Развитие топлива

Способ подачи энергии, которая питает наши автомобили, постоянно меняется, попробуем проследить путь эволюции современных двигателей.

Изобретение бензина.

В далеком 1876 году один немецкий инженер спроектировал и собрал двигатель, который работал на высвобожденной энергии сгоравшего топлива. Николаус Отто центральным звеном своего устройства сделал карбюратор. Горючий материал смешивался с атмосферным воздухом. Затем происходило сжатие этой смеси в цилиндрах, и электрическая искра вызывала воспламенение. Дальнейший путь кинетической энергии знаком всем ученикам старших классов: поршень двигается под воздействие газов и поворачивает коленвал. Вращение колес осуществлялось путем цепной передачи либо через вал. Этот принцип нисколько не изменился и на сегодняшний день. В качестве топлива использовались горючие материалы, которые уже существовали в то время – керосин, бензин и дизельное топливо. Об этом немного подробнее.

Майкл Фарадей Майкл Фарадей

В 1825 году английский физик-испытатель Майкл Фарадей первым официально получил бензин

Первый бензин получил Майкл Фарадей еще в 1825 году, но опыты с нефтью проводились и раньше. В нашей стране в районе Ухты в конце восемнадцатого века был построен первый завод по предварительной очистке нефти. Конечно, технология была проста до крайности. Принцип работы завода был очень похож на принцип работы самогонного аппарата. Емкость с нефтью ставили вовнутрь печи и продукт нагрева по трубе шел в приготовленную заранее бочку. Труба проходила через бочку с водой, которая выполняла роль охлаждающего элемента. Полученная очищенная нефть использовалась в основном для освещения помещений. А именно тот продукт, который мы знаем как бензин, получил английский физик и испытатель Фарадей. Выделив опытным путем углеводородное соединение, требующее минимальных условий для воспламенения. Само название имеет арабские корни и понимается как «благовонное вещество». И это благодаря тому, что исходный материал Фарадей получил откуда-то из Малой Азии.

Примерно через семьдесят лет был изобретен процесс более тщательного разложения нефти на составляющие. Русский инженер по фамилии Шухов сумел добиться гораздо большего КПД на выходе и увеличить объем произведенного бензина. Что послужило продвижению этого горючего в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые были усовершенствованы немцем Даймлером. Автомобили все серьезней внедрялись в жизнь человека и люди впервые столкнулись с нехваткой топлива. Существует даже такая реальная история о путешественниках, которые ездили по Германии в начале двадцатого века и постоянно сталкивались с нехваткой бензина. Однажды, в одном населенном пункте им с большим трудом удалось найти топливо и довелось приобрести сей ценный товар у врача, так как в городской аптеке он уже закончился. Это говорит о том, что совершенно отсутствовала централизованная продажа бензина, и люди просто не знали, к какой категории стоит его отнести.

Немного позднее реализация бензина наладилась, но все равно его приходилось покупать уже разлитым в различные ёмкости в виде ведер или бутылей. Развитие машиностроения и увеличение количества автомобилей привело и к появлению специализированных хранилищ. Хотя сам процесс заправки все ещё оставлял желать лучшего. Заправка отнимала много времени и сил. Первая автомобильная заправочная станция была открыта в 1907 году в США. Компания Standard Oil of California открыла в Сиэтле специализированный магазин по продаже топлива, а так же заправке его в автомобиль. Это был только маленький шажок. Через несколько лет появились первые заправки, которые уже не требовали участия человека в процессе движения топлива из емкости в бак автомобиля, а в тридцатых годах прошлого века появились и колонки с электродозаторами. История развития заправочных станций в каждой стране идет по своему индивидуальному пути. Например, в нашей стране АЗС является главным предприятием, а магазины при ней – всего лишь необязательным дополнением. В других же странах сложилась зеркальная ситуация. Заправки находятся при магазинах и уже они являются дополнением к перечню товаров.

Дизельное топливо.

Основным конкурентом бензина является дизельное топливо. Это горючее обязано своим названием немецкому инженеру Рудольфу Дизелю, который ещё в юношескую пору мечтал о двигателе, который оставит по своим характеристикам паровой далеко позади. И изначально весь агрегат был рассчитан на угольную пыль. Но разработка такой схемы была слишком сложна и Дизель решил остановиться на дешевых продуктах переработки нефти вроде мазута. Работа изобретения немецкого инженера была в корне иной, чем у Отто. Топливо всасывалось в цилиндр, но для его воспламенения не нужны были свечи. Возгорание достигалось путем огромного давления, которое создавалось в камере. Это была довольно сложная конструкция, и поэтому ушло более пяти лет на конструирование первого действующего образца. Он просто прекрасен! Высотой три метра и мощностью порядка 19 лошадиных сил. Движущей силой был керосин, он обеспечил КПД в два раза больше, чем у паровой машины.

