Автомобили будущего

Автомобили будущего.

(проблемно-реферативная работа)

Работа ученика 9 класса

лицея № 000

Гладкова Александра.

Руководитель: ,

учитель физики лицея № 000.

Санкт-Петербург

2011 год

Содержание.

1. Цели и задачи работы.

2. Современные проблемы автотранспорта. Воздействие автотранспорта на окружающую среду.

3. Основные тенденции в автомобилестроении.

4. Альтернативные виды автомобильного топлива.

5. Электромобили: история появления и развития, тенденции.

6.Гибридные автомобили – перспективное направление в автомобилестроении.

7. Автомобили на водородном топливе.

8. Прогнозирование перспектив развития автомобильного транспорта.

Цель работы: развитие знаний по проблеме развития автомобилестроения.

Задачи:

-Анализ литературы по исследуемой проблеме.

- Обобщение изучаемого материала.

- прогнозирование перспектив развития в автомобилестроении.

В наше время появляется все больше и больше автомобилей, человек уже настолько привык к ним, что не мыслит без них свою жизнь. Это довольно быстрое и удобное средство передвижения, которое несет людям ряд удобств, ускоряет развитие экономики, облегчает многие процессы, связанные с транспортировкой людей и грузов.

На протяжении всего XX века производство автомобилей стремительно возрастало. В 1998 году по дорогам мира ездило уже 700 млн. автомобилей. При шести миллиардном населении земного шара и достигнутом, в настоящее время, уровне автомобилизации населения в развитых странах (550-750 автомобилей на 1000 жителей), общее количество автомобилей на планете может превысить 4 млрд. Этот процесс автомобилизации невозможно ни остановить, ни затормозить. Такое распространение автомобиль получил благодаря качествам установленного на нем двигателя. При сравнительно небольшой массе он развивает мощность, достаточную для быстрой езды, потребляя при этом не так уж много топлива: одной заправки хватает на 400 — 500 км. Двигатель готов к работе и летом, и зимой. Все было хорошо до тех пор, пока автомобилей не стало слишком много. Среди множества различных газов и химических соединений, выбрасываемых автомобилем, есть и токсичные вещества. А по всей России выброс вредных веществ автомобилями к 2008 году составил около

12 млн. тонн. При этом загрязнение атмосферы в результате работы двигателя внутреннего сгорания происходит от трех основных источников: системы впуска отработанных газов, системы смазки и вентиляции картера двигателя и системы питания. Загрязнение от выхлопных газов берет на себя большую часть из этого списка: около 70 — 80%. Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4 – 5 раз. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу, а 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5 – 3 кг свинца в год.

Быстрый рост количества автомобилей привел к резкому увеличению теплового нагревания воздуха. Если в 1970-е годы нагрев атмосферы автомобильным транспортом был значительно меньше нагрева поверхности Земли от Солнца, то в 2002 году количество двигающихся машин возросло во столько раз, что нагрев атмосферы от автомобилей стал соизмерим с нагревом от солнца и резко нарушает климат атмосферы.

Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха крупных городов мира составляет, %:

Оксид углерода  Оксиды Азота  Углеводороды

Москва  96,3  32,6  64,4

Санкт-Петербург  88,1  31,7  79

Токио  99  33  95

Нью-Йорк  97  31  63

В настоящее время в автомобилестроении существуют следующие основные тенденции:
1. Погоня за экономичностью – современные двигатели значительно меньше потребляют топлива, чем двигатели былых лет.

2. Увеличение мощности – с развитием технологий и науки возросла и мощность двигателя.

3. Экологичность – автомобиль не должен загрязнять окружающую среду.

4. Безопасность – современный автомобиль должен быть безопасен, чтобы защитить водителя и пассажира в случаи аварии.

5. Хорошая обтекаемость автомобиля – для того чтобы, увеличить экономичность и мощность двигателя конструкторы постоянно работают над уменьшением коэффициента Сх.

6. Уменьшение размера автомобиля - так как машин с каждым годом становится всё больше, а дорожное пространство не увеличивается, то уже сейчас, например, в Европе, очень популярны автомобили малых размеров. Кстати, существует противоположная тенденция, а именно увеличение размеров автомобиля. Связано с увеличением безопасности и улучшением комфорта обитателей автомобиля.
Каким же будет автомобиль будущего? В первую очередь, конечно, это зависит от двигателя.

Альтернативные виды автомобильного топлива.

Наиболее актуальным вопросом в усовершенствовании автомобиля является выбор альтернативного источника энергии.

