин по-прежнему остаётся главным видом горючего для заправки автомобилей. Сомнительно, что в ближайшие годы мы увидим воочию технологический прорыв в направлении полной или хотя бы хоть сколько-нибудь частичной замены традиционного топлива альтернативным, но в целом разработки весьма перспективны.

Чем заправляться, когда закончится нефть?

Газомоторное топливо

Один из самых доступных видов альтернативного топлива (хотя в некоторых странах СНГ и ЕС с этим тезисом вряд ли согласятся). Для широкого применения газового топлива нет необходимости конструировать какие-то особые двигатели или создавать с нуля специальную инфраструктуру. Автомобили, работающие на газе, производятся на основе обычных бензиновых или дизельных машин с минимальной модернизацией.

Существует два вида газомоторного топлива: пропан (сжиженный нефтяной газ – побочный продукт переработки сырой нефти или природного газа) и метан (природный газ). На пропане работали «газифицированные» грузовики и автобусы в советские времена. В современном автопроме предпочтение отдается метану.

Серийные модели, доступные в России: Volkswagen Passat/Passat Variant EcoFuel. Цена – от 1 275 000 рублей. Кроме того, перевести на газ сегодня можно практически любой бензиновый или дизельный автомобиль. Однако официальные дилеры такими переделками не занимаются, а за работы, выполненные в несертифицированных сервисах, вас немедленно лишат заводской гарантии.

Что мешает массовому распространению: прежде всего затраты на инфраструктуру. Они хоть и меньше тех, что требуются на зарядочные станции и водородные заправки, но тоже существенны. При этом в России, по нашим ГОСТам, бензиновый и газовый заправочные пистолеты не могут соседствовать на одной колонке. Кроме того, природный газ, как и нефть, когда-нибудь закончится.

Электроэнергия

Из всех возможных альтернатив бензину и солярке эту лоббируют наиболее активно. Основной аргумент: работающие электромобили не выбрасывают вредных веществ в атмосферу. Поэтому к ним издавна «неровно дышат» многочисленные экологические организации и поддерживающие их идеи политики.

Но если учесть выбросы при производстве электромобилей и батарей, а также при создании необходимой инфраструктуры – получится, что «на круг» они ненамного экологичнее машин с традиционными ДВС. Ряд проведенных исследований это уже подтвердил.

Серийные модели, доступные в России: Mitsubishi i-MIEV (от 1 800 000 рублей), E-Car GD04B (от 450 000 рублей).

Что мешает массовому распространению: дороговизна электромобилей и отсутствие компактных, емких и стойких к морозам аккумуляторных батарей. Кроме того, мало кто вспоминает о том, что во время зарядки электромобиль потребляет такое же количество электроэнергии, как и электрочайник. Но если последний закипает за пару-тройку минут, то электромобиль заряжается в течение нескольких часов. То есть для массовой «электромобилизации» человечеству придется значительно увеличить выработку электроэнергии. А самый распространенный в мире (и самый эффективный) способ ее выработки – тепловые электростанции. Работающие на тех же углеводородах. Круг замкнулся…

Водород (топливные ячейки)

На фоне моды на электромобили несколько подзабытым оказался водород. Лет пять назад мы намного чаще слышали об автомобильных новинках, использующих такой вид топлива. Не так давно с автомобилями на топливных ячейках активно экспериментировал даже АвтоВАЗ. Та самая компания, что только в прошлом году отказалась от выпуска разработанной в 1950-х годах модели.

Между тем многие производители разработку водородных авто не только не прекращают, но и полагают, что именно за ними – будущее. То самое, в котором не будет места углеводородам и продуктам их переработки, а выхлоп у всех машин будет безвредным.

Примеры серийных моделей: Honda FCX Clarity, семейство моделей Mercedes-Benz Fuel Cell (все перечисленные модели в России недоступны).

Что мешает массовому распространению: дороговизна технологий и разработанных серийных образцов. К этому добавим отсутствие необходимой инфраструктуры (даже в «повернутой» на экологии Калифорнии количество водородных заправок куда меньше, чем спортивных титулов у ее знаменитого экс-губернатора), а также невысокий КПД водородных движков – по сравнению с другими альтернативными видами топлива.

Биодизельное топливо

Представляет собой горючее на основе масел и жиров. Чаще всего – растительных, в некоторых случаях – и животных. В технической литературе встречаются даже описания биотоплива, произведенного из отходов жиров, использованных в кухнях ресторанов и кафе. Получается, фаст-фуд – не такой уж и вредный?!

Практически любой дизельный мотор можно «малой кровью» модернизировать под потребление биотоплива: как в чистом виде, так и в смешанном с «соляркой». Причем в последнем случае возможно использование такого горючего даже на неадаптированной машине.

Данный вид топлива получил несколько лет назад весьма широкое распространение в Европе, Бразилии и Аргентине. Не в последнюю очередь – за счет госсубсидий фермерам, согласившимся в промышленных масштабах выращивать необходимые для производства биодизеля культуры.

Примеры серийных моделей: на «биодизель» на основе жиров и масел переводят главным образом грузовики, автобусы, а также спецтехнику; легковые авто на биодизельном топливе – по большей части экзотика, но в Соединенных Штатах какое-то время назад они мелькали на дорогах довольно часто.

Что мешает массовому распространению: не поверите – конкуренция человека и автомобиля за пропитание! Ученые из Университета Миннесоты предостерегают: мода на биодизель вынудит фермеров засевать поля не продовольственными, а техническими культурами, и количество голодающих на планете (если так пойдет и дальше) вырастет до 1,2 млрд человек! Европа, вняв предупреждениям экспертов, от биодизеля постепенно отказывается.

Спирты (этанол и метанол)

Горючее на основе спиртов – еще одна из разновидностей биотоплива. Метанол, древесный метиловый спирт, в качестве топлива использовали ранее на автомобилях в виде смеси M85 (85% метанола, 15% бензина), но в настоящее время таких машин больше не производят.

Фото: Omniauto.it; Volvo Car Corp.

Зато в мире полным-полно машин, работающих на смесях бензина с этанолом, то есть этиловым (или «хлебным») спиртом. Производится он за счет брожения зерновых культур, но в последнее время этанол гонят (для транспортных нужд, разумеется) из самых различных трав, деревьев и водорослей. Даже из биомассы, остающейся после удаления из растительного сырья пригодных для пищевой промышленности компонентов.

Примеры серийных моделей: автомобили Volvo и Ford семейства FlexiFuel (в России недоступны).

Что мешает массовому распространению: недостаток сырья – все забирает себе ликеро-водочная промышленность… Если серьезно, то главная причина – дороговизна автомобилей, работающих на спирту. Равно как и необходимость использования для производства такого топлива продовольственных культур. Со всеми вытекающими (см. пункт о том, что мешает биодизельному топливу) последствиями…

Резюме Kolesa.Ru

Серийные автомобили на альтернативном топливе появляются в продаже все чаще. Что не может не радовать. Возможно, когда-нибудь мы наконец перестанем ездить на технологиях прошлых столетий и пересядем на достижения века нынешнего.

Проблема лишь в том, что пока эти самые продвинутые технологии слишком далеки от жизни. Альтернативные топливные системы в большинстве своем либо не выдерживают никакой конкуренции с традиционными, либо доступны лишь избранным.

Все изменится, когда будет создан двигатель на альтернативном горючем, столь же практичный и недорогой, как традиционный ДВС. И тогда мы без всяких правительственных льгот и преференций начнем покупать «зеленые» авто.

Мобильные телефоны тоже когда-то представляли собой ящики весом килограмма полтора-два. Когда-нибудь и автомобили «позеленеют», а из выхлопных труб будет вырываться лишь тоненькая струйка пара.

Альтернативное топливо для автомобилей

Дата публикации: 31 августа 2015

В данной статье рассмотрена целесообразность использования различных видов
альтернативного моторного топлива в России. Это различные спирты, водород, этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз и др. Приведены состав и отличительные особенности альтернативных топлив. Среди этих топлив стоит выделить биогаз. Биогаз является альтернативным источником энергии, в настоящее время его так же можно использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Сейчас в большинстве стран мира решается задача поиска заменителей топлива нефтяного происхождения, запасы которого резко сокращаются, а потребности в топливе растут. В последние время потребление углеводородных топлив в общем энергетическом балансе мира увеличилось в 4,2 раза.

Решение проблемы значительного сокращения потребления моторного топлива автомобилями, за счет совершенствования рабочего цикла ДВС, вряд ли может быть достигнуто. Это связано с тем, что известные способы улучшения экономичности, такие как совершенствование топливных систем и систем зажигания, в том числе применение микропроцессорных систем управления двигателем (МСУД), управление процессом газообмена, применение наддува, рециркуляция отработавших газов, недостаточно эффективны для кардинального решения проблемы.