Рудольф Дизель Рудольф Дизель

Рудольф Дизель еще со студенческих лет мечтал создать двигатель, КПД которого превышал бы паровой аналог

Переработку под солярку произвели уже другие инженеры. Лицензию на производство двигателей такого типа купил Эммануил Нобель и организовал предприятие по сборке под Петербургом. Так как у керосина цена была довольно высока, то он попросил своих сотрудников несколько переработать конструкцию. И двигатель стал с удовольствием потреблять сырую нефть, а затем и солярку.

двигатель Дизеля двигатель Дизеля

Первый работоспособный двигатель Дизеля работал на керосине

В течение своей жизни Рудольф Дизель не сумел создать автомобиль, сердцем которого бы стал его двигатель. Он только разработал гениальную идею. Она воплотилась в реальность только через десять лет после его загадочного исчезновения в конце сентября 1913 года. Его дело вызвало большой интерес в среде инженеров и ученых, и Проспер Леранж запатентовал работающий экземпляр дизельного двигателя, который имел предварительную камеру для топлива, что делало его действительно инновационным. Единственным минусом было несовершенство конструкции компрессора. Компрессор имел слишком большие габариты и не выдерживал большие обороты. И только сконструированный в 1922 году насос высокого давления помог отчасти решить эту непростую, но интересную проблему. Роберт Бош, автор этого изобретения, появлением своего насоса позволил создать первый двигатель, который поддерживал реальные высокие обороты и в 1923 году вышел грузовик Benz 5К3, оснащенный дизельным двигателем. Тактико-технические характеристики первого дизельного автомобиля не поражают, но для своего времени это был прорыв. Девятилитровый двигатель легко двигал пятитонную машину, хотя мощность не превышала 50 лошадиных сил. Но до первого легкового автомобиля оставалось ещё 13 лет.

Mercedes-Benz 260D Mercedes-Benz 260D

"Mercedes-Benz 260D", оснащенный дизельным двигателем.

Идея создания легковушки на дизельном топливе возникла у компании ещё в 1933 году, но первые эксперименты успеха не принесли. И вот был выпущен первый экземпляр 260D, который имел в своем арсенале четырехцилиндровый двигатель объемом 2,5 литра. Мощность дизельного агрегата достигала 45 лошадиных сил при значении тахометра порядка 3000 об/мин. И впервые была достигнута новая планка экономичности таких двигателей – 9л на 100км. Бензиновый двигатель той же компании потреблял немного больше – 13 л.

Появление понятия для обозначения двигателей и потребляемого ими топлива – «дизель» - окутано пологом тайны. И сейчас дизельным топливом или соляркой называется продукт переработки нефти, который используется для питания двигателей внутреннего сгорания, воспламенение топлива в которых происходит за счет большого давления. Вот так. Сейчас этим видом топлива никого не удивишь, ведь купить дизельное топливо можно почти на любой АЗС.

Альтернативные источники энергии.

В настоящее время появляется все больше видов альтернативных источников энергии для автомобилей, но эта конкуренция была и в начале прошлого века. На самой заре автомобилестроения спирт и растительное масло едва не победили углеводородные соединения. Лишь четвертый десяток 20 века расставил все по тем местам, которые мы сейчас наблюдаем. Помните Николаса Отто? Он тоже грешил экспериментами со спиртом. И Дизель любил заливать различные масла в свои детища. Но дальше всех пошел изобретатель конвейера. Генри Форд разработал и реализовал на знаменитой модели Т двигатель, который с одинаковым успехом могла употреблять этанол, бензин и продукт их слияния. Практически все автомобили эпохи Первой Мировой были запойными, то есть работали на растительном спирте. Но когда нефть серьезно упала в цене и продукты на её основе стали более доступны, чем спирт, это дало толчок для развития бензина как основного вида топлива. Первый возврат к топливу, альтернативному бензину, произошел в 1973 году, когда несколько арабских государств приостановили свои поставки нефти западным странам и Японии. Бензин резко подскочил в цене и быстро достиг отметки, превышающую докризисную в пять раз. И поиск топлива, которое освободит мир от нефтяной зависимости, не прекращается до сих пор. Цены на бензин все продолжают расти и невидно никаких реальных предпосылок, что они упадут. Поэтому постоянно идут исследования различных видов биологического топлива, преимущественно спиртов и биодизелей. Исходные материалы поражают своим разнообразием, главное условие для попадания в высшую лигу и быть источником дешевого и высокоэнергетического спирта – иметь приличное содержание сахара в своей структуре. Поэтому здесь соревнуются все подряд, картофель, свекла и различные злаки. Но первое место пока удерживают кукуруза и сахарный тростник. Они относительно дешевы, неприхотливы в уходе, а так же имеют обширные площади произрастания.