Уже не первый год ученые всего мира работают над созданием альтернативных видов автомобильного топлива, готовясь, таким образом, к окончанию века нефти на земле. Крупнейшие автопроизводители не отстают от ученых, используя в своей работе последние разработки. Практически все автомобильные бренды предлагают наряду с традиционными моделями гибридные и электромобили.

Какие на данный момент существуют варианты замены  бензиновому топливу?

Во-первых, природный газ, метан можно использовать в качестве топлива. Разработки автомобилей с двигателями, работающих на газу, давно и успешно проводятся. Французские производители представили  автомобиль, оснащенный турбодвигателем, одинаково эффективно работающим  как на природном газе, так и на биогазе. Он привлёк внимание тем, что не отличается сложной конструкцией силовой установки, это простой двигатель, в котором используется подача в камеру сгорания смеси газа и воздуха  вместо бензина. Работа такого мотора экологичнее на 25%, чем классического двигателя внутреннего сгорания, а при заправке такого автомобиля биогазом содержание СО2 в выхлопах - нулевое.

Почему бы не заправлять автомобили газом, который гораздо дешевле по своей стоимости и не идет в сравнение с бензином, да ещё в несколько раз экологичнее, чем он? Но всё же, при всех своих преимуществах, широкого распространения «газовых» авто мы не наблюдаем.  Причина тому – конкуренция с более развитым рынком бензина, который не даёт возможности развернуть новый бизнес в виде создания сети газовых заправок.

Электричество, как вид топлива для электромобилей, альтернатива загрязняющим бензиновым системам, изучается уже давно (с 20-ых годов ХХвека). Облегчить жизнь горожанам задымленных мегаполисов можно, введя в широкую эксплуатацию экологичные электромобили.  Каждый крупный автопроизводитель имеет такие модели в своём арсенале. Разработки не останавливаются и сейчас, и уже создан англичанами (  Lightning Car Company) электромобиль с мощностью  700 л. с. Но опять же, как свидетельствуют эксперты, массовой популяризации электромобилей мешает недостаточность  развития сети электрических заправок. Конечно,  подобные станции уже есть  в Европе, Японии и Америке, но их числа пока ещё недостаточно, чтобы обеспечивать водителям возможность там, где это необходимо подзаряжать двигатель своего электромобиля. Но в плане экономии использовать электродвигатель очень выгодно: электричество гораздо дешевле бензина, автовладелец не зависит от стоимости топлива  и автозаправок, электромотор не оставляет  вредного выхлопа СО2.

Генри Форд впервые применил в качестве автомобильного топлива этанол,  на котором  ездил его  «Квадроцикл» и знаменитый Ford T, работающий на спирту или на бензине, а также не смеси одного с другим. Этанол в понятии Форда являлся  выгодным экономичным видом топлива, ведь тогда стоимость спирта была в несколько раз меньше цены на бензин. Самый весомый аргумент в пользу этанола – его полная экологичность и то, что он значительно продлевает срок службы  самого двигателя. К тому же работать на спирту может любой автомобиль с обычным мотором, например,  компания Citroen выпустила в свет модель C4 BioFlex, использующую  в своей работе и бензин и биоэтанол. Тем не менее, производство биоэтанола в Европе ограничено Еврокомиссией, так как увеличение  объемов производства этого топлива  послужит созданию дефицита продовольственных товаров.

Группа ученых из Пенсильвании работает над водородным топливом, которое считается одним из самых перспективных, оставляя в процессе окисления только водяной пар. Транспортировать этот вид топлива можно практически на любые расстояния, он полностью безопасен для людей и автомобилей, если не считать взрывоопасности. Многие автопроизводители взяли этот вид топлива на вооружение, разработав концептуальные модели на водороде. Хотя в идеале водород — это самая лучшая альтернатива бензину, но дороговизна его производства значительно увеличивает стоимость эксплуатации авто, работающих на нём. Кроме этого, использование водорода как вида топлива для автомобилей тормозится большими энергозатратами при его производстве.

За последнее время было открыто множество новых источников энергии, среди которых как вполне понятное использование энергии ветра, приливов-отливов, так и современные нанотехнологии, использование лунного гелия и термоядерных реакторов.

Ученые из калифорнийской лаборатории предполагают использовать насекомых, выделяющих в процессе своей жизнедеятельности углеводороды, по своему составу схожие с нефтью, планируя таким образом получить новое синтетическое топливо уже в 2011 году.

В Массачусетсе решили рационализировать уже существующие технологии, разработав специальные быстро заряжаемые аккумуляторы для электромобилей. Автомобиль, оснащенный такой батареей, достаточно на несколько минут подключать к источнику питания. Китайские автопроизводители уже пообещали выпустить до 1 миллиона подобных электромобилей уже к 2020 году.