Применение альтернативных топлив может значительно помочь решению этой задачи, а также в решении проблемы загрязнения автомобилями окружающей среды. В связи с этим во всех промышленно развитых странах мира широко развернуты работы по поиску эффективных заменителей топлив нефтяного происхождения. Несколько программ перевода ДВС на альтернативные топлива разрабатываются в США. Так, в начале 2003 г. более чем 520 тыс. автомобилей в США работали на этаноле, метаноле и биогазе, в Швеции начался выпуск автомобиля Volvo S80 BiFuel, который работает как на бензине, так и на биогазе. Но наибольших успехов в этом направлении достиг Китай, где 80% сельских и 60% городских перевозок осуществляются на биогазе. Кроме того, Китай экспортирует специальные ДВС, работающих на биогазе, в 20 стран мира.

Анализируя состояние с моторными топливами, делаем вывод, что такими топливами уже в ближайшее время могут быть: этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз.

Все альтернативные топлива можно классифицировать по следующим признакам:

• по составу — углеводородные, углеводно-кислотные спирты, водородные, спирты, угольный порошок и др.;
• по агрегатному состоянию — жидкие, газообразные, твердые, смешанные;
• по калорийности — высококалорийные, среднекалорийные, низкокалорийные;
• по способу применения — в виде добавок к нефтяным топливам;
• по источникам сырья — полученные из угля, торфа, сланцев, биомассы, воды и др.;
• по технологическим процессам получения — пиролиз, гидрогенизация, каталитическая конверсия, газификация, электролиз и др.

Применение альтернативных топлив осуществляется в двух вариантах:

• частичная замена, то есть применение в качестве добавок;
• полная замена основного топлива.

В ряде стран уже широко используются добавки спиртов к бензину, что позволяет значительно уменьшить потребление последнего. Проводятся исследования по производству синтетических бензинов из угля, сланцев и нефтяных песков, проводится также исследование возможности использования в качестве топлива смеси бензина с 15 % метанола и 7 % изобутилового спирта, добавляется в качестве стабилизатора.

Перспективным считается применение метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в качестве присадки к бензину вместо токсического тетраэтилсвинца. Несмотря на то, что теоретически и экспериментально доказана целесообразность использования в качестве моторного топлива водорода, он пока дорог. Кроме того, не до конца решена проблема его рационального хранения на борту автомобиля.

Газовые топлива первыми получили распространение как моторные топлива, составляющих альтернативу традиционным. Известно несколько видов альтернативных топлив, которые можно и целесообразно использовать в России как автомобильные топлива, а именно: нефтяной газ, природный газ, генераторный газ, водород, биогаз, этанол и рапсовое масло.

Свойства наиболее перспективных альтернативных топлив

Нефтяной газ (бутан-пропановая смесь) используется преимущественно в сжиженном состоянии (СНГ). Ее октановое число составляет 90-100 ед., низшая теплота сгорания 24800 кДж/кг. Применение ее вместо бензина значительно уменьшает содержание вредных веществ в ОГ автомобиля СО — в 2 раза, CnHn — в 1,3…1,9 раза, NOx — в 1,2 раза.

Природный газ достаточно популярен. Автомобилестроители уже разработали и построили значительное количество автомобилей, работающих на природном газе. Это объясняется, прежде всего, тем, что современные ДВС для перевода на природный газ требуют лишь небольшие конструктивные изменения в системе питания топливом, в установке угла опережения зажигания и в системе смазки. Для обеспечения достаточного запаса газа на борту автомобиля он предварительно должен быть компринован (КПГ) или сжиженным (СПГ). Октановое число природного газа составляет 100-110 единиц, низшая теплота сгорания — 32-36 мДж/кг. При эксплуатации двигателей на природном газе существенно уменьшается токсичность по СО — в 4-6 раз, по CnHn — в 1,3-1,9 раза, по NOx — в 1,3 раза; в газодизеле — дымность на 50-70 % меньше, чем в дизелях, содержание канцерогенных веществ уменьшается в 5-7,5 раз, NOx остается на том же уровне, что и в дизеле, но в газодизеле больше выбросов CnHn и альдегидов.

Необходимость быстрого перехода на газовые альтернативные топлива, связана с переоборудованием топливной аппаратуры существующих транспортных средств (ТС), которая дает возможность работать на двух видах топлива — бензине и газе (в зависимости от их наличия). Но при этом ухудшаются энергетические показатели ТС на 15-20%. Для сокращения таких расходов необходимо изготавливать ДВС, предназначенные только для газового топлива.

Во многих странах мира (США, Канада, Новая Зеландия, Аргентина, Нидерланды, Франция, Китай и др.) перевод ТС на работу на газовом топливе поднят до ранга государственной политики как путь к экологизации автотранспорта. Для этого разработаны и внедряются нормативно-законодательные базы: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. Такая политика дает ощутимые результаты. Так, в Нидерландах 50 %, в Италии — более 20%, в Австрии — 95 %, в Дании — 87 % автобусного парка работает на газовом топливе. США планируют в 2010 году довести использование природного газа на ТС до 57 %, а пропан-бутановой смеси — до 31 %.

Генераторный газ или синтез-газ (ГГ). Его получают на борту транспортного средства в реакторе (генераторе) в результате преобразования в газовое состояние твердого топлива: древесного угля, каменного угля, торфа, древесины и др. Состоит из 50 % водорода и 50 % оксида углерода. Отличительной особенностью его является то, что его получают из возобновляемых источников энергии, а для его хранения на борту ТС требуются значительно меньшие емкости, что значительно увеличивает грузоподъемность этого ТС. Для продуцирования ГГ на борту ТС привлекается энергия системы охлаждения, которая в обычном ТС рассеивается в окружающую среду, то есть уменьшается тепловое загрязнение атмосферы и частично утилизируется теплота сгорания.

По сравнению с природным газом ГГ сгорает медленнее и имеет более низкую теплоту сгорания 16,8…21,0 мДж/кг. Его октановое число составляет 90-95 единиц, т.е. работа на нем связана с крупнейшими потерями технико-экономических показателей ДВС.

Водород — наиболее экологически чистое топливо с неограниченными запасами в природе. Н2 входит в состав 90% компонентов, имеющихся в окружающей среде, и более, чем в треть компонентов на поверхности земли. Его основные недостатки в качестве топлива при применении на ТС: высокая энергия, которая нужна для его сжатия, и очень низкая удельная энергоемкость. Есть проблемы и с хранением его на борту автомобиля, особенно в криогенных баках, но главная проблема — высокая стоимость его получения.

Более перспективным является применение водорода на ТС в виде топливных элементов, особенно с применением протонных обменных мембран (Proton exchange membrane). Первые автомобили с топливными элементами уже продемонстрировали фирмы Toyota, Honda, Volkswagen, BMW, Nissan, Hyundai, но для наладки их промышленного производства требуется время.

Биогаз — сравнительно новое, перспективное, экологически чистое и экономически выгодное моторное топливо для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75% чище дизельного топлива и на 50 % чище бензина.

В состав биогаза входит метан СН4 (60-70%), диоксид углерода СО2 (до 30%), а также в малых количествах оксид углерода СО, водород Н2, азот N2, кислород О2, воздух, водяной пар Н2О, и сернистый водород Н2S.

Перед применением в ДВС биогаз лучше подвергать обогащению до уровня метана 95%, очистке, сушке и компримировать. Энергетический эквивалент биогаза составляет 9-10 (кВт•ч/м3). Физико-химические и экологические свойства обогащенного и очищенного биогаза и природного газа практически идентичны, поэтому для них может применяться одна и та топливная аппаратура. Есть только одно отличие между природным газом и биогазом: при сгорании последнего в атмосферу выбрасывается такое же количество СО2, которое было из него удалено при переработке. Еще биогаз считается абсолютно сбалансированным биологическим топливом.

Согласно европейским планам, биогаз будет использоваться прежде всего на автотранспорте, который обслуживает сельские и пригородные районы. Кстати, в Западной Европе биогазом уже отапливается не менее половины птицеферм, причем сырьем для отопительных установок являются обычные отходы тех же птицеферм. Благодаря биогазу потребности западноевропейского животноводства в топливе за последние десять лет сократились более чем на треть.

Лидером по использованию биогаза является Китай, который еще в 70-е годы XX в. совершил «большой биогазовый скачок», в результате которого более 60% всего автобусного парка страны, в том числе в сельской местности, сейчас работает на биогазе. Производство биогазовых двигателей в Китае к концу 80-х годов XX в. было засекречено. Сейчас Китай экспортирует их более чем в 20 стран мира.

Ученые подсчитали, что только в мировом сельском хозяйстве накапливается столько отходов, что их энергопотенциал может дважды покрыть общемировой спрос на энергию.

Этанол — одно из наиболее практичных альтернативных топлив. Чистый этанол или смеси этанола и бензина могут применяться в ДВС, предназначенных для работы на бензинах, например Chevrolet Suburban/Tahoe, GMC Wicon и др. В США сейчас объем потребления этанола и бензиновой смеси составляет до 10 % от общего объема использования бензина.

