CC BY
82ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ Гапиров А.Д.
Гапиров Абдусамин Дехканбаевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, кафедра прикладной механики, Ташкентский институт по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье рассматриваются современные направления исследований в области автомобилестроения, направленные на защиту окружающей среды. Основными направлениями экологизации автомобилестроения являются совершенствование бензиновых двигателей, внедрение электромобилей и водородного топлива. Наиболее перспективным представляется использование электромобилей на водородных топливных элементах, хотя для их серийного выпуска необходимо решение некоторых проблем.
Ключевые слова: минимизация выбросов, расход топлива, электромобиль, водородное топливо, топливный элемент, металл-гидрид, биопластик.
Автомобильная промышленность развивается все более бурными темпами, и число автомобилей растет в геометрической прогрессии. К сожалению, одновременно растет объем выбросов в окружающую среду. Как известно, автотранспорт является одним из самых мощных источников загрязнения окружающей среды как токсичными веществами, так и парниковыми газами. По данным Всемирного банка, доля автотранспортных средств в общем объеме выбросов парниковых газов составляет 13%.
Учитывая колоссальный вред, наносимый выбросами здоровью человека и природным экосистемам, в развитых странах мира постоянно ужесточаются требования к автопроизводителям в вопросах снижения воздействия транспорта на окружающую среду.
Рассмотрим основные направления исследований, проводимых ведущими автостроительными компаниями мира для уменьшения вреда, наносимого автомобильным транспортом.
1) Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. Применение двигателей прямого впрыска с турбонаддувом дало возможность создавать экономичные автомобили. Положительные стороны применения турбонаддува известны достаточно давно, но благодаря исследованиям европейских учёных вместо обычных турбокомпрессоров были разработаны турбонагнетатели с изменяемой геометрией, способные регулировать направление и величину потока отработавших газов. Это позволяет обеспечить оптимальную частоту вращения турбины, что повышает производительность компрессора. При низких оборотах двигателя энергия отработавших газов невелика. Для эффективного ее использования направляющие лопатки находятся в закрытом положении, при котором площадь канала отработавших газов наименьшая. За счет малой площади сечения поток отработавших газов усиливается и заставляет турбину вращаться быстрее. Соответственно быстрее вращается компрессорное колесо, а производительность турбонагнетателя увеличивается. На высоких оборотах двигателя энергия отработавших газов максимальная. Чтобы предотвратить избыточное давление наддува лопатки поворачиваются на максимальный угол, максимально увеличивая площадь поперечного сечения канала. Двигатели с такими турбонагнетателями и непосредственным впрыском применяются концерном Volkswagen. Компания Renault
также использует принцип турбонаддува, например, в модели All-New Kadjar: 1,2-литровый бензиновый 4-цилиндровый двигатель прямого впрыска с турбонаддувом мощностью 130 л.с.; 1,5-литровый 4-цилиндровый дизельный двигатель (110 л.с.) и 1,6-литровый 4-цилиндровый дизельный двигатель (130 л.с.). Расход топлива этими видами двигателей составляет 3,22 л / 100 км. В результате снижения расхода топлива и рациональной системы его сгорания выброс СО2 составляет менее 99 г/км. Для сравнения - выбросы СО2 большинства современных автомобилей такого класса в странах СНГ составляют 180-245 г/км [7].
Вопросами топливной экономичности автомобилей озабочено и Управление по охране окружающей среды США, собирающееся предъявлять более жесткие требования к пробегу машин и увеличить топливную экономичность с 9,41 л/км до 6,63 л/км, то есть на 42%. По подсчётам экспертов это позволит в масштабах страны сократить выбросы на 900 млн м3 и сэкономить 1,8 млрд баррелей нефти. Модернизация автомобилей увеличит их стоимость на $1,3 тыс., но это окупится экономией на топливе в $2,8 тыс. за весь срок пользования машиной [1].
