В соответствии с данными Saab, эта технология позволяет перемешивать выпускные газы в цилиндре, используя преимущества непосредственного впрыскивания и поддерживая в то же время стехиометрический состав смеси в цилиндре в большинстве рабочих режимов.
Почти 70% содержимого цилиндра в течение сгорания состоит из выпускных газов; точное соотношение воздуха и отработавших газов зависит от конкретных условий при заданном режиме работы двигателя. Преимущество использования отработавших газов вместо воздуха для наполнения цилиндра заключается в том, что они инертны, не добавляют кислород в процесс сгорания и потому не влияют на соотношение воздух/ топливо. Предлагаемая система обеспечивает пониженные насосные потери.
Работа системы Saab SCC начинается с хода расширения, который осуществляется обычным способом, т.е. топливовоздушная смесь сгорает, давление увеличивается и поршень движется вниз. Особенности функционирования системы SCC начинают проявляться в ходе выпуска. При приближении поршня к нижней мертвой точке, выпускные клапана открываются и большинство выпускных газов покидают цилиндр через открытые выпускные клапана, причем содержание остаточных газов в цилиндре уменьшается по мере подъема поршня.
Бензин впрыскивается с помощью форсунки-свечи (SPI) в момент, когда поршень приближается к верхней мертвой точке, причем одновременно открываются впускные клапана. Отработавшие газы, перемешиваясь с парами бензина, вытекают из цилиндра через открытые впускные и выпускные клапана. В общем случае, чем меньше нагрузка, тем больше в смеси отработавших газов. В течение такта наполнения выпускные и впускные клапаны открыты и смесь отработавших газов с парами бензина из выпускной трубы засасывается обратно в цилиндр. Значительная часть смеси выпускных газов с парами бензина, заброшенная во впускной трубопровод, возвращается в цилиндр. По мере движения поршня
вниз выпускные клапана закрываются, в то время как впускные клапана остаются открытыми и вся смесь паров бензина с выпускными газами, оказавшаяся во впускном трубопроводе возвращается в цилиндр. В заключительной фазе процесса впуска в цилиндр поступает и воздух, необходимый для сгорания.
В течение хода сжатия после того, как закрываются впускные клапаны, смесь отработавших газов, паров бензина и свежего воздуха сжимается. Кроме того, почти половину хода сжатия (примерно 45 градусов поворота коленчатого вала) до появления искры через SPI вдувается воздух в цилиндр, создавая интенсивную турбулентность заряда, необходимую для интенсификации процесса сгорания и сокращения его продолжительности. Перед приходом поршня в ВМТ искра между электродами SPI поджигает смесь и начинается ход расширения следующего цикла.
11. Проблемы использования топливных элементов
Недавно BMW и Delphi Automotive Systems сделали очередной шаг в развитии транспортных силовых установок с топливными элементами, представив первый автомобиль, оснащенный вспомогательной энергетической установкой (APU) с твердооксидными топливными элементами (SOFC), которая генерирует электрическую энергию для таких систем и агрегатов автомобиля, как кондиционирование воздуха, водяные насосы и др.
До этой разработки APU большинство сообщений о топливных элементов касались развития протонообменных мембранных топливных элементов (PEM) для силовых установок автомобилей. В октябре 2000 г. Департамент энергии США (DOE) опубликовал доклад о прогрессе, достигнутом в развитии РЕМ топливных элементов, которое рассматривается как долгосрочная технология развития автомобилей в рамках программы Партнерство для нового поколения автомобилей (PNGV). В этом докладе затронуты технологические и экономические проблемы применения топливных элементов. В частности, перечислены следующие проблемы:
Стоимость системы и ее компонентов. Стоимость крупномасштабного производства топливно-элементных систем, основанного на современном уровне технологии (300 дол/кВт), в семь раз превышает стоимость, которую необходимо иметь для конкурентноспособности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.
Стоимость платины и обеспечение ее потребностей. Предварительный анализ показал, что текущие потребности в платине, необходимой для создания топливных элементов, слишком велики и не могут быть обеспечены промышленностью. Стоимость только платины в современной системе с топливными элементами мощностью 50 кВт оценивается величиной 57 долл/кВт. Только эта составляющая стоимости выше величины, которую согласно нормативу, установленному DOE, должна иметь вся силовая установка к 2004 г. (50 долл/кВт).
Надежность компонентов. Надежность таких ключевых компонентов, как мембрано-электродная сборка и каталитический топливный процессор, пока не достигла требуемого уровня в 5000 часов. Кроме того, некоторые их компонентов еще не готовы для длительных испытаний.