Все эти технологии на сегодняшний день находятся в стадии разработки, а самыми перспективными заменами традиционному топливу считаются водород и электроэнергия.

Электромобили.

В современном мире, с иссякающими запасами нефти и газа, ухудшающейся экологией человечество вынуждено искать способы передвижения, которые были бы изолированы от этих проблем. Одним из решений являются электромобили.

Электромобили – транспортные средства, приводимые в движение одним или несколькими электродвигателями, питающимися от аккумуляторов или топливных элементов. Это далеко не новый вид транспорта.
Мало кто знает, что электрический автомобиль гораздо старше бензинового. Считается, что первый электромобиль был создан Робертом Дэвидсоном (Robert Davidson) в 1838 году в Англии (Приложение. Фото1)., кстати, значительно раньше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, а в 1899 –м именно электрокар первым преодолел порог скорости 100 км/час, установив рекорд. В 1910–х в Нью–Йорке работало до 70 тысяч такси на электрическом ходу. (Приложение. Фото2).

Вплоть до начала ХХ века, электромобили были сильными конкурентами транспортных средств на двигателях внутреннего сгорания и на паровых двигателях. Но, к сожалению, преимущества двигателей внутреннего сгорания были очевидны. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания оказались более мощными и удобными при сравнительной дешевизне бензина. Бензин в то время был доступнее электричества, да и возможности аккумуляторов, питавших автомобили, были очень ограничены. Не в пользу электрокаров сыграли такие недостатки, как дороговизна и восприимчивость к внешним условиям аккумуляторных батарей. Необходимость постоянных подзарядок при сравнительно коротких расстояниях движения такой машины. Эти и другие факторы обеспечили победу бензиновых автомобилей, однако, как видно сейчас, она оказалась неполной и сравнительно недолгой. В конце ХХ века об этом, почти забытом виде транспорта, пришлось вспомнить. Рост стоимости нефти, резкое ухудшение экологической обстановки, связанное с автомобильными выбросами в атмосферу, все это привело к тому, что небольшие автокомпании, а за ними и крупные, стали возвращаться к теме электрокаров. Тем более, что уже созданы аккумуляторы с применением наноматериалов, которые заряжаются в течение всего 10–15 минут и обеспечивают хорошую мощность. Практически все автогиганты уже начали, или планируют открыть в ближайшие два–три года серийное производство электромобилей. В Великобритании, Франции, Дании, Израиле в этом году намечено построить сотни станций для подзарядки и замены аккумуляторов. И электромобиль стал медленно, но верно возвращать свои позиции.

Если взять электромобиль, снять с него разные системы и подсистемы, то мы получим очень простую конструкцию – аккумулятор, соединенный с электродвигателем(Приложение фото3). По сравнению с двигателем внутреннего сгорания, электродвигатель является очень простым устройством всего с одной двигающейся частью – ротором. Ему не нужны ни свечи, ни клапаны, а автомобилю на электродвигателе не нужна коробка передач. Все было бы хорошо, но вся проблема электромобилей заключается в аккумуляторах. Длительное время аккумуляторы имели очень маленькое отношение энергия/масса. Но в 90-х годах, в связи с прогрессом электроники, появилось огромное количество мобильных устройств, вроде мобильных телефонов и ноутбуков, которые нуждались в портативных, но мощных источниках питания. Таким образом, развитие получили и аккумуляторные батареи, а у электромобиля появилось больше возможностей вернуться на дорогу.

За прошедшие сто лет попытки вывести электропривод на новый уровень предпринимались снова и снова. Например, в сороковые и пятидесятые годы электромобили с огромными батарейными отсеками под погрузочной платформой развозили по Штутгарту ящики с пивом. В шестидесятые компания Bosch работала над электродвигателем для малолитражных автомобилей, в частности для проекта Goggomobil фирмы Glas. Тогда появилась возможность использовать полупроводниковые элементы, благодаря которым энергия могла поступать в электродвигатель без потерь в использовавшихся ранее балластных резисторах. В результате дальность поездки на одном заряде несколько увеличилась, но все еще оставалась неудовлетворительной.

В начале семидесятых компании Mercedes-Benz и MAN прилагали большие усилия для начала серийного производства городских автобусов с электроприводом: городские власти были очень заинтересованы в развитии экологически чистого общественного транспорт. Однако дело ограничилось несколькими опытными образцами.

Батарея как ключевой элемент электромобиля.

В последующие десятилетия автопроизводители инициировали целый ряд проектов по созданию легковых электромобилей. Все они потерпели неудачу из-за недостаточной удельной энергоемкости свинцовых батарей, которая почти не менялась с течением времени. Появление литий-ионной аккумуляторной технологии придало развитию электропривода новый импульс. В гибридных приводах, приобретающих все большее распространение, используются никель-металлгидридные батареи, занимающие промежуточное положение между свинцовыми и литий-ионными по энергетической плотности.

