Доступность, стоимость и эффективность автомобильного горючего волнуют владельцев и конструкторов автомобилей со времени изобретения «самодвижущейся повозки». Первые экипажи с паровыми двигателями не стали востребованными именно из-за малой эффективности дров и угля в качестве топлива. Не возобновляемые запасы нефти, служащей основным сырьем для производства основных видов автомобильного топлива, заставляют мотористов изобретать новые двигатели для авто, работающие на альтернативном горючем или электроэнергии.
Основные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания
Подавляющая часть легковых автомобилей использует двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине. Массово применяются и дизельные ДВС, получившие широкое распространение в комплектации мощных внедорожников и грузового автотранспорта. В меньших масштабах используются газобаллонные установки, работающие на сжиженных газах — метане и пропан-бутане. Эти три вида автомобильного горючего можно считать основными видами топлива для массовых двигателей внутреннего сгорания.
Бензин
По массовости применения бензин, как автомобильное топливо, лидирует среди всех видов горючего. Благодаря присадкам и добавкам смесь легких углеводородов избавлена от основного недостатка — повышенной детонационной способности. В нефтехимической промышленности основное количество бензина получают путем перегонки нефти. Менее распространены такие способы производства, как осушка газов, переработка угля, вторичная переработка мазута.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания, которые выпускают все автомобилестроители мира, бензин используется как воздушно-топливная смесь. Для возгорания смеси применяется электрический разряд свечей зажигания. По теплоте сгорания, достаточно простым методам переработки, бензин превосходит другие продукты нефтехимии. Этим обусловлены его доступность и массовое производство.
Основным недостатком бензина признано большое количество токсичных выхлопов, выбрасываемых в атмосферу традиционными ДВС. Среди них наиболее вредны окись углерода, сажа, окислы азота, соединения свинца из антидетонационных добавок, канцерогены (бензпирен, антрацен). Для снижения количества вредных веществ приходится применять сложные конструкции выхлопных систем с поглотителями и катализаторами, которые увеличивают стоимость автомобиля. Кроме того, массовое производство автомобильного бензина несет угрозу истощения мировых запасов нефти.
Дизельное топливо
Дизельное топливо, не имеющее определенной химической формулы, состоит из смеси нафтеновых, парафиновых, ароматических углеводородов. Автомобильное дизтопливо получают при прямой перегонке нефти (керосиново – газойлевых фракций).
Главным достоинством дизтоплива для автомобильной промышленности стала низкая (по сравнению с бензином) себестоимость производства. Именно этот фактор послужил главной причиной многолетних усилий по конструированию сложных дизельных моторов.
При сравнимой с бензином теплоте сгорания, тяжелые фракции дизельного топлива воспламеняются при температуре выше 700 градусов, для этого используется высокая степень сжатия топлива. При конструировании моторов, приемлемых для автомобилей по весу, вибрации, понадобилось изобретения насосов высокого давления, прецизионных распыляющих форсунок. Дизельные двигатели в производстве по-прежнему сложнее и дороже бензиновых моторов. При этом дизель более экономичен, потребляя меньшее количество топлива при равных скоростях и пробегах машины.
Основные минусы использования дизтоплива аналогичны недостаткам бензина. Кроме того, из дополнительных недостатков можно отметить повышенное содержание серы, увеличенное количество нагара и лаковых отложений в цилиндрах двигателя.
Пропан-бутан и метан
Из нескольких видов природных газов, пригодных для работы автомобильного двигателя, в странах СНГ в торговых масштабах производятся нефтяной пропан-бутан и шахтный метан. На сжиженном или сжатом газе работает газобаллонное оборудование, которое можно без переделок двигателя установить на любую машину с бензиновым мотором.
Достоинствами газового топлива признаны меньшая стоимость, сниженное количество вредных выхлопов. К недостаткам горючего относят взрывоопасность, падение мощности двигателя, уменьшение полезного пространства багажника при установке ГБО.
Альтернативные горючие топлива
В качестве альтернативных автомобильных топлив можно рассматривать только те виды, которые получили практическое применение на существующих моделях авто, машинах серийного выпуска.