Главные преимущества топлива на базе этанола: во-первых, при сгорании образуется меньше токсичных веществ, во-вторых, при сгорании снижается содержание озона в воздухе. Недостатками этанола в качестве моторного топлива является его низкая энергоемкость, более высокая стоимость по сравнению с бензином и меньшая продолжительность пробега на одной заправке.

Наконец, рапсовое масло. Среди стран Европы рапсу уделяют наибольшее внимание Германия, Франция, Бельгия, Италия, Польша. При сгорании топлива из рапсового масла выхлопные газы содержат на 20-25% меньше вредных веществ, значительно меньше серы, а круговорот СО2 значительно уменьшает угрозу парникового эффекта.

Свойства МЭСМ (метиловые эфиры соевого масла) отличаются от аналогичных свойств дизельного топлива (меньшее значение Hu, большие плотность, коэффициент поверхностного натяжения и проч.). Поэтому для эффективного использования МЭСМ в качестве биотоплива необходимо изменить некоторые конструктивные и регулировочные параметры дизеля.

Л.Б. Ларионов, П.А. Болоев, Н.В. Степанов
Материалы IV международной научно-практической конференции
КЛИМАТ, ЭКОЛОГИЯ, СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО ЕВРАЗИИ

Воздух, жир, спирт и водород: ищем альтернативу бензину

В прошлом веке идея создания автомобилей на электричестве или на базе паровых двигателей казалась слишком утопичной или неэффективной по сравнению с технологией внутреннего сгорания. Бензиновые двигатели стали удобными благодаря электрическому стартеру и относительно низкой стоимости топлива. Спустя 50 лет человечеству пришлось задуматься об альтернативных источниках энергии: цены на нефть стали нестабильными, а проблемы с экологией на планете усугубились. Источников энергии для транспорта, как оказалось, не так мало. Они не настолько сумасшедшие, как ядерный реактор на банановой кожуре из фантастической трилогии «Назад в будущее», но в теории, а некоторые из них и на практике, могут повысить эффективность двигателей будущего, избавить человечество от вредных выбросов и сделать планету в целом более чистой. «Хайтек» подобрал несколько вариантов альтернативных источников энергии и объяснил, почему они эффективны.

Читайте «Хайтек» в

Дрова, воздух, топинамбур — что между ними общего? Все они помогут добраться из точки А в точку Б, если правильно их применить. Запасы нефти истощаются, экология страдает от выхлопов, поэтому пришло время вспоминать хорошо забытые старые подходы к топливу и создавать новые двигатели без недостатков традиционных двигателей внутреннего сгорания на бензине и дизеле. Давайте посмотрим, что человечество придумало и протестировало за последнюю сотню с лишним лет.

Обычный, но сжатый воздух

В 1863 году во французском городе Рошфоре на воду спустили подводную лодку Le Plongeur. Аппарат разработали инженер Шарль Брюн и капитан I ранга Симон Буржуа. Это была самая большая подлодка XIX века, способная погружаться на 10 метров и обладавшая повышенной прочностью конструкции благодаря поперечным и продольным переборкам. Возможно, вдохновившись увиденной на Всемирной выставке 1862 года в Париже субмариной, Жюль Верн затем и описал свой «Наутилус».

Одним из главных технологических нововведений этого экспериментального проекта был двигатель на сжатом воздухе. Мощность пневматической турбины составляла 80 лошадиных сил. 23 резервуара объемом 117 кубометров хватало на 12 миль подводного хода. Отработанный воздух частично нагнетался внутрь корпуса, а часть стравливали наружу — так что лодка оставляла след на поверхности воды.

Подобная технология использовалась и в авиации. В 1879 году другой французский изобретатель Виктор Татен создал модель аэроплана с размахом крыльев 1,9 метров и двумя винтами, которые работали от двигателя на сжатом воздухе.

Позже, снова во Франции, Луи Мекарски представил двигатель для трамвая. К концу XIX столетия изобретатель уже имел целый парк из 96 трамваев, но позже их заменили на электрические. Однако агрегат стали использовать в шахтах.

Двигатели на сжатом воздухе не выделяют вредных веществ. Поэтому сегодня над ними работают стартапы, рассчитанные на особенно ответственных потребителей, и компании, которые вынуждены показывать свою ответственность перед обществом и планетой.

В середине 2000-х компания MDI представила прототип пневмоавтомобиля AIRPod. Компанию основал Ги Негр, конструктор двигателей, работавший на Renault и создавший систему пневматического пуска двигателей для легких самолетов. Он предложил двигатель на этом принципе для болидов «Формулы-1».

Сейчас на сайте производителя именно этого проекта нет, но есть ряд других авто, а также катер с двигателем, работающем на сжатом воздухе, велосипед и автопогрузчик. Энергию воздуха компания предлагает использовать и в домашних электрогенераторах.

Более известный автопроизводитель, компания Citroen в 2015 году представила кроссовер на сжатом воздухе. Разработчики облегчили серийную модель автомобиля, повысили ее аэродинамичекие свойства, спрятали в районе багажника баллоны и в результате получили концепт Citroen C4 Cactus Airflow 2L.

Автомобили на сжатом воздухе максимально экологичны, но есть и минусы — низкий КПД и ограничения по скорости. Для городской малолитражки есть иное решение — использование гибридных двигателей. В случае с Peugeot Hybrid Air только при скорости 70 км/час энергия от сжатого воздуха будет использоваться в течение 60–80% времени, что позволяет сэкономить топливо. Воздух в баллоны закачивается благодаря использованию рекуперативной энергии торможения, которая приводит в действие гидравлический насос — он нагнетает рабочее давление в основном баллоне. Способ похож на тот, что используется в электромобилях для зарядки аккумуляторов.

Фритюрный жир

Еще один источник возобновляемой энергии — растительное масло. В первых двигателях внутреннего сгорания Рудольф Дизель использовал именно его, а не бензин. Для получения биотоплива можно использовать как свежее, так и отработанное масло, например, после использования во фритюре. В теории сети быстрого питания могли бы стать поставщиками такого сырья. В городе будущего можно представить, как на «пит-стопе» вы покупаете бургер с картошкой, одновременно заправляя бак своего авто.

Почему мы используем нефть в качестве топлива?

Деревья поглощают из воздуха углекислый газ, а из осадков — воду. В результате они образуют углеводы — соединения из углерода, кислорода и водорода. Когда растение разлагается, оно оставляет после себя углеводород. В нефти 90% веществ — именно эти углеводороды. Благодаря горючим свойствам углеводорода бензин и дизель, результаты переработки нефти, обеспечивают возможность двигателей внутреннего сгорания работать.

Альтернативы этому источнику углеводородов можно найти в природе. Чтобы превратить растительное масло в топливо, нужно смешать его со спиртом и катализатором — например, щелочью. Примерно так же делают мыло, но без добавления спирта. Процесс получается эффективным: если из тонны нефти можно получить полтонны бензина, то из тонны растительного масла — тысячу литров биодизеля и глицерин.

Один из главных плюсов биодизеля — производить его можно из полностью возобновляемого сырья. Например, можно засеять неиспользованные поля сельскохозяйственного назначения топинамбуром.

Углекислого газа при сжигании биодизеля выделяется немного. При этом в нем нет серы и других примесей, способных отравлять окружающую среду, которые есть в традиционных видах топлива.

Сейчас биодизель добавляют в бензин. Например, с 2018 года в Эстонии, по инициативе Евросоюза, в 95-й бензин и в дизель добавляют биокомпонент, чтобы снизить загрязнение окружающей среды.

Использовать биодизель можно в обычных дизельных двигателях, если добавить в топливо присадку и изменить систему подачи с учетом пониженного содержания энергии в биодизеле. Но есть и минусы — застывает такое топливо при более высокой температуре, чем дизель, поэтому нужны меры для использования биотоплива в холодных регионах.

Природный газ

При перегонке нефти получают пропан-бутан. Эта смесь газов в сжиженном виде сегодня используется практически в большинстве автомобилей. Он быстро и полностью сгорает, поэтому имеет высокое октановое число без использования дополнительных присадок.

Автомобиль можно сделать гибридным, баллон с газом поместить на место запасного колеса, а оборудование подключить к бортовому компьютеру. Автомобиль будет заводиться на бензине, затем переключаться на газ. После его полного использования снова возвращаться к бензину. На газу таким образом получится проехать 300–350 километров.

Есть и другой газ — метан, простейший углеводород. Его называют болотным, поскольку он образуется при гниении ила на болотах. Для использования в двигателе метана его необходимо охладить и сжать под высоким давлением. Минус — нужны толстостенные баллоны с давлением на 200 атмосфер, каждый из которых может весить порядка 100 кг. Поэтому метан чаще используют не в легковом транспорте, а в грузовиках и автобусах.

В 2018 году в России потребили 705 млн кубометров этого газа. КамАЗ на газомоторном топливе окупается на два месяца быстрее дизельного аналога. Один куб метана эквивалентен литру бензина, а стоит 16 рублей — в три раза меньше. Но количество заправок в стране на прошлый год составило 360, чего, конечно, слишком мало, ведь всего число заправочных станций только на 2017 год превышало 15 тыс. АЗС.

