_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Контрольные вопросы по разделу 1. Перечислите альтернативы бензину и дизельному топливу на автотранспорте. 2. Назовите основные причины необходимости поиска альтернативных автотранспортных топлив. 3. Назовите основные проблемы на пути поиска альтернативных автотранспортных топлив. 4. Чем отличаются биотоплива разных «поколений»? 5. Какие существуют способы получения метана и биометана? 6. Перечислите основные свойства природного газа. 7. Охарактеризуйте особенности использования природного газа в ДВС. 8. Какие существуют технологии хранения природного газа на борту автомобиля? Каковы характеристики этих технологий? 9. Каковы особенности хранения природного газа в адсорбированном виде? 10. Каковы особенности хранения природного газа в сжиженном виде? 11. Какие существуют способы получения сжиженного углеводородного газа? 12. Перечислите основные свойства сжиженного углеводородного газа. 13. Охарактеризуйте особенности использования сжиженного углеводородного газа в ДВС. 14. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования метил-трет-бутилового эфира в ДВС. 15. Каким образом метил-трет-бутиловый эфир воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 16. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования этил-трет-бутилового эфира в ДВС. 17. Каким образом этил-трет-бутиловый эфир воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 18. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования трет-амил-метилового эфира в ДВС. 19. Каким образом трет-амил-метиловый эфир воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 20. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования диизопропилового эфира в ДВС. 200 21. Каким образом диизопропиловый эфир воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 22. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования метанола в ДВС. 23. Каким образом метанол воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 24. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования этанола в ДВС. 25. Каким образом этанол воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 26. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования трет-бутанола в ДВС. 27. Каким образом трет-бутанол воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 28. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования растительных масел в ДВС. 29. Каким образом растительные масла воздействуют на здоровье людей и состояние окружающей среды? 30. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования метиловых эфиров жирных кислот в ДВС. 31. Каким образом метиловые эфиры жирных кислот воздействуют на здоровье людей и состояние окружающей среды? 32. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования диметилового эфира в ДВС. 33. Каким образом диметиловый эфир воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 34. Охарактеризуйте способы получения и особенности использования синтетических топлив в ДВС. 35. Каким образом синтетические топлива воздействуют на здоровье людей и состояние окружающей среды? 36. Охарактеризуйте способы получения Н 2 Охарактеризуйте особенности использования Н 2 в ДВС. Каким образом Н 2 воздействует на здоровье людей и состояние окружающей среды? 201 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СХЕМЫ ПРИВОДОВ АВТОМОБИЛЕЙ ДВС – это устройство, преобразующее химическую энергию топлива в механическую работу. Под альтернативными схемами приводов АТС понимают такие, которые содержат в составе энергоустановки альтернативный источник механической работы, полностью или частично заменяющий/дополняющий ДВС. Автотранспортными средствами с полностью альтернативными источниками механической работы являются: батарейный электромобиль (англ. battery electric vehicle, BEV) с электродвигателем, питаемым от аккумуляторной батареи и/или суперконденсатора и/или другого химического источника электричества; электромобиль с топливными элементами (англ. fuel cell electric vehicle, FCEV ) с электродвигателем, питаемым от специализированного электрохимического генератора (топливного элемента), напрямую преобразующего химическую энергию топлива в электричество; солнцемобиль (англ. photovoltaic cells electric vehicle, PVCEV) с электродвигателем, питаемым от фотогальванического элемента, напрямую преобразующего солнечную энергию в электричество. Автотранспортными средствами с дополнительными накопителями и/или рекуператорами механической энергии электрохимического, маховичного, пневматического или гидравлического типа, используемыми совместно с ДВС, являются: гибридный электроавтомобиль (англ. hybrid electric vehicle, HEV); гибридный маховичный автомобиль (англ. hybrid flywheel vehicle, HFV); гибридный пневматический автомобиль (англ. hybrid pneumatic vehicle, HPV); гибридный гидравлический автомобиль (англ. hybrid hydraulic vehicle, HHV). 