В последние годы разработка электромобилей стимулируется двумя тенденциями:

1) С появлением мобильных телефонов, ноутбуков и портативных электроинструментов производители батарей добились больших успехов в повышении удельной энергоемкости благодаря применению новых материалов, прежде всего лития для электродов.

2) Политика, направленная на сокращение выбросов CO2 и защиту климата, также содействует более широкому использованию электроприводов.
Говорить об отсутствии выбросов CO2 у электромобилей имеет смысл только при условии, что электричество для батареи вырабатывается из возобновляемых источников энергии. Например, у угольных электростанций удельные выбросы CO2 выше, чем у бензиновых и тем более у дизельных двигателей.
Третий фактор - предполагаемое истощение запасов нефти в ближайшие 50-100 лет.
 Среди электромобилей на аккумуляторной тяге можно выделить две модели – Mini E(Приложение фото5) от BMW и автомобиль Tesla.

втомобиль Tesla(Приложение фото4) – первый в мире спортивный автомобиль на электрической тяге, серийное производство которого уже началось. Этот автомобиль построен на платформе родстера Lotus Elise калифорнийской фирмой Tesla Motors. Его электродвигатель обладает мощностью в 248 л. с. и разгоняет эту маленькую машинку до 100 км/ч всего за 3,9 секунды. Максимальная скорость – 200 километров в час. Запас хода в 230 километров вполне достаточен для движения в городе, или даже для междугородних путешествий. Специальная система регенерации электричества при торможении сэкономит электричество. Правда, цена этого экологичного чуда высоковата – почти 100 тысяч долларов.

Mini E – представитель электромобилей для города. Он построен на основе Mini Cooper, электрический двигатель имеет мощность в 204 л. с. Его вращение передается на передние колеса через цилиндрическую зубчатую передачу. Запас хода – 240 километров. Автомобиль имеет два места: задние места Mini заняты аккумуляторными батареями. Кстати, емкость аккумулятора 35 киловатт-часов и он обеспечивает электродвигателю постоянное напряжение в 380 вольт. Зарядка этого аккумулятора занимает всего 2,5 часа, благодаря устройству Wallbox, ускоряющему процесс зарядки. Mini E выпущен ограниченной серией в 500 экземпляров и в настоящее время все экземпляры проходят испытания с США.

Электромобили, учитывая уровень и темпы развития технологий, имеют большие перспективы внедрения в транспорт.

Гибриды, история появления гибридных автомобилей

Перспективным направлением электромобилей являются гибриды.
Гибриды – высокоэкономичные автомобили, использующие в качестве силовой установки систему «двигатель внутреннего сгорания – электродвигатель».

Гибриды имеют значительные преимущества по сравнению с обычными электромобилями. Электромобилю необходимо длительное время для зарядки аккумуляторов, а вот гибриду достаточно простой заправки топливом. Правда, в настоящее время ведется разработка аккумуляторных батарей на основе нанотехнологий, которые будут заряжаться в течение 15-20 минут.

Появление идеи гибридов было обусловлено совсем не проблемами экономичности. С внедрением большегрузных самосвалов и тяжелых локомотивов возникла проблема передачи большого крутящего момента от двигателя к колесам. Для этого были необходимы очень сложные коробки передач. Решение для гибридных автомобилей было найдено в замене коробки передач системой «электрогенератор – электродвигатель». Электродвигатель имеет очень широкий диапазон крутящего момента, который можно регулировать с помощью поступающего на него тока. Таким образом, общая схема гибрида представляет собой систему «электростанция на электромобиле». Эта система, будучи усложненной, получила развитие в гибридных автомобилях. Выяснилось, что правильно скомбинированная система «двигатель внутреннего сгорания – электродвигатель – аккумулятор» позволяет значительно экономить топливо. В свете растущих цен на нефть и проблем экологии эта технология гибридных автомобилей получила большое развитие.
Многие автопроизводители занимаются разработкой гибридов. Лидерами в этой сфере являются компании Toyota, Lexus, Honda. Недавно в «гибридную» гонку включилась и компания BMW; в 2009 году она планирует начать выпуск моделей BMW 7 series и BMW X6 ActiveHybrid.

Первенцем в сфере серийного производства гибридов стала компания Toyota, выпустившая в 1997 году первый в мире серийный гибрид Toyota Prius(Приложение фото7 - 11). Этот автомобиль стал началом эры гибридов.