В том случае, если мы говорим о необходимости перехода на альтернативные виды топлива, не завязанные на их добыче из недр, подход с газом рассматривать нет смысла. Запасы газа, как и нефти, могут исчерпаться, поэтому нужны технологии их производства в промышленных масштабах без зависимости от природных ресурсов. Либо выбор других источников.

Газ от горения дров

Французский инженер Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ, получил патент на его использование, а в 1801 году — патент на конструкцию газового двигателя. Другой инженер — Этьен Ленуар из Бельгии — в 1860 году запатентовал двигатель внутреннего сгорания на этом газе.

В итоге к 1938 году в Европе насчитывалось около 450 тыс. автомобилей, работающих на газогенераторном горючем. В СССР с 1936 года начали экспериментальный выпуск ЗИС-13, затем ЗИС-21 и ГАЗ-42, работающих на газе.

Когда двигатель внутреннего сгорания есть, но бензин или дизель недоступен, возможно использование газогенератора. Этот подход применяли, например, во время Великой Отечественной войны в СССР.

Принцип следующий: машина работает на дровах, угольных брикетах или торфе. При сгорании твердого топлива выделяется горючий газ, и он подается в цилиндры как топливо.

С точки зрения экологичности этот двигатель не сильно отличается от ДВС на природном газе — то есть он лучше, чем авто на бензине или дизельном топливе. Есть и минус — низкий КПД и ограниченная скорость.

Биоэтанол

Во время Первой мировой войны спирт использовали наряду с бензином во многих странах. Также с его помощью повышали октановое число, добавляя этанол к бензину.

Но уже спустя несколько десятков лет, во время Второй мировой войны, в США, Великобритании и Швеции невоенные организации и частные лица использовали бензин, в который добавляли до 30–35% этанола. После войны нефть снова подешевела, а этанол перестал пользоваться популярностью и исчез с топливных рынков. В США его производство восстановили после первого нефтяного кризиса 1970-х годов. В городах для общественного транспорта использование топлива с добавкой этанола стало обязательным — это помогает снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Биоэтанол получают в процессе переработки растительного сырья. Лидеры в производстве этого вида топлива — США и Бразилия. Из 117,5 млн кубометров биоэтанола в 2016 году в США произвели 59,5 млн, в Бразилии — 27,8 млн.

Сырье используется разное: в Бразилии это сахарный тростник, в США — кукуруза. Но также можно использовать другие сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара, такие как маниок, картофель, сахарная свекла или батат.

Спирт можно делать и из дерева, ведь целлюлоза содержит углерод и водород. Сырье измельчают, выделяют целлюлозу, добавляют водный раствор с ферментами, гидролизуют смесь до глюкозы и добавляют дрожжи. Смесь начинает бродить, после чего из нее удаляют дрожжи и выделяют спирт с помощью дистилляции. Получается технический спирт, у которого октановое число выше бензина. Поскольку в молекуле есть атом кислорода, требуется меньше кислорода для его сжигания в двигателе.

Угрозу биоэтанолу представляют низкие температуры. В баке это топливо может расслоиться и замерзнуть. Но есть способ исправить эту проблему — превратить биоэтанол в обычный бензин.

Биоэтанол подают в реактор с катализатором, происходит превращение биоэтанола в продукты с углеводородом. Углеводородная часть повторяет бензин с октановым числом 96, который можно использовать без присадок в обычных двигателях. В таком бензине нет серы, бензола или других токсичных соединений.

В Бразилии 70% автомобилей используют спирт вместо бензина. Около 40% потребностей в топливе страна обеспечивает за счет этого альтернативного вида топлива. Всё благодаря инициативе 1970-х годов, когда страны-экспортеры ввели эмбарго на поставку нефти государствам, поддержавшим Израиль. Пришлось создавать программу для обеспечения автомобилей заменителем бензина. Налог на бензин подняли, сделав использование этанола коммерчески выгодным, а строительство спиртзаводов поощрялось с помощью специальных условий по кредитам. А с 1979 года правительство подписало соглашение с рядом автомобильных концернов, включая Fiat, Toyota, Mercedes-Benz, General Motors и Volkswagen, чтобы те в стране собирали только машины, способные как топливо использовать стопроцентный спирт.

Диметиловый эфир

Также из стружек можно получить еще один вид топлива — диметиловый эфир. По химической структуре он похож на спирт, хотя здесь тоже два атома углерода, шесть водорода и один кислорода. Эфир используют в газовых баллончиках, он заменил собой фреон; эфир создает избыточное давление, что позволяет распылять содержимое баллонов. Свойства этого топлива похожи на свойства пропан-бутана, температура сгорания такая же, а давление, которое нужно обеспечить в баллоне, составляет пять атмосфер.

В 2005 году правительство Москвы подписало распоряжение, согласно которому департамент транспорта города должен был организовать испытания опытной партии автомобилей модификации ЗИЛ-5301 «Бычок» на диметиловом эфире. Испытания проходили на ГУП «Мосавтохолод», автомобили доставляли грузы в школы, детские сады и социальные объекты. На одной заправке они проходили 600 км и легко запускались зимой при отрицательных температурах до –30 °C. Пять таких «Бычков» выбрасывают в атмосферу столько же токсичных веществ, как один такой же грузовик на солярке.

Из диметилового эфира можно производить синтетический бензин. Это пытались делать еще в 1950-е годы в Европе, но длительная химическая реакция делала топливо дорогим.

В Институте нефтехимического синтеза решили эту проблему — там научились превращать диметиловый эфир в углеводороды бензинового ряда. В итоге получили тот бензин, который можно заливать в бак автомобиля. Получение обычного бензина требует больших мощностей, а синтетический бензин можно производить на небольших модульных установках. Октановое число синтетического бензина без добавок равно 76.

В колбах ниже — дизельное топливо и синтетический бензин. Как и в других видах биотоплива, в синтетическом бензине нет серы и почти нет бензола — токсичного канцерогена, поэтому он прозрачный, как вода.

Водородные топливные элементы

В Нью-Йорке 1900 года треть автомобилей были электрическими. Всё более эффективными становились аккумуляторы. Электромобили Detroit Electric, выпускавшиеся с 1907 года, сначала оснащались свинцово-кислотными батареями, а позже появились версии с железо-никелевым аккумулятором Эдисона. Тогда выпустили и первые гибридные автомобили — Woods Dual Power Model 44 Coupe имел сразу два двигателя, электрический и ДВС.

В 1910-е годы электромобили были популярны, но в 1920-е годы все изменилось из-за снижения цен на бензин и сами автомобили с ДВС, а также из-за повышения их удобства. Только в 1960–1970 годы, когда остро стали подниматься вопросы экологии, а цены на топливо стали нестабильными из-за нефтяного кризиса, производители вспомнили снова об электромобилях.

До 1992 года аккумуляторы развивались медленно. Но в том году появился первый литиевый аккумулятор, энергоемкость которого была выше как минимум в два раза, чем у свинцовой батареи. Это позволило увеличить пробег, а повышение мощности сделало двигатели более быстрыми.

Один из типов электрохимических источников энергии — топливные элементы. Одним из многообещающих подвидов этих элементов являются водородные. Водородные топливные элементы превращают химическую энергию топлива в электричество, минуя процессы горения. Такие устройства в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывают электроэнергию и не выбрасывают вредные газы в атмосферу. Автомобили на водородных топливных элементов сегодня разрабатывают такие концерны Ford, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen и многие другие.

Первым серийным автомобилем на водородных топливных элементах стала Toyota Mirai. Ее сейчас можно купить во Владивостоке чуть больше, чем за 1 млн рублей. Вместо выхлопного газа из трубы этого автомобиля выходит водяной пар.

Что мы будем использовать в качестве топлива через 30–50 лет — точного ответа нет. Но уже сейчас в разных странах люди на электромобилях получают налоговые послабления или другие преференции, а в YouTube умельцы переводят мопеды на газ или мотоциклы на дрова. Уже сейчас очевидно, что будущее — за чем-то максимально экологичным, а еще лучше, чтобы транспорт в принципе не нужно было заправлять. Но такие мечты всегда разбиваются о реальность.

Альтернативное топливо

В январе 2013 года Европейская комиссия объявила амбициозный пакет мер, направленных на создание сети заправочных станций для всех видов альтернативного топлива в странах Евросоюза с общими стандартами по их разработке и использованию.

Альтернативные виды топлива

В качестве альтернативных видов топлива рассматриваются: сжиженный нефтяной газ (liquefied petroleum gas – LPG), природный газ и биометан (в виде CNG, LNG и GTL), электричество, биотопливо и водород.

LPG (сжиженный нефтяной газ – пропан), используемый как автомобильное топливо, в основном состоит из пропана и бутана, получаемых при добыче природного газа и нефти, а также на различных стадиях ее переработки на заводах. Возможно, что в будущем его будут получать и из биомассы. В настоящее время пропан является самым распространенным из альтернативных топлив. В Евросоюзе примерно 9 миллионов автомобилей используют пропан. Инфраструктура насчитывает около 28000 заправок.