202 Батарейные электромобили В батарейном электромобиле (ЭМ) весь запас энергии, необходимый для движения, хранится в батарее аккумуляторов и/или суперконденсаторов и/или других химических источников электричества. Концептуальная схема привода современного электромобиля показана на рисунке 40 [118]. Привод состоит из трёх основных подсистем: подсистемы электропривода, подсистемы электропитания и подсистемы электропитания вспомогательных устройств. Рис. 40. Концептуальная схема батарейного электромобиля Основываясь на информации с датчиков положения педалей акселератора и тормоза, бортовой компьютер формирует управляющий сигнал, подаваемый на электро-конвертер. Функция электро-конвертера заключается в регулировании потоков энергии между источником энергии и электромотором/генератором. Энергия может подаваться от источника энергии к электромотору и далее через механическую трансмиссию к ведущим колёсам (тяговый режим) или, наоборот, передаваться от колёс через трансмиссию к электромотору, который переходит в режим 203 генератора, и далее через конвертер к источнику энергии для его зарядки (режим рекуперации энергии торможения). Узел управления энергией взаимодействует с бортовым компьютером для обеспечения процесса рекуперации энергии торможения. Также его задачами являются управление процессом зарядки и мониторинг состояния источника энергии. Подсистема электропитания вспомогательных устройств обеспечивает различное (как правило, более низкое) напряжение, необходимое для их работы. Специфические характеристики источников тока и электродвигателей определяют особенности компоновки и дизайна ЭМ. В настоящее время наиболее распространёнными схемами являются: компоновка с одним или несколькими центральными электромашинами; компоновка с несколькими мотор-колёсами. При центральном расположении электромашины крутящий момент от неё к колёсам или от колёс к ней (при рекуперативном торможении) передаётся через механическую трансмиссию. Второй вариант компоновки предусматривает интеграцию электромашин непосредственно в конструкцию ведущих колес электромобиля. При этом появляются следующие потенциальные преимущества. Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение выбросов ЗВ. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объёма для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию. Во-вторых, управляемые мотор-колёса делают автомобиль чрезвычайно манёвренным, т.к. все колёса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Автомобиль способен разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных 204 условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия. В-третьих, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы рекуперации энергии торможения. В-четвёртых, мотор-колёса позволяют максимально гибко реализовывать любые алгоритмы систем обеспечения активной безопасности движения: ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и т.п. Главным недостатком мотор-колёс является их большая неподрессоренная масса, что существенно снижает комфорт и управляемость, повышает износ подвески. Наиболее известной конструкцией, использующей мотор-колёса, является система активных колёс (англ. active wheel) французской фирмы Michelin . В данной конструкции в одном узле совмещены тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. И всё это при общем весе 35 кг, что лишь не намного превышает вес обычного колеса легкового автомобиля. Ключевое место в этой технологии занимает миниатюрный электродвигатель. Мотор-колесо от Protean Electric имеет очень высокие показатели мощности (110 л.с.) и крутящего момента (800 Нм). И это при весе всего в 31 кг. Protean Drive также превосходит другие конструкции по возможностям рекуперации – до 85% энергии торможения используется для подзарядки батареи. Электромобили с топливными элементами Топливный элемент (ТЭ) − конвертер, преобразующий химическую энергию топлива непосредственно в электроэнергию (и тепло) за счёт окислительно-восстановительных превращений реагентов, поступающих извне. ТЭ состоит из ионного проводника (электролита) и двух электронных проводников (электродов), находящихся в контакте с электролитом. При работе ТЭ электролит и электроды не расходуются, не претерпевают каких-либо изменений. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам − аноду и катоду, продукты химических реакций непрерывно отводятся от них. 205 Топливный элемент с протоно-обменной мембраной 1 (ПОМ) состоит из двух тонких пористых электродов, разделенных твёрдым электролитом в форме тонкой (25…40 мкм) полимерной мембраны ( рис. 41). ПОМ играет роль как электролита (для переноса заряда), так и барьера, предотвращающего смешивание водорода с кислородом. Одна из сторон каждого электрода покрыта пористым слоем катализатора на основе платины. Когда атомы водорода поступают в элемент, катализатор на аноде расщепляет их на электроны и протоны 2Н 2 → 4Н + + 4е - Электроны поступают во внешнюю цепь, образуя электрический ток для питания потребителей, а протоны проходят через мембрану к катоду. Катализатор (платина) на катоде рекомбинирует их с электронами, поступающими из внешней цепи и с кислородом воздуха, в результате чего образуется вода и выделяется тепло О 2 + 4е - → 2О 2- 4Н + + 2О 2- → 2Н 2 О. Образующееся тепло необходимо отводить от ячейки с тем, чтобы предотвратить перегрев и дегидратацию (осушение) мембраны. ПОМ в ТЭ автотранспортного применения изготавливается или из перфторполимеров, например, из материала Nafion ТМ , выпускаемого компанией DuPont, или из полибензимидазола, допированного фосфорной кислотой, например, из материала Celtec, выпускаемого фирмой Kronberg-Celanece AG. Мембраны Celtec более термически стабильны, чем Nafion, и устойчиво работают при температурах 100…200°С, однако их проводимость (особенно при низких температурах) значительно уступает проводимости Nafion. Имеется целый ряд других органических полимерных мембран, также имеющих свойство быстрого протонного транспорта, однако, несмотря на некоторые их преимущества (более высокая термическая устойчивость, сравнительная дешевизна, меньшая газопроницаемость), они являются гораздо менее изученными и применяющимися материалами. На рынке предлагаются мембраны на основе сульфофторированного полистирола (мембраны BAM3G фирмы Ballard 1 Иногда называются − полимерные электролитические мембраны (ПЭМ). 206 Advanced Materials Corporation) и сходных с ним полимеров. Все мембраны подобного типа обладают одним принципиальным недостатком – отсутствием собственных подвижных протонов, в связи с чем весь протонный транспорт осуществляется по водным конгломератам, абсорбированным внутри полимера, и, как следствие, очень сильной зависимостью электрохимических свойств от влажности и температуры. Рис. 41. Схема функционирования топливного элемента с ПОМ Скорости приведённых выше реакций пропорциональны силе тока во внешней цепи. Ток возникает из-за появления ЭДС между анодом и катодом, которая теоретически может достигать значения 1,2 В. Реальные конструкции ячеек создают напряжение 0,3…0,8 В и имеют удельную мощность порядка 1 Вт/см 2 . Для получения более высокого напряжения необходимое количество топливных ячеек объединяют в 207 батарею. ПОМ обеспечивает высокую плотность тока, что позволяет уменьшать вес и объём ТЭ, а также упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. ТЭ с ПОМ имеют высокий КПД (40…60%), работают при низких температурах (50…100°С), что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Однако ТЭ, в силу низкой скорости химических реакций, обладают некоторой инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений, например включения в состав энергоустановки суперконденсаторов или аккумуляторных батарей. Прохождение протонов через мембрану возможно только в случае её достаточной влажности (95% отн.). Для поддержания влажности мембраны входящие газы должны иметь достаточную относительную влажность. С другой стороны, избыточная вода «затопляет» поры диффузионного слоя и слоя катализатора, «тормозя» протекающие процессы и ухудшая производительность ячейки. При наличии тока во внешней цепи протоны проходят через мембрану, окружённые несколькими молекулами воды, что приводит к их «перетягиванию» через мембрану от анода к катоду. Этот процесс называется «электро-осмосом». Благодаря ему, а также процессу электрохимического формирования воды, на катоде образуется избыточное количество воды. Это, в свою очередь, формирует градиент концентрации воды между катодом и анодом, что приводит к возникновению «обратной диффузии» молекул воды от катода к аноду. При малой плотности тока «обратная диффузия» превосходит «электро- осмос», поддерживая необходимую влажность мембраны, однако при высокой плотности тока «электро-осмос» превосходит «обратную диффузию», что приводит к чрезмерному осушению мембраны и резкому увеличению внутреннего сопротивления ячейки. Кроме того, осушение мембраны может привести к её быстрому разрушению (расслоению или перфорации). Поэтому необходимо постоянное отслеживание влажности мембраны и обеспечение мер по её поддержанию в заданных пределах. Меры включают в себя управление массовым расходом и влажностью 208 подаваемых реагентов, а также управление температурой и давлением реагентов внутри ячейки [119]. Для ТЭ нужен очень чистый водород. Он не должен содержать СО и сероводород даже в следовых количествах (не более 10 млн -1 ) , т.