заправка заправка

До 1973 года в мире мало кто задумывался о стоимости бензина

Главный производитель этанола – Бразилия. Заводы по переработке сахарного тростника существуют в этой стране с 1975 года. Плантации по выращиванию и добыче этого сырья в стране, где все ходят в белых штанах, просто огромны. И уже в течение сорока лет все выпускающиеся на территории страны автомобили проектируются под оба варианта, бензин и спирт. Чтобы двигатель не застывал в недоумении, электронная начинка заботливо подскажет ему, что он в данный момент потребляет и соответственно подстроит его. Все просто и понятно. Довольны машины, довольны и люди. К тому же увеличение процентного соотношения в пользу растительного топлива значительно сокращает выброс углекислого газа, что позволяет снизить ущерб нашей атмосфере и сократить рост парникового эффекта. Но тут тоже есть небольшая проблемка. Сам этанол не наносит вреда нашей планете, а его производство – да. То есть, при производстве этого топлива вырабатывается большое количество углекислого газа, что несколько нивелирует его экологичность.

Все-таки для перехода на этанол сделать надо ещё очень много, сейчас только 17 процентов машин могут потреблять этот вид топлива. Но почти 70 процентов могут ездить на смеси, в которой присутствует лишь 15 процентов бензина, а остальной объем занимает спирт. И абсолютно любой двигатель отнесется толерантно к 15-процентному добавлению этанола в привычный бензин.

Ещё одним вариантом, способным заменить бензин, является водород. Есть топливные элементы, которые способны удерживать этот химический элемент и передавать его непосредственно двигателю, где происходит столкновение водорода с кислородом. В результате выделяется большое количество тепла, которое переводится в работу. Вырабатывается электрический ток, он и двигает автомобиль. Более простой вариант – это электромоторы, которые питаются уже произведенным и накопленным электричеством. Сейчас каждый крупный производитель выпускает модели, оснащенные электродвигателем. Но пока ни один не добился большого ресурса работы батарей и они довольно быстро приходят в негодное состояние. А вот их переработка опять-таки очень негативно сказывается на окружающей среде.

японский автомобиль японский автомобиль

Японский автомобиль, работающий на воде.

К трем рассмотренным заменителям бензина можно добавить и более экзотические технологии. Первый из них - это переработка каменного угля в топливо для машин. Оно имеет жидкое состояние и маленький КПД. Ничего сложного, просто сам уголь сначала доводят до состояния газа, который затем конденсируют и используют для заправки. Этот способ был известен ещё во времена последней мировой войны. Его энергично осваивали немцы и их союзники, но особых успехов не добились. Северная Америка и по сей день не оставила надежд на успешное решение такого метода. Правда, технология немного изменилась, из газа стараются удалить все вредные примеси, и только потом превращают его в жидкость. Второй, ещё довольно редкий способ – использование природного газа. Работы по его приручению и попытки загнать под капот автомобиля были успешными практически две сотни лет назад, вездесущий бензин задушил эту инициативу. Повторная попытка состоялась через сто лет в виде газогенераторных двигателей, основным топливом которых были обыкновенные дрова.

Дрова сжигали при большой нехватке кислорода, и в результате вырабатывалось некое количество веществ, частично недоокисленных. Эти вещества и вырабатывали энергию при помощи своего уничтожения в цилиндрах двигателя. Но все эти установки были просто огромными, самая маленькая была весом 400 килограммов и могла протащить автомобиль километров 70, что явно недостаточно. Советские инженеры решили свернуть с этого пути навстречу газовым баллонам. Первые машины отечественного производства на газу были запущены в серию задолго до Второй Мировой Войны. Первопроходцами стали машины ЗИС-30 и ГАЗ-44. Газ вырабатывался в газогенераторах, закачивался в баллоны и уже потом, устанавливался на автомобили. Но всех переплюнули жители Страны Восходящего Солнца. Инженеры компании Genepax уверяют, что разработанный ими двигатель нуждается только в обычной воде. Установка разложит ее на составляющие, то есть на кислород и водород, а затем двигатель работает по абсолютно такой же схеме, как и обычный водородный двигатель. Правда есть одна закавыка – пока никто так и не видел действующего образца. Мы не упомянули довольно много разных видов топлива и соответствующих им двигателей. Просто пока они не заслуживают нашего внимания из-за своей малой функциональности, небольшого количества или существования только на бумаге. Будущее уже не за горами, оно рассудит, какой энергоноситель оптимально подойдет развивающемуся человечеству.

▲ Вверх

Предпросмотр статьи:

X
перейти к полной статье
Поиск по сайту