Природный газ (метан) и биометан получают путем добычи ископаемого газа, а также из биомассы и отходов. Технологии использования сжатого природного газа (compressed natural gas – CNG) в двигателях внутреннего сгорания хорошо отработаны. Препятствием для их распространения является недостаточно развитая сеть заправок в большинстве стран Европы.

Сжиженный природный газ (liquefied natural gas – LNG) является привлекательным вариантом топлива для грузового транспорта благодаря его высокой энергетической плотности и низкому уровню выбросов загрязняющих веществ. Технологии использования в ДВС отработаны. Более широкому использованию мешает отсутствие инфраструктуры.

Технология GTL (Gas-to-Liquid – газ в жидкость) – химическое преобразование природного газа в моторное топливо. Процесс происходит в три этапа: получение из метана синтез-газа; преобразование синтез-газа в синтетическую нефть; получение из нефти высококачественного прямогонного бензина и дизтоплива. Дополнительной инфраструктуры не требуется, получаемые продукты полностью совместимы с существующими ДВС.

Общеевропейский зарядный разъем Type 2

Электричество, как источник энергии для автомобилей, позволяет радикально изменить систему питания транспорта от единственного энергоресурса, такого как нефть, к универсальному энергоносителю, который может быть получен из множества первичных энергоресурсов. При этом вредные выбросы от транспортных средств полностью отсутствуют. Поэтому электромобили идеально подходят для городских условий. Замена ДВС на электродвигатели позволит снизить выбросы углекислого газа на 30%.

Автомобили на водородных топливных элементах обеспечивают большую дальность пробега по сравнению с батарейными электромобилями. Время для их заправки значительно меньше и сравнимо со временем заправки обычных автомобилей. Основными препятствиями для распространения водородомобилей являются их высокая цена (из-за дороговизны топливных элементов) и полное отсутствие заправочной инфраструктуры. Уровень выбросов парниковых газов при производстве водорода зависит от источника энергии. Сами водородомобили обладают нулевым выбросом углерода.

Биотопливо в техническом отношении может заменить нефть на всех видах транспорта с использованием существующих производственных мощностей и заправочной инфраструктуры. Однако его производство ограничено наличием плодородных земель и недостаточной стабильностью. Основными преимуществами жидких биотоплив являются их высокая энергетическая плотность и совместимость (в допустимых концентрациях) с существующими транспортными средствами.

Альтернативное топливо в Европе

Всем членам Евросоюза предписано иметь на своей территории обязательный минимум заправочных/зарядных станций для природного газа, водорода и электромобилей с оборудованием, созданным по единым стандартам.

Электрические зарядные станции. Ситуация сильно различается в разных странах Евросоюза. Лидирующие позиции занимают Германия, Франция, Нидерланды, Испания и Великобритания. В предложениях Еврокомиссии для каждой страны индивидуально устанавливается обязательное минимальное число точек подзарядки с едиными зарядными разъемами. Целью является создание такого количества станций, которое бы позволило производителям наладить массовое производство электромобилей по разумным ценам. Для устранения неопределенности со стандартами электрический разъем Type 2 устанавливается как единый стандарт для всей Европы.

• Водород. Германия, Италия и Дания уже имеют значительное количество водородных заправочных станций, хотя некоторые из них не являются общественными. Определенные компоненты, например, заправочные шланги, все еще требуют разработки и внедрения единых стандартов. Еврокомиссия предлагает соединить все существующие водородные заправки в единую сеть. Предложения относятся к 14 государствам, которые уже имеют такие заправки.
• Биотоплива уже охватили около 5% рынка. В качестве топливных смесей с бензином и дизелем они не требуют отдельной инфраструктуры. Основная задача заключается в повышении их устойчивости.
• Сжиженный природный газ используется как топливо для грузовиков, однако только 38 заправочных станций существует в Евросоюзе. Еврокомиссия предлагает, чтобы к 2022 году на каждые 400 километров Трансевропейской сети автодорог приходилась одна заправочная станция.
• Сжатый природный газ в настоящее время используют 1 миллион автомобилей, что составляет 0,5% от их общего количества. К 2022 году их число должно возрасти в 10 раз. Еврокомиссия предлагает, чтобы по всей Европе к 2022 году одна общественная заправочная станция с едиными стандартами приходилась не менее чем на каждые 150 километров.
• Для сжиженного нефтяного газа никаких дополнительных мер не предусматривается, так как инфраструктура в настоящее время достаточно развита.
• Почему Еврокомиссия взялась за альтернативные виды топлива

Комиссия отметила, что европейский транспорт на 94% зависит от нефти, из которых 84,3% импортируется из нестабильных регионов мира. Растущие расходы на нефть (1 млрд. евро в день в 2011 году) приводят к дефициту торгового баланса (около 2,5% ВВП). Поэтому ЕС вынужден диверсифицировать свои источники энергии.Кроме того, альтернативные виды топлива смогут уменьшить проблему загрязнения воздуха и окружающей среды. По оценкам специалистов, в 2010 году около 420000 преждевременных смертей было вызвано загрязнениями воздуха, большая часть которых происходит от бензиновых и дизельных двигателей.Технологии производства многих видов альтернативного топлива достаточно развиты для массового производства и насыщения рынка. Однако общей проблемой для их широкого распространения (кроме LPG) является неразвитость заправочной/зарядной инфраструктуры. Поэтому ее развитие является необходимым (хотя и недостаточным) условием развития рынка альтернативного топлива. Другой проблемой является отсутствие единых общеевропейских стандартов.

Как отмечает Еврокомиссия, на данный момент Евросоюз попал в замкнутый круг. Инвесторы не вкладывают деньги в строительство инфраструктуры для альтернативного топлива из-за недостаточного количества транспортных средств, использующих его. Автопроизводители не могут предложить доступные цены на «зеленые» автомобили вследствие небольшого потребительского спроса. А потребители не покупают автомобили, использующие альтернативные виды топлива, по причине неразвитости заправочной инфраструктуры.

Бензин, дизель, пропан, водород: краткий гид по видам автомобильного топлива

Не заправишь — не поедешь. Большинство водителей используют бензин (АИ-92/95 и пр.) и дизель (ДТ). Но ведь помимо традиционных типов топлива существуют газ, водород и азот. О видах автомобильных «рационов» и их особенностях — в разборе Mafin Media.

Классический поршневой двигатель внутреннего сгорания работает за счет возгорания сжатой топливовоздушной смеси. Иными словами, для того чтобы ехать, нужно постоянно сжигать топливо, заставляя внутренние части двигателя вращаться. Так устроены наиболее популярные автомобильные (и не только) моторы. Но что именно сгорает внутри цилиндров? Начнем с самого популярного.

Бензин

Латинское слово benzoe — производное от арабского lubán-ǰâvî, что означает «благовоние с острова Ява». Вероятнее всего, название связано с ароматным бензойным маслом, которое добывают из растений. Современные же бензины изготавливаются из нефти: так называемым домашним (устаревшим) способом прямой перегонки и современными методами, которые могут сочетать как термическую, так и химическую обработку «черного золота».

Для конечного покупателя все сводится к тому, чтобы купить бензин, который подходит двигателю по октановому числу. Проще говоря, чем выше октановое число, тем лучше бензин сгорает и тем реже он «детонирует», то есть взрывается. Подобные взрывы в двигателе не опасны для здоровья окружающих, но могут навредить банковскому счету владельца авто: напоенный неподходящим горючим двигатель (особенно современный) быстро придет в негодность.

В России пальму первенства удерживают 95-й и 92-й бензины, хотя существуют также АИ-98 и АИ-100, предназначенные для высокофорсированных двигателей. Какой из них заливать именно в ваш автомобиль — всегда можно узнать в руководстве по эксплуатации авто или прочитать на внутренней стороне лючка бензобака.

Дизельное топливо

Дизтопливо, или, по старинке, «солярка»: название происходит от немецкого solaröl — «солнечное масло», желтоватая жидкость, получившаяся еще в XIX веке при перегонке нефти. При этом солярка как таковая в автомобилях не используется. А вот автомобильное дизельное топливо предназначено для моторов, отличных от бензиновых способом воспламенения.

Если в бензиновом моторе поджигание смеси происходит за счет электрических искр, то в дизельном — за счет сжатия. Важнейший показатель здесь — цетановое число, определяющее скорость воспламенения горючего. В среднем цетановые числа колеблются от 45 до 55 единиц в зависимости от типа и качества топлива. По типу солярка делится на летнюю, зимнюю и арктическую. Они отличаются температурой загустения. Самые «суровые» зимние топлива могут сгорать даже при температуре минус 50 °C!

Пропан и бутан

Пропан и бутан — самые известные альтернативные виды топлива. Обычно они смешиваются и для краткости именуются просто пропаном. При помощи относительно недорогих переделок обычный атмосферный бензиновый мотор можно «научить» им питаться.