к. эти вещества отравляют катализатор. Совершенствование ТЭ ведётся не только в направлении повышения активности катализатора, но и в направлении создания более стабильных и долговечных материалов, устранения побочных реакций, ведущих к загрязнению мембраны, обеспечения стойкости к отрицательным температурам. Мембраны с нанотекстурированными поверхностями существенно увеличивают площадь поверхности катализатора. Ведутся работы и по созданию катализаторов на основе менее дорогих металлов, например никеля, кобальта, титана и хрома, и их использования в форме тонкодисперсных частиц, внедрённых в пористую композитную структуру, а также катализаторов на основе металл-органических молекулярных каркасных структур (англ. metal- organic frameworks, MOF). Солнцемобили Солнцемобилем называют электромобиль, оснащённый фотоэлектрическими панелями (солнечными батареями), используемыми для зарядки бортового накопителя энергии. Как правило, солнцемобили, заряжаемые исключительно от солнечных батарей, имеют либо спортивно-исследовательское, либо рекреационное назначение. Некоторые серийно выпускаемые электромобили или гибриды могут опционально оснащаться солнечной батареей либо для подзарядки бортового накопителя энергии, либо для обеспечения автономного питания дополнительных потребителей энергии, например, системы климат-контроля. Малая полезная поверхность для размещения солнечных батарей на автомобиле, их невысокий КПД (максимум лишь 10…12% у тонкоплёночных фотоэлементов), зависимость от времени суток и погодных условий, невозможность оптимальной ориентации панелей в пространстве, быстрое загрязнение поверхности – основные проблемы, связанные с использованием солнечных батарей на борту 209 солнцемобилей. Кроме того, срок службы солнечных батарей составляет примерно 30 лет, что превышает средний срок службы автомобилей 1 Использование солнечных батарей в стационарном исполнении позволяет существенно более эффективно преобразовывать энергию света в электроэнергию. КПД многослойных фотогальванических панелей, используемых совместно с гелиоконцентратором, достигает 41,8% [120]. Поэтому представляется более целесообразным использовать стационарные гелиоустановки для зарядки электромобилей или подключаемых гибридов. Гибридные автотранспортные средства Традиционные автомобили с ДВС обладают хорошими динамическими характеристиками и большим запасом хода, однако, низкой эффективностью и неудовлетворительным уровнем выбросов ЗВ. Низкая эффективность автомобилей с ДВС обуславливается рядом причин: низким КПД собственно ДВС, особенно на режимах малых нагрузок и холостого хода; преобладанием режимов малой нагрузки и холостого хода в условиях городского движения; невосполнимыми потерями энергии при торможении (кинетическая энергия рассеивается в тепло); низким КПД гидротрансформатора на режимах трогания автомобиля с места (для автомобилей с гидродинамической автоматической коробкой передач). С другой стороны, существуют варианты приводов с высокой эффективностью, нулевыми выбросами, однако с неприемлемо низким 1 При изготовлении тонкоплёночных фотоэлементов чаще всего используют аморфный кремний, сульфид/теллурид кадмия, медно-галлиевые и медно-индиевые диселениды. КПД медно-индий-галлиевых батарей может достигать 20%. Но пока доля подобных элементов на рынке тонких солнечных плёнок невелика (порядка 2%). Более распространены плёнки на базе кадмия теллурида (порядка 18%, КПД до 16%). Очень востребованы и аморфно- кремниевые батареи, КПД которых удалось повысить до 10%. 210 запасом хода. Попытка объединения ДВС с такими высокоэффективными приводами получила название гибридного (комбинированного) привода. К гибридным автомобилям относятся такие, которые помимо системы «топливо + ДВС» имеют на борту ещё одну или несколько систем энергообеспечения: «аккумуляторная батарея + электромашина»; «топливный элемент + электромашина»; «суперконденсатор + электромашина»; «маховик»; «маховик + электромашина»; «жидкость под давлением + гидромашина»; «воздух под давлением + пневмомашина»; «пружина» и т.п. Это позволяет использовать преимущества разных систем и компенсировать их недостатки. В гибридном приводе возможны различные варианты потоков энергии (рис. 42) [118]: 1) энергопривод №1 в одиночку подаёт энергию для преодоления нагрузки; 2) энергопривод №2 в одиночку подаёт энергию для преодоления нагрузки; 3) энергопривод №1 и энергопривод №2 одновременно подают энергию для преодоления нагрузки; 4) энергопривод №2 получает энергию от нагрузки (рекуперация); 5) энергопривод №2 получает энергию от энергопривода №1; 6) энергопривод №2 получает энергию одновременно от энергопривода №1 и нагрузки; 7) энергопривод №1 подаёт энергию одновременно для преодоления нагрузки и для восполнения запаса энергии источника №2 через преобразователь №2; 8) энергопривод №1 подаёт энергию на энергопривод №2, который, в свою очередь, подаёт