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技术历史、技术、我们身边的事物
使用替代燃料的汽车。 发明和生产的历史
据专家介绍，地球上所有已知的石油储量将持续不超过五十年。 汽油变得越来越贵，今天他们并没有试图用任何东西来代替它。 还有液化天然气，以及各种合成气体和液体，特别是酒精，它是由从甘蔗到橘子皮的各种原料驱动的。 几乎所有这些燃料对环境的危害都比汽油小，但汽车尾气仍然没有变得无害。 在一定条件下，电动汽车可以从根本上解决机动车污染空气的问题。 要做到这一点，不仅其能源的运行，而且这种能源的生产甚至废物处理都应该变得环保。 到目前为止，电动汽车通常使用的电池还不能满足这些要求。 “然而，”正如 K. Klimov 在《科学与生活》杂志上写道，“近年来，电动汽车的使用范围更加广泛。由于世界上最大的汽车公司的发展，电动汽车的缺点电池 - 重量、尺寸、频繁充电的需要 - 有所减少。例如，最近，德国公司宝马展示了一款基于硫化钠电池的新型电动汽车，据该公司称，仅需 96 秒从静止加速到时速 20 公里，最高时速 130 公里，充电续航里程达到 270 公里。钠硫电池的温度约为 350 摄氏度。这个温度本身以及在电池运行过程中需要借助特殊加热器来维持它，都使其具有爆炸性和火灾危险性”。 每年公共道路上的“电动”汽车越来越多，有关该领域新发展的报道不会离开杂志和报纸的版面。 直到最近，电动汽车的发展还受到电流源参数低的限制。 多年来，传统的铅酸电池一直以这种容量服务。 除了其他严重的缺点外，它还限制了汽车在充电前的行驶里程在 150 公里左右。 由于现代化，电池变轻了，液体形式的酸被一种不太危险的凝胶取代。 尽管如此，无需等待这个方向的突破，能量“包装”的密度和酸性电池的功率几乎达到了理论极限。 但是用镍代替铅，就有可能创造出一系列新的电池——镍镉、镍氢和镍锌。 它们与铅酸电池相媲美。 它们的特点是耐用，对霜冻不敏感，能够快速充电。 诚然，它们更贵，而且某些类型的电池仍需要定期充电。 镍金属氢化物系统被认为是当今最有前途的。 是他们有最大的具体指标，自放电是可以接受的：每月容量的百分之五十。 自这些电池首次用于汽车行业以来，已经过去了六年。 在此期间，实验性电动汽车已经在道路上行驶了数百万公里，证明了它们适合在零下二十五度到零下五十度的温度下运行。 以下是《车轮后面》杂志所写的内容：“镍氢系统的明显优势，首先是下次充电前的行驶里程几乎翻了一番——与铅酸电池相比，最长可达 250 公里。在1996年，还记录了一项记录：仅由镍氢电池驱动的电动机驱动的Solectria-Sunrise汽车，一次行驶了600多公里！在测试中，发现镍氢系统承受更多超过10次充放电循环，相当于80公里的里程。 所有这些都将愉快地告诉买家，例如在美国的丰田展厅，他们将立即提出乘坐新的 RAV-4EV 越野车。 隐藏在其地板下的是 24 节镍氢电池，它们为容量为 67 马力的电动机提供动力。 这足以进行相当快的加速（0-100 km / h - 18 秒），并且最高速度必须限制在 125 km / h。 我喜欢它——“RAV-4EV”可以在那儿以 42000 美元的价格买到。 有什么不适合的？ 不要难过——毕竟丰田对电动汽车的选择是没有限制的。 有本田 EV Plus、福特 Ranger EV 和日产 Altima EV——名单还在继续。 欧洲人喜欢 Peugeot-106 Electric 和 Citroen-AX Electric，而 Bombardier NV 微型车则被要求打动时尚青年，他们对这方面的要求几乎低于一些 VAZ。