2) Применение электромобилей. Возможности применения электромобилей исследуются уже достаточно давно. Однако проблема создания электромобилей с достаточно большим пробегом пока не решена до конца. Компания Renault выпускает и электромобили различных типов:
1) модель Twizy предназначена для движения в городе «без выхлопа», максимальный пробег 99 км;
2) для междугородних перемещений выпускается модель ZOE, имеющая лучшие для своего класса показатели максимального пробега - до 238 км [7].
Компания Toyota к 2050 году планирует сокращение выбросов CO2 от автомобилей на 90% по сравнению с уровнем 2010 года за счет дальнейшего развития производства автомобилей, использующих электрические и гибридные энергоустановки [8]. В настоящее время специалисты компании разрабатывают электромобили нового поколения.
Электромобили выпускают компании Hyundai Audi, Volkswagen, BMW, Daimler и многие другие известные автопроизводители. Недостатком электромобилей является относительно небольшой пробег на одной зарядке аккумулятора (140-160 км), длительность зарядки (6-7 часов) и ограничение максимальной скорости (150-160 км/ч).
3) Автотранспортные средства на водородном топливе
Использование водорода в качестве топлива давно вызывает интерес автопромышленников, так как при сгорании водорода не образуется вредных соединений.
Получение водорода в настоящее время осуществляется главным образом путем электролиза воды, хотя существуют и другие пути: газификация угля, конверсия метана, пиролиз органических материалов, окисление углеводородов, биологические процессы. В настоящий момент водородное топливо имеет высокую стоимость, но эксперты предполагают, что при серийном производстве стоимость водорода не будет превышать стоимости бензина. Привлекательным выглядит разложение воды при высокой температуре в присутствии катализатора с использованием в качестве источника энергии солнечных батарей.
Существует два пути использования водорода в автомобилях:
1) прямое сжигание в ДВС;
2) применение топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию.
Прямое сжигание в ДВС относительно легко осуществимо и некоторые крупные
автопроизводители выпускают автомобили с гибридным двигателем, способным получать питание как от водородного, так и от бензинового топливного бака. Еще в 1999-2001 годах в рамках программы Clean Energy компания BMW построила несколько двухтопливных автомобилей. Их 4,4-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивали на водороде 184 лошадиные силы и проходили 300 км, а на бензине (их стандартного топливного бака) ещё 650 км.
41
В 2004 г. японская компания Mazda представила двухтопливный вариант спорткара RX-8 с роторным мотором, преобразованным под питание водородным топливом. Перед впускными окнами в корпусе роторного мотора, в отличие от головки цилиндра поршневого ДВС, имеется свободное место, на котором и разместили дополнительные форсунки для подачи водорода. На водороде роторный двигатель развивает мощность почти в 2 раза меньшую, чем на бензине.
Поскольку тепловое сжигание водорода малоэффективно (КПД 30-40%), были разработаны устройства - топливные элементы - для получения электроэнергии в процессе химической реакции горения. Реакция «холодного» горения водорода происходит в щелочной среде без повышения температуры в присутствии катализатора — платины. Уже при температуре 100-200°С происходит образование электроэнергии. КПД таких генераторов составляет около 50%.
Сейчас многие крупнейшие автостроительные компании переходят на производство автомобилей на топливных элементах.
Компания Honda ещё в 2008 г выпускала модель на топливных элементах FCX Clarity, которая поступала на рынки США и проходила около 435 км на 1 заправке.
Компания Mercedes-Benz с 2015 г начала выпуск первых серийных водородных автомобилей на топливных водородных элементах (поэтому в название модели добавлена приставка F-Cell - Fuel Cell). Динамические характеристики нового автомобиля эквиваленты показателям машины с обычным бензиновым двухлитровым мотором. Автомобиль оснащен 136-сильным электромотором, питающимся от литий-ионных аккумуляторных батарей. Электричество для аккумуляторов вырабатывается специальной силовой установкой на топливных ячейках в процессе химической реакции между водородом и кислородом, а также за счет системы рекуперации энергии при торможении (при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия подпитывает аккумуляторную батарею). Компоненты силовой установки располагаются в полу машины, и поэтому не занимают места в салоне и не уменьшают объем багажника. Запас хода водородного Mercedes-Benz B-Class, способного развить максимальную скорость 170 километров в час, составляет 385 километров, а расход водорода эквивалентен показателям автомобиля со сверхэкономичным дизельным двигателем, потребляющим 3,3 литра топлива на сто километров пробега.