энергию для преодоления нагрузки; 9) энергопривод №1 подаёт энергию для преодоления нагрузки, а энергопривод №2 получает энергию от нагрузки. В случае электрогибрида вариант (1) – это движение автомобиля 211 только на тяге, создаваемой ДВС. Такой вариант возможен в случае, если аккумуляторная батарея полностью разряжена, а мощности ДВС хватает только на обеспечение движения автомобиля, или в случае, если аккумуляторная батарея полностью заряжена, а для обеспечения движения автомобиля достаточно мощности одного ДВС. Рис. 42. Концептуальная схема гибридного привода Вариант (2) – это чисто электромобильный режим движения, когда ДВС выключен из соображений устранения режимов работы с низкой эффективностью (например, при движении с очень малой скоростью), или полного предотвращения выбросов ЗВ. Вариант (3) – это гибридный режим движения, который может использоваться в случаях, когда требуется быстрое ускорение или преодоление крутого подъёма. Вариант (4) – это режим рекуперативного торможения, во время которого кинетическая или потенциальная энергия автомобиля трансформируется в электрическую энергию и подаётся для зарядки аккумуляторной батареи. 212 Вариант (5) – это зарядка аккумуляторной батареи от ДВС при остановке, выбеге или движении автомобиля под небольшой уклон. Вариант (6) − это режим, при котором зарядка аккумуляторной батареи осуществляется одновременно и от ДВС, и от рекуперативного торможения. Вариант (7) – это режим, при котором ДВС одновременно обеспечивает движение автомобиля (как правило, с небольшой скоростью) и зарядку аккумуляторной батареи. Вариант (8), при котором ДВС заряжает аккумуляторную батарею, энергия из которой, в свою очередь, питает электромотор, обеспечивающий движение автомобиля. Этот режим характерен для последовательной схемы гибридного привода или электромобиля с «увеличителем пробега» в виде ДВС. Вариант (9) − это модификация варианта (7) в конструкциях, где ДВС и электромотор раздельно приводят переднюю и заднюю ось и не связаны друг с другом механически. В реальных условиях мощность сопротивления движению автомобиля постоянно изменяется из-за хаотически чередующихся режимов разгона, равномерного движения, торможения, движения в гору и под уклон и т.п. Рассматривая изменение мощности сопротивления движению автомобиля за определённый фиксированный интервал времени (ездовой цикл), её можно разложить (декомпозировать) на две составляющие: постоянную (среднюю) и изменяющуюся (динамическую). Причём среднее значение динамической мощности за рассматриваемый промежуток времени равно нулю (рис. 43). В гибридных автомобилях один из энергоприводов, обладающий лучшими стационарными характеристиками, например, ДВС или топливный элемент, может использоваться для обеспечения постоянной средней мощности. Поскольку средняя мощность существенно меньше максимальной (пиковой) мощности в ездовом цикле, то для её выработки требуется значительно менее мощный преобразователь энергии (ДВС и т.п.). 213 Рис. 43. Декомпозиция мощности сопротивления движению автомобиля на среднюю и динамическую составляющие С другой стороны, энергопривод, обладающий лучшими нестационарными характеристиками, например, «электромотор + суперконденсатор» или маховик, обеспечивает динамическую составляющую мощности. Поскольку среднее значение динамической мощности в ездовом цикле равно нулю, запас энергии в «динамическом» энергоприводе в начале и конце ездового цикла одинаков (т.е. сколько энергии было затрачено на преодоление динамической части сопротивления, столько же и вернулось в результате рекуперации). Другими словами, динамический энергопривод выполняет функции буфера энергии. При этом требования к ёмкости накопителя энергии существенно снижаются. Существующие конструкции гибридных приводов можно разделить по их конфигурации на: последовательные, параллельные, с разделением потока мощности ДВС. По относительной доле альтернативного привода в мощностном балансе движения автомобиля различают: лёгкие гибриды (мощность альтернативного привода – до 15% от общей мощности привода), средние гибриды (мощность альтернативного привода – до 50% от общей мощности привода), полные гибриды (мощность альтернативного привода – более 50% от общей мощности привода). 214 Основным преимуществом гибридных автомобилей является уменьшение на 30…60% расхода топлива и выбросов ЗВ для городских условий движения, что достигается за счёт: устранения нежелательных с точки зрения экономичности или токсичности ОГ режимов работы ДВС; рекуперации энергии торможения; уменьшения требуемой максимальной мощности ДВС; возможности отключения ДВС при кратковременных остановках или при движении с малой скоростью. Недостатками гибридных автомобилей являются: увеличение массы автомобиля; увеличение сложности конструкции и цены. |