除其他外，电动汽车催生了一个新的、极具前景的方向——所谓的混合动力汽车。 混合动力方案是使用普通燃料（汽油或天然气，但更常见的是柴油）运行的发动机和电动机的组合。 这个特定群体的典型代表丰田普锐斯是商业上最成功的例子之一。 去年，一万多名买家更喜欢这种模式，你看，这已经意味着什么。 在美国，为了刺激汽车业积极寻找新的解决方案，已经通过了一项法律，要求每家公司在 2003 年之前在其计划中至少拥有一款电动汽车。 否则 - 禁止贸易。 如今，“内燃机的主要竞争对手”称号的主要竞争者是配备燃料电池的汽车。 燃料电池于 1839 年首次亮相，当时英国物理学家威廉格罗夫通过氢与氧的电化学反应发电。 该主题在 1960 年代和 1970 年代开始深入发展，当时燃料电池发动机首次用于航天工业。 火电厂通常如何将燃料的化学能转化为电能？ 首先，燃烧过程中释放的热能转化为蒸汽的动能。 然后涡轮转子上的蒸汽能转化为机械旋转能。 最后，在发电机的绕组中，机械能变成电能。 损失在每个阶段都是不可避免的。 在燃料电池中，燃料的化学能立即转化为电能。 燃料电池或电化学发电机是发生燃料氧化反应并发电的技术装置。 氢气、酒精、氨和碳氢化合物（天然气、石油）可以作为燃料，氧气、硝酸等可以作为氧化剂（燃烧是一种氧化反应）。 燃料电池的设计很简单。 这是一个带有电解质（酸或碱的水溶液）、两个多孔电极（阳极和阴极，如电池）和用于供应燃料（阳极）和氧化剂（阴极）的管子的容器。 在阳极，氢分子分解成原子，原子失去电子，变成正离子，进入电解液。 失去离子的阳极相对于另一个电极获得负电荷，自由电子沿外部电路向后者移动。 在那里它们与氧原子结合 - 形成负离子。 后者通过电解质并与正氢离子结合。 这形成了一个电流流过的闭合电路，燃料电池变成了发电机。 除了电力，它还产生一种副产品——蒸馏水。 单个燃料电池产生约 1,5 V 的电压。为了获得更高的电压，将电池相互串联以形成电池。
电池的连续运行时间取决于燃料、氧化剂和电极材料磨损（氧化）的储备，在现有装置中为 1000 小时。 因此，它们现在仅用于为自主消费者供电，例如深海飞行器或近地空间站。 今天，最常用的是氢氧燃料电池。 然而，空气-铝燃料电池的效率要高得多，其中有空气氧气进入的多孔碳石墨板作为阴极，铝合金板作为阳极。 氧化以百分之八十的效率进行，在室温下“燃烧”一公斤铝能够向外部电路提供大约与一公斤煤在非常高的温度下在空气中燃烧时所提供的能量一样多。 K. Klimov 在《科学与生活》杂志上的文章中写道：“这种电源有很多优点：设计简单、操作完全安全、比能量特性好。”材料主要由能量决定然而，随着时间的推移，这种劣势应该会减少，并且由于俄罗斯科学院 A.A. Baikov 冶金研究所的最新发展，它很可能会被完全消除，而且，在不久的将来。 研究所专家开发了一种新的高效的所谓多组分化学反应方法。 在特别选择的同时具有离子和电子导电性的介质中，多个均匀分布的微电极（正如它们所称的那样）在一定温度下发生电化学反应。 在他们的帮助下，许多已知元素可以以纯净形式获得，包括金属，特别是铝。 这在今天已经在进行，但到目前为止是在实验室条件下，使用普通土壤粘土或任何含有氧化铝的矿石原料作为原料。 氧化铝（氧化铝的主要成分）与氯化钙一起转化为氯化铝并送入反应器。 通过用煤加热苏打获得的金属钠蒸气也进入那里。 因此，在反应器中形成了与铝熔体混合的钠溶液，为多个氧化还原反应同时发生创造了条件。 作为这些反应的结果，得到液态铝。 其中一些反应伴随着热量的释放，这当然会降低生产过程的能源强度。 事实证明，生产本身比传统电解更简单、更便宜，而且环境也更清洁。” 如果该行业能够掌握生产铝的新技术，那么它及其合金都会变得更便宜。 这将同时解决两个问题。 一是加快解决汽车燃油问题。 其次，车身可以由轻质且无腐蚀的材料制成，这将导致其重量显着减轻。 并且减轻汽车的重量会减少行驶时的能源消耗。 包括俄罗斯在内的许多国家已经在生产空气铝燃料电池。 但日本人对它们表现出特别的兴趣。 他们每年生产数千万。 日本人毫不掩饰他们打算很快开始生产铝制电动汽车。 梅赛德斯-奔驰（现为戴姆勒-克莱斯勒）被认为是将这项技术引入汽车行业的先驱之一。 1994年，在面包车的基础上，她制造了一辆带有燃料电池的原型车“Neckar-1”。 两年后，一辆 V 级乘用车配备了类似的动力装置。 