Спирты
Этиловый и метиловый спирты издавна использовались как замена бензину при дефиците продуктов нефтехимии. Уступая бензину в теплоотдаче, спирты в большинстве стран не рассматриваются как альтернатива продуктам нефтепереработки. Получение спиртов из нефти и газа требует сложных технологий, продукты по себестоимости дороже бензина.
В бензиновых двигателях без дополнительной переработки можно использовать добавку не более 30% спирта. Чтобы повысить процент содержания спирта в бензине до этой величины, нужно растачивать отверстия жиклеров, заменить обычный бензобак на нержавеющий, поменять прокладки головки блока цилиндров. При обычной норме добавок спиртов (10 – 15%) автомобильный ДВС серийных моделей столько же теряет в мощности. Достоинством спиртовых добавок признано уменьшение токсичных выхлопов.
Основными недостатками спиртов в качестве добавки к традиционным горючим становятся расслоение спирта в бензобаке, способность летучего эфира активно впитывать воду (засоряет двигатель). Эти проблемы особенно актуальны для России, где применение спиртовых добавок не практикуется.
Экономически использование спиртовых добавок рентабельно только в странах, где возможно производство спирта с низкой себестоимостью. Поэтому в применении спирта лидируют Бразилия и Южная Азия, добывающие дешевое исходное сырье из сахарного тростника, не требующего ухода.
Биогаз и генераторный газ
Биогаз и генераторный газ (синтез-газ), содержащие большой процент метана, получают на биогазовых заводах или в специальных генераторных установках. Для производства газов могут использоваться отходы сельского хозяйства (солома, птичий помет, мясные субпродукты, водоросли) или промышленности (угольная крошка, торф, опилки).
Схема завода по производству биогаза
Не принимая во внимание разницу в процессах производства (брожение или получение в газогенераторах), важно, что оба вида газа для использования в обычных двигателях внутреннего сгорания требуют установки специального оборудования. Успехи в использовании биогаза и синтез-газа характерны для стран с ограниченными нефтяными ресурсами. Так, в Китае до 70% сельского автотранспорта работает на биогазе. В Швеции автопроизводители «Вольво» и «Скания» выпустили специальные автобусы, работающие на биогазе.
При развитом производстве этих газов их достоинствами становятся низкая стоимость (50% от цены бензина) и экологическая сбалансированность (снижение выбросов углекислого газа, сажи, отсутствие неприятных запахов). Для стран СНГ использование обоих видов газа пока не актуально, так как не существует биогазовых заводов, не выпускаются газогенераторные установки, нет сети заправок.
Биодизель
Биодизель не требует для применения конструктивных переделок дизельного двигателя. Основной причиной его применения вместо «солярки» или в качестве добавок становится беспокойство о сокращении вредных выхлопов.
Достаточно заметить, что в ряде европейских стран (особенно – в Германии), на автозаправках колонки с биодизелем начали устанавливаться более 20 лет назад. Многие производители дизтоплива официально добавляют в основное горючее 10 – 15% биодизеля.
Реальность конкуренции биодизеля с минеральным дизтопливом подтверждается рядом фактов. Автомобильные двигатели на биодизеле уже начал выпускать автоконцерн «Скания». Моторы для грузовиков, поддерживающие экологический стандарт «Евро 6», не требуют переделки под новый вид топлива, одинаково успешно потребляют обычную солярку и биодизель.
Основой биодизеля является горючий метиловый эфир, который можно выделять при переработке сельскохозяйственных масличных культур (рапса, подсолнечника) или выделять из отходов кулинарной промышленности.
Круговорот биодизеля
Главным достоинством биодизеля признана экологическая чистота, связанная с малым содержанием в автомобильных выхлопах серы, углекислого газа, сажи. Все компоненты выхлопа природная среда (почва, вода) разлагают за месяц.
Автомобилисты считают недостатками биодизеля падение мощности двигателя (до 7%) и увеличенный расход горючего (до 8%). Кроме того, рапс (основное сырье производства топлива) истощает почву, требует постоянной смены посевных площадей для отдыха земли.