Как уже было сказано, конек гибридов – большая экономичность. Она основывается на нескольких факторах:
• Установка электродвигателя и аккумуляторов позволила снизить объем и мощность бензинового двигателя гибрида.
• Двигатель внутреннего сгорания, благодаря объединению с электродвигателем, работает равномернее и меньше зависит от дорожных условий.
• При необходимости, гибридный автомобиль может двигаться только на электротяге.
• Электродвигатель может быть использован как электрогенератор при торможении автомобиля гибрида.
Способность двигаться только на электрической тяге позволяет значительно снизить расход топлива, а соответственно и уровень выхлопов при движении в сложных условиях, например в пробках.

Тойота приус (Toyota Prius) стал первым в мире серийно выпускаемым гибридом. Его производство началось в 1997 году. За прошедшие двенадцать лет появилось три поколения Тойота приус (Toyota Prius). Этот автомобиль является образцом возможностей гибридных автомобилей. История Prius началась еще в 1994 году, когда руководитель Toyota Такеши Учиямаде дал задачу создания нового высокоэкономичного и безвредного для окружающей среды автомобиля. После рассмотрения более чем 100 проектов гибридных автомобилей, выбор пал на технический проект будущего Тойота приус, содержавшего в себе 1974 патента на различные нововведения. Все технические трудности необходимо было решить в течение 3 лет, чтобы новый Toyota Prius поступил в продажу уже в декабре 1997 года. Главной сложностью изготовления автомобиля Тойота приус (Toyota Prius) стало то, что срок службы батарей должен был составлять от 7 до 10 лет. При активной зарядке-разрядке батареи, такой срок слишком велик. Решение оказалось очень простым. Если заряжать батарею примерно до 60%, то такой срок службы вполне достижим. Слово Prius переводиться с латинского «идущий». По словам создателей, Тойота приус (Toyota Prius) являлся образом совершенно нового поколения автомобилей. Они были правы: Prius – революционный автомобиль. Prius является комбинированным гибридом. Это означает, что он может приводиться в движение бензиновым двигателем и/или электромотором. Основными компонентами этого автомобиля являются: • Система регенерации кинетической энергии автомобиля в электрическую энергию, сохраняемую в аккумуляторах. • Двигатель внутреннего сгорания 1NZ-FXE основанный на цикле Аткинсона, который, в отличие от более мощного цикла Отто, является на 12-14% экономичнее. На время остановок двигатель отключается, и все системы вроде кондиционера питаются от батарей. Двигатель внутреннего сгорания используется для движения и зарядки аккумуляторов. Наличие электродвигателя позволило уменьшить объем и мощность двигателя внутреннего сгорания. • Два мотора-генератора. Первый обеспечивает запуск бензинового двигателя и поддержания вращения трансмиссии. Второй, мощностью 67 л. с. , участвует непосредственно в движении автомобиля. Кроме того, при торможении эти же моторы-генераторы обеспечивают преобразование кинетической энергии автомобиля в электрическую. • Hybrid Synergy Drive – специальная система, обеспечивающая слаженную работу электродвигателя и бензинового двигателя, а также трансмиссии и других систем. • Блок аккумуляторов фирмы Panasonic, весом 53,5 кг и электрической емкостью 6,5 А*ч. Обычный бензиновый или дизельный автомобиль потребляет топливо, даже когда автомобиль остановился, что типично для городского режима движения. Системы Тойота приус (Toyota Prius) останавливают двигатель, а в случае необходимости движения на небольшой скорости – используют электрическую тягу. Кроме того, в обычном автомобиле, двигатель постоянно используется для разгона, а затем кинетическая энергия автомобиля просто уходит в трение тормозных колодок. Тойота приус (Toyota Prius) использует эту энергию с пользой, возвращая ее назад в батарею. Таким образом, в условиях городского движения, Тойота приус (Toyota Prius) – вне конкуренции. В условиях шоссе Prius имеет меньше преимуществ. Меньше, но все же имеет. Тойота приус (Toyota Prius) обладает небольшим, но эффективным бензиновым двигателем. В случае необходимости, например, быстрого обгона, на помощь бензиновому двигателю приходит электрический. Как это ни странно, но основными конкурентами Toyota Prius являются автомобили, оснащенные современными турбодизельными двигателями. Применение высоких технологий и более низкая стоимость дизельного топлива по сравнению с бензином, заставляют конкурировать Prius с дизельными автомобилями таких компаний, как BMW и Volkswagen, которые добились значительных успехов в технологиях экономии топлива. Кстати, расход бензина автомобилем Toyota Prius составляет: 4,9 литра для городского режима, 5,2 – при движении по шоссе и 5,1 – в смешанном цикле. По данным на май 2008 года, в мире продано более 1 миллиона автомобилей Тойота приус (Toyota Prius). По данным американского департамента транспорта, Prius занимает третье место по уровню CO2 в выхлопе, после Volkswagen Polo 1.4 TDI и SEAT Ibiza 1.4 TDI. Это означает, что Prius имеет самый низкий уровень выхлопов среди бензиновых автомобилей.