Время пуска. Время подготовки системы с топливными элементами к работе, определяемое топливным процессором, лежит в пределах 6-20 минут, что неприемлемо для владельцев автомобилей.
Вздухообеспечение. Современные компрессоры не могут обеспечить эффективную подачу воздуха в топливный элемент, а топливные элементы, в свою очередь, не могут принять подачу воздуха компрессором. Это приводит к излишней подаче воздуха в топливный элемент, что , в свою очередь, приводит к дополнительной нагрузке на компрессор, понижению общего КПД системы, увеличению размеров батареи топливных элементов, массы и стоимости.
Топливная инфрастуктура. Применение лучших топлив для топливных элементов, водорода и метанола, требует значительных капиталовложений для создания инфрастуктуры производства и распределения этих топлив, что рискованно до создания эффективных и конкурентоспособных силовых установок с топливными элементами и завоевания ими рынка, что позволит окупить инвестиции. Углеводородные топлива нефтяного происхождения имеют развитую инфрастуктуру, но для их использования необходимо иметь бортовые топливные процессоры (генераторы водородосодержащего газа) и специализированные топливозаправочные колонки, обеспечивающие зарядку топливом с низким содержанием серы и ароматических соединений.
Технология топливных элементов
В отличие от электрохимических батарей, в которых химическая реакция используется как для зарядки батарей (накопления электроэнергии), так и для разрядки (получения электроэнергии), топливные элементы генерируют электроэнергию непосредственно из топлива. Если на борту автомобиля есть топливо, то топливные элементы будут давать столько электроэнергии, сколько требуется водителю.
Топливные элементы впервые были продемонстрированы английским ученым Сэром Вильямом Робертом Грове в 1839 г. Изобретение Грове основывалось на предположении о возможности осуществления процесса, обратного общеизвестному процессу электролиза. При электролизе электрический ток пропускается между двумя электродами через проводящую жидкость, называемую электролит. Ток, проходя через электролит, расщепляет воду или другое химическое соединение на ионы (заряженные частицы), которые после реагируют . Аналогично топливный элемент состоит из двух электродов: положительного электрода, называемого анодом, и отрицательного, называемого катодом. Чистый водород, или водород, извлеченный на борту из углеводородного топлива (метанол, бензин, дизельное топливо) и кислород (воздух) подаются в топливный элемент. Катализатор (обычно платина) у анода побуждает атомы водорода отдавать свои электроны и превращаться в протоны. У катода атомы кислорода в присутствии катализатора превращаются в отрицательно заряженные ионы и притягивают к себе протоны. Протоны проникают через электролит (например, тонкую электролитическую мембрану, которая пропускает только протоны) к катоду, а электроны движутся по внешней цепи к катоду. У катода протоны и отрицательно заряженные ионы кислорода образуют воду. Кроме того, в этом процессе выделяется теплота, которую также можно использовать. Таким образом, топливный элемент, потребляя топливо и окислитель, генерирует электроэнергию, теплоту и образует воду. Поскольку один топливный элемент дает напряжение в пределах одного вольта, для получения требуемого напряжения их объединяют в так называемые сборки («стэки»). Водородо-кислородные топливные элементы является экологически чистыми (выделяет только воду). Однако если водород получают из метанола или другого углеводородного топлива на борту в генераторе водорода (топливном процессоре-реформере), то топливный процессоре может выделять вторичные продукты, в том числе и вредные.
Рис. 11.1 Схема топливного элемента
Существуют различные типы топливных элементов, использующих разнообразные топлива и электролиты, работающие при разных температурах. Описанный выше водородо-кислородный топливный элемент с протонно-обменной мембраной (тип PEM) работает при температуре 80-90 градусов Цельсия и наиболее пригоден для применения в силовых установках автомобилей. Изучается возможность использования в качестве вспомогательных энергоустановок для автомобилей топливные элементы с твердо-оксидным электролитом (тип SOFC), которые работают при более высоких температурах (700-1000 град. С). Кроме того, в качестве электролита в этих элементах применяют керамику (например, диоксид циркония).
Многие инженеры уверены, что элементы SOFC вместе с бортовым реформером бензина, в ближайшее время найдет применение как вспомогательная силовая установка на легковых автомобилях и грузовиках. Поскольку автомобили оснащаются все большим количеством электронного оборудования и потребителей электроэнергии, все большая нагрузка ложится на генератор электроэнергии и вспомогательная энергоустановка на базе твердооксидных топливных элементов может стать великолепной альтернативой электрогенератору. BMW, Renoult и Delphi Automotive Systems настойчиво продвигают это направление.