Пропан имеет меньшую по сравнению с бензином плотность, поэтому расход будет выше — но и стоит газ обычно раза в два дешевле. Следует учесть, что внесение таких изменений в конструкцию автомобиля почти со стопроцентной вероятностью приведет к потере гарантии, поэтому перед газификацией нового авто стоит просчитать риски: при небольших пробегах экономия, скорее всего, будет незаметной.

Метан и водород

Помимо пропан-бутана в качестве топлива используется природный газ — метан , который добывается напрямую из месторождений. Оба этих вида топлива более экологичны, чем уже упомянутые бензин и ДТ, но инфраструктура АГЗС (автогазозаправочных станций), по крайней мере в России, развита хуже. Не стоит забывать, что баллоны, предназначенные для хранения газа, обычно занимают место в багажнике легкового автомобиля и ограничивают его грузоподъемные возможности. Кроме того, метан содержится в баллонах под давлением 200-250 атмосфер. Это очень взрывоопасно! Иногда такая «экономия» может закончиться для автовладельца плачевно.

Другой не менее известный, но куда менее популярный газ — водород . Если пропан-бутан добывается, как и бензин, при переработке нефти, то водород можно получить намного более экологичным способом: из воды при помощи электрического тока. Такой процесс называется электролизом. Кстати, первый известный в истории водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) получал топливо как раз таким путем: его сконструировал в начале XIX века французский изобретатель Исаак де Риваз.

Несмотря на раннее появление двигателя на водороде, этот газ и по сей день используется нечасто. Основной принцип работы двигателя тот же, но дополнительно для работы ДВС на водороде нужны либо электролизер (установка, добывающая газ из воды), либо водородный топливный элемент — «батарейка», которую нужно заправлять. Обе конструкции значительно повышают стоимость авто, поэтому большинство водородных автомобилей остаются концепт-карами.

Еще слабее распространено питание автомобиля азотом : этот газ сгорает быстрее традиционных видов топлива и требует не только баллонов для хранения, но и определенной переделки мотора. Закись азота N2O периодически впрыскивается в камеру сгорания двигателя для кратковременного получения дополнительной мощности. В этом случае она смешивается с обычной топливно-воздушной смесью и позволяет мотору «съесть» больше, увеличивая отдачу. В гражданской эксплуатации такие доработки используются крайне редко, оставаясь продуктом индивидуального тюнинга.

Биодизель/биоэтанол

Биодизелем называют топливо, добываемое из растительного, соевого и рапсового масел, а также животных жиров. При смешивании в небольших пропорциях со стандартным ДТ этот вид топлива может заливаться в мотор без изменения конструкции и обладает завидной экологичностью за счет биоразлагаемости. Однако за все нужно платить: биодизель требует площадей для посадки растений и обходится дороже своего собрата без приставки био-.

Свои минусы есть и у биоэтанола , представляющего собой этиловый спирт. Его октановое число выше 100, поэтому применяется он в основном «коктейльно» — в смеси с бензином, чтобы избежать повреждения моторов, рассчитанных на топливо попроще. Кроме того, поскольку это спирт, в нем есть вода. А значит топливная система должна быть стойка к коррозии и подогреваться зимой.

Как и биодизель, биоэтанол требует посевных площадей, например с сахарным тростником, и с традиционными бензином, газом и дизельным топливом полноценно конкурировать пока не может.

Альтернативные виды топлива

Можно возразить тем людям, которые в ответ на вопрос «На чем могут ездить автомобили?» утверждают, что только на бензине, дизеле и газе. На самом деле ассортимент гораздо шире. И как минимум на данный момент можно выделить 16 крупных групп и подгрупп альтернативных видов топлива для приведения автомобиля в движение, которые имеют все шансы в будущем заменить привычные виды топлива.

Давайте рассмотрим, какие варианты доступны уже сейчас для заправки вашего автомобиля, а какие будут доступны в будущем, помимо бензина и дизельного топлива.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Сжиженный нефтяной газ уже пытались использовать в качестве топлива для автомобилей. К примеру, в конце 1990-х годов Opel, Volvo, а также ряд других производителей предлагали его в качестве выбора для своих двухтопливных моделей. Такие автомобили запускались на бензине, а затем, после прогрева, переходили на сжиженный нефтяной газ.

В континентальной Европе и в других частях мира «СНГ», или «автогаз», как его часто называют, остается третьим по популярности видом топлива после бензина и дизельного топлива. Он производит меньше вредных выхлопных газов, и он в два раза дешевле, чем бензин. Однако нужно учитывать его больший расход – ровно в два раза по сравнению с обычным жидким бензином.

Водород

Водород – топливо, которому уже много десятилетий пророчат большое будущее, которое никак не хочет наступать. С одной стороны, известно, что из выхлопной трубы заправленного водородом автомобиля будет вылетать только водяной конденсат, но, с другой, также хорошо изучено, что выделение (производство) водорода крайне дорого (дороже бензина и уж тем более газа), к тому же его хранение взрывоопасно, по крайней мере, в баллонах под давлением, а в специальных ячейках безопасно, но дорого.

Топливный элемент автомобиля работает путем объединения водорода из бака с кислородом для производства электроэнергии, на которой работает двигатель. Фактически автомобиль имеет свой собственный бортовой генератор, а не держит электроэнергию в батарее.

Биоэтанол

Биоэтанол получается в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Полученный этанол затем смешивается с бензином или дизельным топливом для получения нового типа топлива, которое может быть использовано в большинстве автомобилей с ДВС как с небольшими конструкционными изменениями, так и без.

Количество биоэтанола, смешанного с ископаемым топливом, колеблется от 10% (Е10) до 15% (Е85). С экологической точки зрения использование биоэтанола имеет смысл, поскольку углекислый газ, который он производит при сжигании в двигателе, компенсируется газами, поглощенными им во время его производства. Недостаток – повышенный расход.

Сжиженный природный газ (СПГ)

В мире насчитывается около 20 миллионов транспортных средств, использующих СПГ (сжатый под большим давлением до жидкого состояния природный газ). Многие из них – автобусы и грузовики, которые работают в городских условиях, что позволяет им свести к минимуму негативное воздействие на окружающую среду. СПГ на 75% уменьшает выбросы твердых частиц в атмосферу по сравнению с дизельным топливом, а также создает меньше углекислого газа, чем бензин, и до 90% меньше оксида азота.

Биодизель

Плюсом биодизельного топлива можно считать то, что его получают из восстанавливаемых органических элементов. В зависимости от поколения биодизеля (всего их три) топливо могут получать из рапса и других сельхозкультур, из жиросодержащих отходов и из липидов микроводорослей.

Промышленное производство биодизеля обходится дороже, чем получение дизельного топлива из нефти, поэтому этот вид горючего прижился слабо. Плюс к этому биодизель сложно назвать нейтральным веществом – растворяющие свойства у него получше будут, чем у обычного дизеля, поэтому фильтры нужно менять чаще, чтоб они не пришли в негодность.

Пропан

Важно отличать пропан от сжиженного газа. Пропан можно назвать СПГ, но не весь СПГ состоит из пропана. Немногие автомобили работают исключительно на пропане, и большинство из них используют его как биотопливо, где они работают сначала на бензине, а затем переключаются на пропан, чтобы уменьшить выбросы.

Поскольку пропан – это газ, ему нужен больший резервуар для хранения достаточного его количества. Двигатель будет сжигать на 27% больше пропана, чтобы достичь той же мощности, что и бензин. Стоит также отметить, что пропан работает наилучшим образом в холодных климатических условиях.

Если бы это было возможно – просто залить воду в бак и поехать… это был бы прорыв в технологии передвижения. Увы, пока такого чуда техники в реальности не придумали. Не верьте всяким врунам на YouTube.

Принцип работы заключается в использовании электролиза для разделения воды на кислород и водород. Этот процесс требует электричества, очень много электричества, которое будет вырабатываться полученным водородом. Однако при сжигании водорода будут тепловые потери, что делает всю установку неэффективной.

Но не все потеряно. Необходимая для электролиза воды электроэнергия может быть собрана солнечными панелями, установленными на корпусе автомобиля, и тогда все заработает. В теории… На практике сделать это на данном этапе развития невозможно, по крайней мере, чтоб автомобили получились экономически выгодными.

Воздух

Задумка, над которой работают несколько компаний, а именно: Jaguar Land Rover Tata и Citroen.

Более вероятное использование сжатого воздуха из двух компаний предложил Citroen в модели Cactus Airflow 2L в 2014 году. Он использовал обычный бензиновый двигатель, но с дополнительными двумя воздушными цилиндрами, которые заряжаются при помощи регенеративной энергии. Бензиновый двигатель совмещен с системой «Hybrid Air», использующей энергию сжатого воздуха, накапливающегося в специальных резервуарах, для вращения ведущих колес, что снизит нагрузку на ДВС и уменьшит расход дорогого топлива.