Вопрос низкой стоимости биодизеля относится к спорным, так как европейские страны освобождают этот вид горючего от ряда налогов. В странах СНГ основные объемы производимого растительного горючего уходят на экспорт в Европу, колонки с биодизелем на автозаправках встречаются редко.
Водород
Основным препятствием к использованию водорода, лидирующего по теплоте сгорания, была сложность хранения сжиженного газа (нужен криогенный бак), контроль реакции и подачи топлива в двигатель.
Первый серийный автомобиль на водороде выпустил концерн Toyota. Модель Mirai использует электрохимический генератор, питающий электромотор мощностью 136 л.с. Второй серийной моделью на водородном топливе стала Honda FCV. Оба автомобиля пока выпускаются ограниченными тиражами для внутреннего японского рынка
Honda Clarity FCV
Основным достоинством водородных двигателей уже сейчас можно считать выхлоп, состоящий из чистого водяного пара. В будущем следует ожидать наращивания мощности и удешевления двигателей на водороде.
В кратком виде достоинства и недостатки горючих видов автомобильного топлива можно представить в виде небольшой таблицы.
| Топливо | Теплота сгорания в мега-джоулях на килограмм | Достоинства | Недостатки |
| Водород | 141 | Лучшая теплоотдача из всех известных горючих, экологическая чистота выхлопа. | Необходимость конструирования новых двигателей. Отсутствие сети заправок. |
| Бензин | 42 — 44 | Доступность, разнообразие сортов, основной тип ДВС. | Большое количество вредных выхлопов, угроза природным нефтяным запасам. |
| Дизельное топливо | 42,5 | Доступность, появление экономичных двигателей. | Вредные выхлопы дизтоплива, угроза природным нефтяным запасам. |
| Биодизель | 37,2 | Экологическая чистота, растительное происхождение. | Падение мощности двигателя, увеличенный расход горючего. Отсутствие развитого производства и сети заправок в СНГ. |
| Спирты | 30 | Низкая стоимость для стран с сельскохозяйствен- ным производством спирта. Экологическая чистота. | Низкая теплоотдача, падение мощности бензиновых ДВС. |
| Метан | 50 | Доступность, развитая сеть заправочных станций. | Падение мощности двигателя, необходимость установки специального оборудования. |
| Пропан-бутан | 46,8 | Доступность, развитая сеть заправочных станций. | Падение мощности двигателя, необходимость установки специального оборудования. |
| Биогаз и генераторный газ | 46,8 | Экологическая сбалансированность, возможность использования различных видов отходов, низкая стоимость. | Необходимость установки газогенераторных установок, малая мощность двигателей. |
Как нетрудно заметить, все альтернативные виды горючего не требуют кардинальной переделки двух основных типов ДВС.
На совершенно иных принципах преобразования энергии построены электромобили, поэтому электричество в качестве автомобильного движителя нужно рассматривать отдельно.
Электромобили и гибриды
Низкая стоимость электроэнергии давно привлекала автоконструкторов. Создание недорогого электромобиля с приемлемой дальностью пробега упирается в большой вес и недостаточную мощность существующих аккумуляторов. Технически установить электромотор на колесную пару или каждое отдельное колесо менее сложно.
Устройство электромобиляТем не менее, «чистые» электромобили уже выпускают концерны «БМВ» (компакт i3 и спорткар i3s), «Опель» с моделью Ampera-e, «Ситроен» с моделью E-Mehari. Полностью электрическим стал и кроссовер Jaguar I-Pace. Основными достоинствами электромобилей считаются экологическая чистота и бесшумность.
Среди применяемых аккумуляторов лидируют литий-ионные батареи, перспективны литий-фосфатные, гелевые АКБ. Временным выходом, до создания эффективных аккумуляторных батарей, стали гибридные конструкции, которые выпускают все ведущие автопроизводители. Сочетание бензинового мотора с несколькими электрическими двигателями стало основой конструкций таких неординарных моделей, как Outlander PHEV от «Мицубиши», кросс-купе «Ауди Q8», Порш Кайенн «E-Hybrid».