一个新的步骤是 Nekar-3 的首演，它使用甲醇作为燃料。 正如《方向盘后》杂志所写：“该模型的一个显着特点是没有用于存储能量的电池。系统中的过程直接发生 - 当您踩下油门踏板时，大约 3% 的最大功率可用不到两秒。因此，汽车的加速动力不错，与传统的柴油或汽油车型相当。至于燃料，甲醇的使用不需要任何特殊的安全措施，加油过程与加满汽油的油箱没有太大区别。顺便说一句，Neckar-38 油箱可容纳 400 升燃油，汽车可以在其上行驶 4 公里。这似乎已经是一个不错的成绩了。” Neckar-XNUMX"——下一个，当然不是最后一个量产的原型。 除了戴姆勒-克莱斯勒的关注之外，燃料电池汽车的研发也由许多公司进行——福特和沃尔沃、日产和雷诺、马自达……虽然还有很多问题需要解决据戴姆勒-克莱斯勒公司预测，仅这家公司就可以在未来40-100年内实现燃料电池汽车的量产4万到5万辆。 “一级方程式”的设计师 Guy Negre 创立了 MDI 公司，在那里他开始制造一种新发动机——混合动力发动机。 特别是在其中，空气可以充当燃料！ 当所有动作都在一个圆柱体中进行时，黑人决定放弃经典方案。 他使用了两种：一种体积为 270 立方厘米，另一种为 755 立方厘米。 气缸通过带有 20 立方厘米球形腔的阀门连接。 当发动机以汽油运行时，小气缸吸入并压缩可燃混合物，然后将其推入燃烧室。 在那里，它被火花放电点燃并以恒定的体积燃烧（燃烧室的两个阀门都关闭）。 然后通向膨胀缸（大）的阀门打开。 这样的方案具有许多优点。 燃烧阶段与膨胀分离，比传统发动机长得多，因此新发动机可以在极稀薄、燃烧缓慢的混合物上运行，不需要消音器，废气毒性与普通城市空气相当。 在压缩空气上工作时，发动机中的过程实际上不会改变。 目标似乎已经实现，但盖伊·内格罗开始着手开发新发动机和新车。 他称之为TOP——“零污染出租车”。 这个名字反映了这个概念：这辆车不会用汽油加油，只能用压缩空气。 “即使在这个项目中，这辆车不仅引起了专家们的极大兴趣，”Za Rulem 杂志报道，“而且在当权者中也引起了极大的兴趣。因此，在墨西哥，议会交通委员会对法国工程师的发展产生了兴趣，并且在墨西哥人访问后，布里尼奥签署了一份合同，将在世界上污染最严重的首都墨西哥城的所有 1997 辆出租车逐步更换为具有清洁“呼气”的汽车。TOP 车型将在现场组装 - 法国将在海外建立交钥匙工厂。 我们预见到反对意见：他们说，为了将空气泵入气缸，需要能源，而发电厂也是污染源。 该项目的作者计算了汽油、电动和“空气”汽车在“炼油厂-汽车”链中的最终效率：分别为 9,4%、13,2% 和 20%——“空气”明显领先。 新电机在很大程度上重复了已经磨合的混合动力车。 然而，由于曲轴上的特殊滑动离合器，现在活塞在死角处“悬挂”的时间更长（80% 的时间）。 被吸入气缸的不是外部空气，而是部分排气。 没有点火系统，燃油喷射，油箱。 但在底部，四个碳（几乎没有重量！）50升压缩空气罐整齐地放置。 它的储备（200 升，200 大气压）足以以 500 公里/小时的速度行驶 40 公里或以 100 公里/小时的速度行驶 90 公里。 在制动过程中，能量被回收——高压压缩机将外部空气泵回气缸。 有两种方法可以给汽车“加油”。 从高压空气管道 - 2-3 分钟（西方价格仅 4 美元）或从电源：相同的压缩机将在 XNUMX 小时内为气缸充气 - 比给电动汽车充电更快。 说起电动汽车，就不能不提到特斯拉汽车。 这是一家来自硅谷的美国汽车公司，专注于生产电动汽车。 以世界著名电气工程师和物理学家尼古拉·特斯拉命名。 该公司的第一款汽车是 Tesla Roadster 跑车。 其正式发布于 19 年 2006 月 XNUMX 日在加利福尼亚州圣莫尼卡举行。
特斯拉公司不仅从事汽车生产，还建设“超级充电站”网络——电动汽车充电站。 作者：Musskiy S.A.
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