Не смейтесь: пар был серьезным конкурентом двигателю внутреннего сгорания в первые годы после появления автомобилей с ДВС. Один автомобиль на заре автомобильной эры (в 1906 году) даже установил мировой рекорд скорости на суше – 200 км/ч. Сейчас такие машины делают только энтузиасты.

Кинетическая энергия

Также еще один из альтернативных источников энергии, который широко используется автопроизводителями и чаще называется рекуперативным торможением. Идея проста: по мере того, как автомобиль замедляется, его энергия движения возвращается для зарядки аккумулятора, а не теряется с теплом и скрежетом при торможении.

Как и во всех формах передачи энергии, превращение кинетической энергии в накопленную никогда не бывает на 100% эффективным, поэтому вы не можете управлять автомобилем исключительно путем накопления энергии и последующего ее высвобождения при необходимости. Кроме того, для достижения разумных расстояний вам нужна большая батарея для хранения электричества, а это лишний вес. Чем тяжелее автомобиль, тем больше кинетической энергии он должен преобразовать в накопленную энергию посредством рекуперативного торможения.

Солнечная энергия

Идея автомобиля, который никогда не нуждается в подзарядке или заправке топливом, приближается к реальности при помощи солнечной энергии. Этот источник энергии был опробован уже множество раз в различных направлениях деятельности человека. Но была одна загвоздка – из него было трудно извлечь достаточно энергии при малой площади.

Голландская фирма «Lightyear» утверждает, что она решила эти проблемы с помощью своей технологии, которая должна появиться в продаже в 2022 году.

Азот – самый распространенный газ в атмосфере, составляет около 78% воздуха. Мы им дышим. Использование его для питания автомобилей имеет смысл, поскольку у него будет очень мало вредных выбросов при использовании в качестве топлива. Помещенный в резервуар в жидком виде, он работает подобно «воздушным» двигателям.

Когда азот впрыскивают из резервуара, он расширяется при резком переходе из жидкого в газообразное состояние, и эту почти мгновенную реакцию расширения можно использовать для того, чтобы привести в действие турбину. Турбина будет вращать генератор для выработки электричества, которое будет использоваться для приведения в движение автомобиля. Недостатками является то, что жидкий азот является очень опасной жидкостью, а также то, что пока нет никакой инфраструктуры для его заправки.

Аммиак

Аммиак использовался для питания двигателей внутреннего сгорания еще в 1943 году. С тех пор он не оказал большего влияния, потому что обладал низкой плотностью энергии – где-то в два раза ниже, чем у бензина.

Однако аммиак можно производить дешево и в больших количествах, его можно использовать в качестве топлива для поршневых двигателей или в топливных элементах для выработки электроэнергии. В аммиаке нет углерода, поэтому он производит нулевые вредные выбросы углекислого газа. То, что удерживает его от использования в качестве топлива в настоящее время, касается его безопасности при хранении на автозаправочных станциях и на борту автомобилей.

Древесный газ

Древесный газ был известен с 1870-х годов и достиг наибольшей популярности во время Второй мировой войны, когда топливо было дефицитным. Он генерируется путем газификации древесины или древесного угля, который затем приводит в действие двигатель внутреннего сгорания. Правда, о высокой мощности и экологичности (нужная древесина) можно забыть. Автомобиль ехать будет, но не быстро.

Алкоголь

Выражение «залью себе пол-литра» может заиграть новыми красками, если алкоголь станет автомобильным топливом. На самом деле «алкогольные» автомобили использовались и раньше, в основном в спорте. Например, в дрэг-рейсинге, где заливается метанол. Плюс – это высокое октановое число метанола и других спиртовых видов топлива, таких как бутанол и этанол, и все они могут использоваться с двигателями внутреннего сгорания.

Метанол имеет меньшую плотность энергии, чем бензин, поэтому для получения такой же мощности от двигателя необходимо использовать большее его количество. Однако есть доказательства, что при производстве спиртового топлива используется больше парниковых газов, чем при его сжигании в двигателе, поэтому с точки зрения матушки-природы алкоголь использовать в виде топлива для машин очень даже выгодно.

Альтернативное автомобильное топливо — плюсы и минусы

Статья об альтернативных видах топлива для машин, плюсы и минусы разных видов. В конце статьи — интересное видео об альтернативных видах автомобильного топлива. Статья об альтернативных видах топлива для машин, плюсы и минусы разных видов. В конце статьи — интересное видео об альтернативных видах автомобильного топлива.

Европейская ассоциация автопроизводителей заявляет обо все увеличивающемся объеме продаж гибридов и прочих автомобилей, функционирующих на альтернативном топливе.

Лишь за 1 квартал 2017 года электромобилей было продано почти на 30% больше, а машин с двигателями, работающими от природного газа, на 10%. Активнее всего на альтернативное топливо переходят испанцы, немцы и англичане, а вот россияне пока категорически отвергают подобную инженерную затею. Почему в отличие от прогрессивных европейцев отечественные автолюбители скорее пойдут на нефтяной кризис, чем пересядут на гибриды?

Гибридные автомобили в России

Следует сразу прояснить – назначением гибридных автомобилей является комфортное движение, но никак не покорение скоростей. Поэтому почти все они имеют программные ограничения по скорости, до уровня которой электромотор не будет дополнительно задействовать ДВС (двигатель внутреннего сгорания).

Несомненными преимуществами таких моторов являются:

экономия топлива от 15 до 40% в зависимости от модели автомобиля;

практически мгновенный разгон электромотора даже без переключения передач;

увеличение проходимого без дозаправки расстояния. Если закончится топливо в одном из двигателей, то можно дотянуть до заправки на следующем;

снижение выбросов углекислого газа в атмосферу;

Хотя в Европе владельцев таких машин либо весьма существенно освобождают от налога, либо полностью.

Если все так радужно, то почему россияне не спешат их приобретать?

Цена, которая выше любой другой популярной модели на 25-30%, что сразу отпугивает потенциальных покупателей. Стоит ли новомодный автомобиль таких средств?

Количество автозаправочных станций и сервисов в России слишком мало, поэтому в случае поломки или во время длительного переезда водитель может столкнуться с серьезными проблемами по обслуживанию машины.

В тех же сервисах, которые существуют, благодаря их дефицитному характеру, цены на услуги таковы, что проще самому разобраться в механизме.

Каждые 6-7 лет придется менять аккумуляторную батарею, стоимость которой вкупе с самими работами выльется в цену небольшого бюджетного автомобиля. А российский климат и перепады температур могут еще больше сократить его жизненный срок. Кроме того, использованный аккумулятор придется соответствующим порядком утилизировать.

В совокупности все эти факторы на данный момент делают любой автомобиль, кроме бензинового и дизельного, не практичным и недоступным для России.

Альтернативные виды топлива

Суть поиска иных источников топлива — в сохранении невозобновляемых ресурсов планеты. Исследования в данном направлении ведутся уже давно в совершенно разнообразных направлениях. Может быть, на газовых и электрических автомобилях научный прогресс и не остановится.

Масличное топливо

Еще сам Рудольф Дизель, создавший одноименный двигатель, на заре XX века предложил использовать растительное сырье в качестве топлива. Он разработал модель двигателя, работающего на арахисовом масле.

Сейчас официально подтверждено, что идея жизнеспособна, а сырьем для топлива способны послужить не только арахис, но и соя, рапс, семена подсолнечника, хлопок и даже пищевые отходы. По своим техническим качествам биотопливо ничем не отличается от традиционного дизельного, зато является абсолютно экологичным и биоразлагаемым после использования.

В Евросоюзе и Америке фермеры уже не одно десятилетие сами выращивают и используют биомассу как топливо для собственной сельскохозяйственной техники. Таким топливом можно без риска заправлять полный бак дизельного автомобиля, а также смешивать его с классическим дизелем в любой пропорции.

универсальность для любого дизельного мотора;

идентичные условия хранения со стандартным топливом;

продление жизни двигателю благодаря высоким смазочным характеристикам;

удобство транспортировки, хранения и применения с связи с пониженной воспламеняемостью;

отсутствие классических выхлопных газов;

возможность непрерывно производить сырье;

минимальный уровень выброса углекислого газа;

пока производство биотоплива не столь широко распространено, его продуцирование в больших объемах обходится дороже классического топлива;

расход биотоплива существенно выше, а производимая автомобилем мощность – ниже;

Топливо из отходов

Компания Daimler Chrysler стала одной из первых, разработавших и выпустивших под собственным лейблом синтетический дизель из древесных отходов.

Изучение процесса термического растворения древесины начали еще столетие назад страны без собственных нефтяных ресурсов. А сейчас и лесопромышленные предприятия России, располагающиеся в отдаленных регионах и испытывающие дефицит топлива, начали собственные разработки. При содействии Государственного центра лесопромышленного комплекса был создан проект минизавода, который будет утилизировать отходы лесозаготовок. Это поможет снизить топливную зависимость от централизованных поставок и одновременно избавиться от неиспользуемых древесных отходов.