В крышу гибрида Toyota Prius вмонтировали солнечные батареи

Американская компания National Renewable Energy Laboratory оснастила гибрид Toyota Prius солнечными батареями(Приложение фото 12). Такой автомобиль расходует 2,5 л бензина на 100 км пробега. Машину можно подзаряжать от бытовой электросети. Этот способ считается самым перспективным, отмечает Japancar. Кстати, Toyota Motor не исключает, что Prius следующего поколения сможет заряжаться от домашней розетки. Стандартные никелевые аккумуляторные батареи заменили экспериментальными ионно-литиевыми. По утверждению разработчиков, их эффективность возросла в 6 раз. Энергоотдача новых батарей - 9 кВт/ч. А солнечные батареи, вмонтированные в крышу, генерируют 165 Вт, позволяя проехать при необходимости дополнительные 5 км. Пробег на одной полной зарядке аккумуляторов превышает 80 км. По статистике, 78% водителей в США ежедневно проезжают не более 65 км. Преобразование стандартного Prius в высокотехнологичный образец обошлось примерно в $40 тыс. Создатели не планируют скорого коммерческого воплощения своих идей, Prius для них - идеальная база для экспериментов. Следующая задача американских специалистов - продление срока эксплуатации ионно-литиевых батарей. Идеальным считается срок в 15 лет.

ДВС останется главным автомобильным приводом и в 2020 г.

По прогнозам Bosch, в 2020 г. в мире будет выпущено около 3 млн автомобилей с полностью электрическим приводом. Следовательно, при общем объеме производства от 90 млн автомобилей не менее 87 млн из них будут оснащены двигателем внутреннего сгорания - это 14 млн больше, чем в 2007 г. Даже при условии, что в 2020 г. с конвейера сойдут 10 млн электромобилей, объем выпуска ДВС все же будет выше, чем в настоящее время.

Компания не прогнозирует широкого применения гибридного привода в будущем. В этом случае речь идет скорее о переходной технологии, нежели о революции в автомобилестроении. Наличие сразу двух приводов - ДВС и электромотора с батареей - обходится слишком дорого. Для автомобильной отрасли эта технология невыгодна, так в условиях конкуренции на рынке появляется все больше гибридных моделей.

Водород. Автомобили на водородном топливе.

Сейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее. Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород. Водород(Приложение фото14) - топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород. Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы. Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы. Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды. Топливный элемент(Приложение фото15) – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию. Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект – электролизер вырабатывал электрический ток. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере. Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины. Водородомобиль. Есть два лидирующих в этой сфере автомобиля, но координально отличающихся друг от друга. Это BMW Hydrogen 7, с водородным ДВС и Nissan FCV, работающий от водородных топливных элементов. Сразу возникает вопрос: что лучше - сжигать водород в цилиндрах, или питать им топливные элементы? Внешне BMW Hydrogen 7 — обычный седан BMW 760iL, но мотор V12 пришлось доработать — для ряда деталей подобрали иные материалы, а в багажнике установлен 170-литровый криогенный резервуар с водородом. Двигатель переводится с бензина на водород одним нажатием кнопки с символом Н₂ на рулевом колесе. Уже построено более 100 таких машин, из которых 20 отправлены в США и сдаются в лизинг по цене, сопоставимой с обычной BMW 7. Выхлопами этого авто являются лишь пар и излишки водорода, затем испаряющиеся в атмосфере. Недостатки. Во-первых, мощность двигателя BMW Hydrogen 7 составляет лишь 260 л. с. вместо привычных для M7 444л. с. Причина этого феномена в том, что водород жёстче бензина, и на его переработку требуется больше воздуха. Следовательно, падает мощность. Во-вторых, криобак со сжиженным водородом уменьшил объем багажника вдвое - с почти пятисот до 225, что тоже немаловажно. В-третьих, при сжигании водорода требуется втрое больше кислорода по сравнению с любым углеводородным топливом, а значит, растет и количество выделяющихся окислов азота, с которыми человечество борется долго и упорно. Но ездить на водороде можно! Главное — не парковаться в закрытых гаражах и на стоянках. Ведь, даже несмотря на потрясающую вакуумную теплоизоляцию криобака, эквивалентную 17-метровому слою строительной пены, сжиженный и охлажденный до –253°C водород все равно со временем нагревается, испаряется и... Чтобы не было взрыва, излишки газа стравливаются в атмосферу. Но в закрытом помещении вполне возможно образование взрывоопасной смеси водорода с воздухом, возникающей при концентрации водорода от четырех до 75 объемных процентов. Поэтому, в случае неаккуратности с этим авто не удивляйтесь, если ваша машина будет разбросана по частям на дороге. Есть ли перспектива у ДВС, пусть даже специальных, в водородную эпоху? Вопрос остается открытым. Но в Мюнхене утверждают, что серийный водородомобиль BMW появится уже к 2020 году… Nissan FCV с топливными элементами на базе японской версии кроссовера X-Trail был построен ещё пять лет назад. Каждый из 15 построенных водородных Ниссанов стоит более полумиллиона евро и пока используется только для экспериментов. FCV — классический водородный электромобиль: газ поступает в топливные элементы, вступает в реакцию синтеза с кислородом, а вырабатывающееся при этом «попутное» электричество приводит электродвигатель мощностью 122 л. с. Излишки элект­ричества запасает литий-ионный аккумулятор. По такому же принципу построены, например, Honda FCX. Электромобиль на водороде - передние колеса ведет обыкновенный электромотор, но здесь нет никаких батареек. Вместо этого есть собственная бортовая электростанция, выглядит она как водородный ТЭ. Позади автомобиля топливный бак, где обычно, но вместо бензина или дизеля он наполнен сжатым водородом. Водород соединяется с кислородом в ТЭ, где создается электричество. Электричество используется для питания электромотора, который приводит в движение передние колеса, как будто вы едете на обычной переднеприводной машине. Весь этот процесс управляется коробкой электроники под крышкой капота, где обычно находится двигатель. Когда исчерпаются запасы топлива, вы отправляетесь на заправочную станцию. Водородная заправка немного похожа на обычную, бензиновую. Вы заправляете как обычный автомобиль, только единственное отличие - водород находится под давлением. В США водород стоит примерно как бензин, но в отличие от бензина он не закончится потому, что это самое распространенное вещество во вселенной. Есть и другое преимущество у водорода - единственный выхлоп от этого автомобиля это вода. В рабочем диапазоне скоростей машина разгоняется неплохо — разве что трогается с ленцой да после 120 км/ч ускоряется неохотно. Но для города динамики вполне достаточно. Зато едет Nissan даже тише, чем Honda FCX, — в салоне не слышно ни шипения газа в электрохимическом генераторе под сиденьями, ни воя электрического преобразователя под капотом. Управляемость, тормоза — все сопоставимо с обыкновенным кроссовером X-Trail. С той лишь разницей, что FCV имеет передний привод и предназначен только для ровных дорог. Высокий кузов кроссовера был выбран лишь потому, что позволяет более свободно компоновать элементы конструкции. Однако электромобиль с питанием от топливных элементов не лишен общего недостатка – высокой массы тяговых электродвигателей транспортных средств, рассчитанных как на максимальные мощность и крутящий момент, так и на максимальную частоту вращения. При этом добавляются и специфические недостатки, характерные для топливных элементов. Это, во-первых, невозможность рекуперации энергии при торможении, так как топливные элементы не являются аккумуляторами, то есть они не могут заряжаться электроэнергией, а во-вторых, низкая удельная мощность топливных элементов. Делаются попытки снижения массы топливных элементов с использованием в качестве промежуточных источников энергии конденсаторных накопителей энергии, обладающих высокой удельной мощностью. Однако, и этот путь недостаточно эффективен, так как лучшие современные конденсаторные накопители, доступные для автомобильной техники, имеют удельные энергетические показатели около 0,55 Вт·ч/кг и 0,8 Вт·ч/литр. В таком случае для накопления всего 2 кВт·ч энергии (это значение рекомендовано специалистами как для электромобилей, так и для электробусов), потребуется около 3000 кг или 2,5 м3 конденсаторов, что нереально. Меньшие значения запасаемой энергии существенно снижают динамические качества машины. Кроме того, при коротком замыкании мощные конденсаторы могут загореться, что очень нежелательно для транспорта. Гораздо эффективнее использование в качестве промежуточного накопителя энергии супермаховика, соединенного с обратимой электромашиной. Но в целом машина с ВТЭ превосходит ВДВС, так что на данный момент топливные элементы являются доминирующей разработкой. Экспериментами с топливными элементами сейчас заняты все крупные автомобильные компании. У Honda уже готовы два прототипа, один из которых работает на водороде, а другой - на метаноле. Дело в том, что хранение водорода сопряжено с большими сложностями, и поэтому наиболее перспективной считается выработка водорода на борту электромобиля. И метанол как никто другой подходит в роли водородосодержащей жидкости, хранение и заправка которой лишь немногим сложнее, нежели использование бензина. Но для этого нужно сконструировать небольшую установку для реформинга (переработки) и позаботиться о том, чтобы преобразовать ядовитый угарный газ в безвредный CO2. Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7. Еще одной проблемой внедрения водорода - является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками. Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена. Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ в выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Автомобиль, вырабатывающий водородное топливо. Ученые-разработчики альтернативных топливных систем не перестают удивлять нас все новыми и новыми достижениями в этой сфере практически еженедельно. И стоит признаться, отдельные проекты действительно заслуживают внимания инженеров-автомобилистов не только в пределах одной лаборатории, страны, а в масштабах сообщества в целом. Свежий пример – проект израильских ученых, предусматривающий создание топливной системы для автомобиля, которая позволит вырабатывать альтернативное топливо (в нашем случае водород) прямо в авто, что избавит владельцев машин от головной боли во время поиска «водородных» заправочных станций и объектов для подзарядки. Специалисты утверждают, что в течение следующих нескольких лет планируется поставить инновационную технологию на конвейер, что, возможно, коренным образом изменит подход к проблеме «автоэкологии» и вопросам топлива будущего в целом. Очевидно, что многие влиятельные политики мира уже давно ищут пути решения проблем, вызванных зависимостью от нефти. Постоянные скачки цен на нефтепродукты, проблемы с экологией заставляют человечество буквально «изобретать» источники энергии, способные хотя бы отчасти заменить нефть, а в последствии и вовсе отказаться от использования ее в автомобильной промышленности. Недавно инженеры Института Weizmann сделали предложение использовать чистый цинк, который, вступая в реакцию с солнечным светом, вырабатывал водород. Схожую, но технически отличную от предыдущей методики, систему представили израильские ученые, работающие в компании Engineuity. Амноно Йогев (Amnon Yogev), один из основателей Engineuity, рассказал прессе о методе, предусматривающем получение непрерывного потока водорода в топливный бак. Каким образом? «Водородный» автомобиль Engineuity в качестве химических реагентов использует такие металлы как алюминий и цинк, которые входят в состав устройства, напоминающую длинную катушку. Бензобак в таком автомобиле заменен так называемым combustor Metal-Steam – полостью, выделяющей водород из нагретой воды. Задумка такой методики проста – конец катушки погружен в емкость combustor Metal-Steam, которая наполнена очень горячей водой. Атомы металла «вытягивают» из воды атомы кислорода, образуя оксид. В результате этой реакции, атомы высвобождаются атомы водорода, и посылаются с паром внутрь двигателя для исполнения своего долга – приведения авто в движение.