Выпуском автомобилей на водородном топливе занимаются такие компании, как Toyota, General Motors, Honda, KIA и др. Пробег выпускаемых или планирующихся ими к выпуску автомобилей составляет 650-800 км, т.е. в 2-2,5 раза превышает пробег электромобилей, а время заправки водородным топливом на стандартных заправочных станциях составляет всего несколько минут. Поэтому водородное топливо приобретает всё большую популярность, и в странах Европы, Китае, Японии, США, Австралии активно развивается инфраструктура для его применения. По оценке аналитической компании Information Trends, к 2022 году общее число водородных заправочных станций в мире превысит 1300, а к 2032 — 4800. Согласно прогнозу Водородного совета к 2030 году водород сможет питать около 10-15 млн легковых автомобилей и 500 000 грузовиков [6].
Параллельно с созданием водородной инфраструктуры производятся исследования по решению проблем хранения водорода внутри автомобиля. На данный момент налажен выпуск автомобилей с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре. Газообразный водород взрывоопасен, но в баке под давлением водород может сохраняться долго. Именно такими баками оснащает свои автомобили компания Mazda.
При хранении водорода в сжиженном виде нельзя допускать нагрева, иначе по мере роста давления предохранительный клапан начнёт стравливать дорогостоящее
42
топливо в атмосферу. Это ограничивает время, на которое машина может быть оставлена на стоянке. Тем не менее, концерн BMW выпускает автомобили с баками, содержащими жидкий водород. Для его охлаждения применяется внешняя «рубашка», наполненная сжиженным воздухом, испарение которого обеспечивает необходимую температуру в баке.
Наиболее перспективным вариантом хранения водорода являются металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Это обеспечивает наиболее высокую безопасность хранения и плотность упаковки топлива. Из многообразных гидридов на данный момент исследователи отдают предпочтение боразану (боран аммиака H3NBH3). При атмосферном давлении и комнатной температуре — это твёрдое соединение, содержащее по массе 20% водорода. Это вещество способно постепенно выделять водород из своего состава для питания топливного элемента. Достоинством боразана является возможность относительно лёгкой регенерации и малый вес топливного блока [5].
4) Минимизация выбросов CO2 в жизненном цикле автомобиля. Некоторые крупные автомобильные компании предполагают исключить углеродсодержащие выбросы на всех этапах жизни автомобилей - от производства до утилизации. В частности, компания Toyota использует низкоуглеродное сырье и биоматериалы из возобновляемых источников. Эта задача решается уже сейчас - в ряде моделей Toyota для отделки внутренних поверхностей автомобиля используется экологический пластик на основе материала био-ПЭТ (био-полиэтилентерефталат), который на 90% состоит из полиэтилена растительного происхождения. Экологичный пластик на основе био-ПЭТ, разработанный компаний Toyota Tsusho Corporation, обладает следующими особенностями:
1) повышенная термостойкость, долговечность, стойкость к усадке сравнительно с другими видами биопластика;
2) удельные затраты на единицу продукции из био-ПЭТ не превышают затрат на производство пластика на основе нефтепродуктов;
3) в отличие от традиционного пластика на основе нефтепродуктов экологичный пластик содержит меньше углерода, за счет чего снижается выделение С02 на всем протяжении жизненного цикла продукции. Использование этого вида пластика уменьшает использование ограниченных нефтяных ресурсов. Компания Toyota занимается внедрением экологичного пластика в автомобильной промышленности с 2000 года. Первоначально из биопластика изготавливались только крышка запасного колеса и напольные коврики. В 2011 году была представлена модель, отделка салона которой на 80% изготовлена из экологичного пластика [8, 9].