Аналогичным способом можно производить топливо не только из опилок, но и любых отходов сельского хозяйства и человеческой жизнедеятельности. Пока данное биотопливо смешивают с соляркой для повышения экологичности двигателей.

может использоваться как самостоятельное топливо или в качестве присадки;

очень низкий уровень вредных выбросов;

больший расход при меньшей мощности;

Водородное топливо

Уже сейчас GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz, Toyota постепенно готовят к выпуску автомобили, функционирующие на водородном топливе. Пока весь процесс тормозит стоимость внедрения технологии, так как для набора топливных элементов нужна сверхдорогая платина в качестве катализатора.

Сам же водород планируется добывать разнообразными способами: Honda делает его путем солнечных станций, отделяющих водород от кислорода от, другие автопроизводители рассматривают варианты получения его из сельскохозяйственных отходов или посредством электролиза. Однако все признают, что внедрение новой технологии на данном этапе повысит стоимость любого бюджетного автомобиля до люксовой версии.

высочайшие энергетические свойства;

не абсолютная экологичность, но более высокая по сравнению с бензином;

стоимость получения водородного топлива в разы выше, чем бензина;

дороговизна и сложность устройства автомобильных водородных заправок;

несовершенство технологий применения, транспортировки и хранения топлива такого рода;

высокая стоимость и вес элементов, необходимых для работы двигателя на водородном топливе;

Само по себе изменение конструкции автомобиля для установки газобаллонного оборудования – процедура дорогостоящая и серьезная, в ряде случаев лишающая автовладельца гарантии на машину.

С другой стороны, экономия становится очевидна уже на первых же километрах, преодоленных на газу. Это наиболее возможная альтернатива бензину и дизелю из всех вышеперечисленных. Сейчас на газу – пропане или метане — ездит довольно много коммерческого автотранспорта, частники переходят на него менее активно. Отличие между двумя видами газов таковы:

метан дешевле на 10-15%;

метан имеет меньше примесей;

оборудование для пропана более технологично и стоит в 2-3 раза дешевле;

жидкий пропан можно использовать для бензинового оборудования;

пропановый баллон в разы компактнее;

заправки для пропана более распространены;

наиболее очевидное достоинство – снижение расходов на заправку в 2 раза;

если газовое топливо внезапно закончится, автомобиль будет способен преодолеть еще несколько километров;

повышение срока жизни двигателя, поршней и свечей за счет отсутствия отложений;

снижение расходов на масло за счет его меньшего разжижения под воздействием газа;

высокая стоимость установки соответствующего оборудования;

общее утяжеление автомобиля и уменьшение полезного пространства в багажном отделении;

более высокий расход газового топлива;

Многолетние беспрерывные исследования и разработки в части альтернативных видов топлива вселяют определенный оптимизм, заставляя надеяться на сохранение столь важных природных ресурсов. К сожалению, пока можно наблюдать осторожность водителей в переходе на уже опробованные автомобильные варианты и большие трудности во внедрении новых технологий.

Смогут ли ученые совершить технологический прорыв, а автовладельцы — распрощаться с бензином? Пожалуй, в текущем десятилетии мы этого не увидим.

Видео об альтернативном топливе:

5 причин, почему электричество и водород не заменят ДВС

Франция и Великобритания планируют с 2040 года запретить продажу всех новых автомобилей, работающих на бензине или дизельном топливе, а к 2050 году автомобили с ДВС должны и вовсе исчезнуть с дорог. Правда, есть несколько «но», которые могут помешать этим планам сбыться.

1. Батареи не обеспечивают большого запаса хода

Пробег на одном заряде ограничен несколькими сотнями километров, после чего автомобиль нужно оставлять на зарядной станции на несколько часов.

При этом дизельные машины уже давно ездят больше тысячи километров на одном баке, и, чтобы продолжить поездку, нужно лишь найти ближайшую заправку и залить полный бак.

С другой стороны, энергетики работают над системой быстрой зарядки, которая позволяет заряжать автомобиль за минуты. Например, новый Hyundai Ioniq 5 с помощью подобной зарядки может получить 80% заряда батареи всего за 18 минут, при этом на полном заряде он проезжает 470–480 км по циклу WLTP.

2. Производство батарей и электричества неэкологично

Более трети электроэнергии, которая производится в мире, образуется за счет сжигания угля, — а это один из самых грязных источников энергии. С тем, что использование угля — проблема, которую нужно решать, согласен и идеолог электротранспорта Илон Маск.

Производство литий-ионных аккумуляторов, которые используются в большинстве электромобилей, тоже неэкологично. Самый яркий пример негативных последствий добычи лития — это пустыня Атакама в Чили, разрастающаяся из-за литиевых заводов. Для добычи этого редкоземельного элемента требуется гигантское количество воды, которую выкачивают из недр. Из-за этого в Атакаме осушаются оазисы и погибают животные.

3. Электромобили негде заряжать

Количество электрокаров в мире едва достигает 1%, а их владельцы уже испытывают проблемы с зарядными станциями — те часто не работают, на месте зарядок стоят обычные автомобили, а количество разъемов напоминает о досмартфоновской эре, когда каждый производитель создавал свой стандарт.

Если количество электротранспорта будет расти в геометрической прогрессии, нагрузка на электросети серьезно возрастет, так как быстрые зарядки потребуют более высоких напряжений и токов заряда. Это значит, что не все сети смогут справиться с возросшей нагрузкой.

Кроме того, есть и концептуальная проблема. На заправку полного бака автомобиля с традиционным двигателем уходит несколько минут. Для полной зарядки электромобиля сегодня требуется несколько часов, из-за чего нужно полностью менять подход к тому, чем увлечь клиентов на это время. По идее, АЗС должны превратиться в досуговые и деловые центры, но предпосылок к этому пока нет.

4. На электрокарах сложно заработать

Китай выделяет субсидии на производство электрокаров и устанавливает зарядные станции за счет бюджета, в Швейцарии электромобили избавили от ввозной пошлины, а Германия инвестирует в исследования по усовершенствованию электротранспорта. Но если отменить поддержку государства, начинаются проблемы.

В странах, где власти отменили субсидии на покупку электрокаров, продажи сразу же провалились. Электромобили пока не выдерживают конкуренции со стороны традиционного транспорта.

Модельный ряд крупных автопроизводителей пополняется, в основном, электромобилями, которые построены на базе премиальных моделей. Сейчас технологии не позволяют сделать народный электрокар, который бы продавался так же, как традиционные бестселлеры, поэтому приходится компенсировать стоимость, выпуская премиум.

Пока производство электромобилей не станет рентабельным, говорить о захвате ими рынка преждевременно.

5. Батареи, в конце концов, иногда взрываются

Литий-ионные батареи имеют такое неприятное свойство, как взрывоопасность. Из-за этого авиакомпании до сих пор отказываются перевозить аккумуляторы такого типа.

Внутри этих батарей образуются «усы» — микроскопические нити из лития, которые вызывают короткое замыкание и провоцируют взрыв батареи. Из-за короткого замыкания электролит внутри аккумуляторов начинает кипеть и раскаляться. Корпус батареи не выдерживает температуры, и его содержимое начинает выливаться наружу.

Поэтому электромобили так быстро сгорают, если попадают в аварию. Более того, металлический литий вступает в реакцию с водой и образует водород, потому тушить литиевые аккумуляторы водой — плохая идея. Конечно, ученые ищут решения проблемы. Недавно они разобрались, как образуются «усы», и теперь думают, как минимизировать их появление.

Но мир по-прежнему ждет более безопасной альтернативы литий-ионных батарей для электрокаров.

Но есть же альтернатива — водородный двигатель! Или нет?

Водородный двигатель гораздо экологичнее ДВС, так как вообще не выделяет вредных для окружающей среды газов, при этом имеет гораздо более высокий КПД. На одной заправке водородные автомобили уже сейчас могут проезжать до 500 километров, а заправка водородом длится не дольше, чем бензином.

Но есть проблема — в природе водород в чистом виде практически не встречается. Поэтому приходится обходиться электролизом: под электрическим током дистиллированная вода разлагается на водород и кислород. К сожалению, сейчас для массового производства водорода дешевле всего получать электроэнергию при помощи сжигания газа или угля.

Но компании не просто так инвестируют сегодня в эту технологию десятки миллионов долларов — они верят, что со временем водородные автомобили станут новыми электрокарами.

Мы перечислили несколько проблем двигателей, представляющих альтернативу современным ДВС. Но важно понимать, что технологии идут вперед, и с каждым годом пробег на одном заряде увеличивается, мощность повышается, а механизмы рекуперации становятся более совершенными.

Каким будет электромобиль, который сможет потеснить традиционные машины с ДВС? Первое, о чем мечтают автомобилисты, — огромный запас хода. Второе — мощность, которой хватит, чтобы прокатиться с ветерком. И третье — не космическая цена.

• Грузовики Hyundai на топливных элементах уже выпускаются и успешно продаются.