Nissan и BMW - все ждут появления водородомобилей не ранее годов. Тогда зачем производители таких авто вкладывают деньги в разработки столь отдаленной и неясной перспективы?

Человечество очень неэкономно использует запасы нефти на Земле, которые, как ясно, далеко не безграничны. Количество её запасов уменьшается, а темпы использования наоборот, увеличиваются. Также стоит вопрос об охране окружающей среды, ведь нефть - вещёство не безвредное: от неё страдают и растения, и животные, и мы. Поэтому необходимо переходить на альтернативные источники энергии, и водород подходит как ничто другое. Ведь это самый распространенный химический элемент во вселенной, фактически он неисчерпаем, в отличие от нефти. Сейчас много в мире освоено в этой сфере, однако реальной альтернативы пока ещё нет. Все сводится, опять же, к нехватке энергии и непростом, долгом и дорогом способе её использования. У нас в запасе ещё несколько десятилетий, и многие разработчики ведут работы над экологически чистым транспортом, чтобы хоть как-то спасти человечество от экологического кризиса. Будущее автомобилестроения связано скорее всего с электромобилями на топливных элементах.

Литература: журнал «Водородный всеобуч»№ 3 2006., №7 2007г.

Тезисы докладов межвузовской студенческой конференции «Физика и научно-технический прогресс». Донецк-2008.

Интернет-источники:

http://www. *****/archive/2008/17/hydrogen/

http://www. energysaving. /novyj-printsip-raboty-elektromobilya/

http://www. /?lang=rus&act=video&file=

http://*****

http://www. *****/news/perspektivy-razvitiya-elektromobilej/

http://www. *****/tag/legkovye-avtomobili/

http://*****/376-alternativnye-vidy-topliva. html

Приложение

Фото1. Фото2

Фото3

Фото4 Фото5

Фото7 Фото8

Фото9

Фото10

Фото11

Фото12

Фото15

Фото6

Фото13

Фото14