Кроме того, компания Toyota является пионером в применении биогидринового каучука (гидрированный бутадиен-нитрильный каучук) в системе питания двигателя и приводной системы. Биогидриновый каучук производится с использованием растительных биоматериалов вместо обычно используемых эпоксидных смол. Такие биоматериалы обеспечивают примерно 20-процентное сокращение выбросов углекислого газа на протяжении всего жизненного цикла автомобиля по сравнению с обычным гидриновым каучуком на нефтяной основе [8].
Одним из современных направлений исследований в сфере автомобилестроения является вопрос создания более совершенных лакокрасочных покрытий с учетом требований защиты окружающей среды. Учеными Германии, США, России разрабатываются, в частности, водоразбавляемые лакокрасочные материалы. Помимо сокращения расхода нефтепродуктов на производство растворителей, они обеспечивают энергосбережение технологии окрашивания, так как по сравнению с органо-разбавляемыми красками позволяют снизить потребление электроэнергии на вентиляцию закрытого цеха в 10 раз [2].
Благодаря большому количеству отходов, образующихся в автопроизводстве, одной из актуальных задач является создание систем, основанных на переработке отходов. С этой целью автостроительные компании стремятся использовать детали с большим сроком службы, упростить возможности демонтажа деталей и разрабатывать более эффективные технологии переработки и использовать возможно большее количество материалов повторно. Например. Компания Toyota извлекает из отработанных инструментов и повторно использует 100% содержащегося в них вольфрама, а также расширила переработку более 14 видов отходов автомобильных компонентов, которые ранее считались неподлежащими переработки.
Подводя итоги рассмотренным направлениям экологизации автомобильного транспорта можно сделать следующий вывод:
Наиболее перспективным из рассмотренных направлений представляется разработка и внедрение автомобилей на водородном топливе, однако далеко не все страны-автопроизводители обладают достаточными экономическими и производственными возможностями для работ в этом направлении. Поэтому в таких странах в первую очередь необходимо развивать переработку и повторное использование автомобильных компонентов, экономию водных ресурсов и сокращение выбросов СО2 в процессе производства.
Список литературы
1. Американские автомобили сэкономят до 42% топлива. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.infox.ru/news/26/lifestyle/auto/43227-amerikanskie-avtomobili-sekonomat-do-42-topliva/ (дата обращения: 04.03.2018).
2. Бабкин О.Э., Бабкина Л.А. Тенденции развития автомобильных покрытий [Электронный ресурс]. режим доступа: http://1.akrokor.peterhost.ru/news01.php/ (дата обращения: 08.03.2018).
3. Водородные ДВС. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.transportgood.ru/tgos-704-1.html/ (дата обращения 11.03.2018).
4. Выпуск электромобилей грозит увеличить безработицу. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.lovatogas.com.ua/news/51-vypusk-elektromobilej-grozit-uvelichit-bezrabotitsu.html/ (дата обращения 10.03.2018).
5. Котов А.А., Иванцов М.В. Проблемы применения водородного топлива в автомобиле [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://auto-ally.ru/obzor/821/index.html?page=9/ (дата обращения 09.03.2018).
6. Развитие водородной автоинфраструктуры Европы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gazpronin.ru/H2StationNorway.html/ (дата обращения: 09.03.2018).
7. Renault business. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cdn.renault.com/content/dam/Renault/UK/brand-and-editorial/Business/business-news/renault-business-magazine-autumn-2015.pdf/ (дата обращения: 03.03.2018).
8. Toyota Environmental Challenge 2050. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.toyota-europe.com/world-of-toyota/feel/environment/environmental-challenge-2050/ (дата обращения: 30.03.2018).
9. Toyota будет отделывать машины экологичным пластиком. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.autonews.ru/news/5825a7a59a7947474312c9ce/ (дата обращения: 03.03.2018).
