Высокой мысли пламень (Часть третья)

Килограмм водорода по калорийности эквивалентен примерно 4,5 литра бензина.

Почему же человечество почти два века не использовало столь заманчивый и практически бездонный источник энергии?

Дело в том, что топливные элементы (далее в тексте ТЭ) получались очень дорогими – прежде всего из-за стоимости катализаторов (это в основном платина и палладий).

Хотя это и не стало препятствием для создателей лунникови челноков– и советских, и американских. Здесь ТЭоказались незаменимыми и прошли первую технологическую и практическую доводку и обкатку.

Только как спустить их из космоса и приспособить для земных нужд?

И в конце XX века созданием реальных, предназначенных для продажи автомобилей, использующих энергию водородного цикла, занялись крупнейшие автопроизводители: GM, Ford, Volkswagen, BMW, Toyota, Hondaи другие.

Появилась ещё одна многообещающая альтернатива электромобилям, столь резво в своё время начавшим, но так и остающимся пока весьма ограниченными в применении.

А вот появлением ТЭна нашем заводе мы обязаны энергии и настойчивости Г. Мирзоева (главного конструктора с 1976 по 1998 год).

Ему и предоставим слово.

Г. Мирзоев.

Узнали мы, что ещё в доперестроечные времена несколько институтов АН СССР работали над проблемами водородной энергетики – в основном по оборонно-космической тематике.

Начались поиски путей доступа к этим ТЭ.

Где-то к маю 99-го года выяснилось, что нужные нам устройства применяются в Буране. Диапазон поисков сузился до ракетно-космической корпорации (РКК) Энергияимени Королёва.

Используя все свои связи, через третьи-пятые руки узнали фамилии и телефоны, созвонились:

– Мы с ВАЗа, хотели бы поговорить о совместной работе.

– А откуда вы о нас узнали?

В конце концов удалось получить согласие на встречу.

– Ладно, приезжайте.

– А куда приезжать?

Объяснили. Но предупредили:

– У нас режимное предприятие, провести вас внутрь мы не сможем. Давайте встретимся у проходной, а дальше что-нибудь придумаем.

Встретились у проходной.

– А теперь куда пойдём?

– Есть тут у нас берёзовая роща, в ней и погуляем, и поговорим, чтобы чужих ушей рядом не было.

Хорошо, пошли в рощу. Их трое, нас трое. Часа полтора бродили кругами, разговаривали. Любое слово, любой показатель из них приходилось клещами вытягивать.

Такой была первая встреча. Потом состоялась вторая, третья… Мы уже узнали, что в Королёве делали только саму энергоустановку, а батареи топливных элементов они получали с Уральского электрохимического комбината ( УЭХК, г. Новоуральск).

Пришлось пробиваться туда.

– Мы с ВАЗа, хотели бы сотрудничать.

Сначала знакомая осторожная задумчивость во взглядах: пускать – не пускать, разговаривать – не разговаривать? Тем не менее пустили, даже устроили встречу со своими ведущими специалистами. Собралось человек восемь.

– А вы знаете, что такое топливный элемент?

– Весьма приблизительно.

– А вы знаете, сколько это стоит?

– И сколько?

– Только разработка потребует 5 миллионов долларов ежегодно, в течение 15 лет.

– Тогда извините за беспокойство, вы нас не за тех принимаете. У нашего завода таких денег нет.

Словом, не нашли понимания. Через два часа нас в гостинице разыскивают:

– Давайте завтра ещё встретимся.

Короче, заключили договор. С первичной стоимостью для нашей стороны (не поверите!) 7 миллионов. И даже не долларов, а рублей!

За эти 7 миллионов мы сделали Антэл-1. И через несколько месяцев уже не мы за этими секретными учёными-разработчиками-изготовителями ходили и их упрашивали, а они нам о себе напоминали. Потому что мы вернули им любимую работу!

Знаете ведь, чем история с Бураномзакончилась? Его приспособили в аттракцион для московского парка культуры и отдыха.

Так уральцы готовы были, мне кажется, работать с нами даже бесплатно (признаюсь, ВАЗне по всем счетам ещё с ними расплатился).

Почему крупнейшие фирмы мира так активно занялись проблемами ТЭлишь сейчас?

Время поджимает. Потребление энергии, хотим мы или не хотим, экономим или нет, с каждым годом растёт. Основным её источником остаётся углеводородное, ископаемое сырьё, и оно, увы, не бесконечно.

А ТЭпозволяют в принципе снять многие проблемы, открыть поистине безграничный источник энергии.

Да, пока они очень дороги. Но вспомните, сколько средств вложено за минувшие сто с небольшим лет в двигатель внутреннего сгорания, как совершенствовался, удешевлялся углеводородный цикл.

В настоящее время стоимость 1 кВт мощности энергоустановки на топливных элементах достигает 3 тысяч долларов.

А для её экономической эффективности нужно опуститься на уровень 100 – 200 долларов.

Президент Буш поставил перед США цель: к 2020 году все автомобили должны быть переведены на новые двигатели. На эту задачу из бюджета выделяется около 3 миллиардов долларов, и ещё в 3-4 раза больше вкладывают частные инвесторы.

Мы показали Антэл-1на пятом Московском автосалоне в 2001 году.

По большому счёту, назвать это настоящим автомобилем было трудно. Это скорее ходовой макет, ХМ– есть у нас в автостроении такой специальный термин. По сути, смонтировали всё на машину, чтобы посмотреть: что – к чему – почём?

Окончательная сборка Антэл-1происходила не в Тольятти, а в подмосковном Королёве, в РКК Энергия. Мы привезли туда автомобиль 2131без силовой установки и стали его начинятьс помощью местных специалистов – ведь опыта работы с водородом у нас не было.

Не скрою, было страшновато. Баллоны с водородом, с кислородом, все трубки из особой нержавейки.

Одним из главных достижений было то, что основное водородное оборудование, снятое с Бурана(начиная с баллонов и кончая самой энергетической установкой), уместилось в багажнике длинной Нивы. У других фирм в начале это оборудование полсалона занимало.

Самый напряжённый момент – первый запуск. Сначала всех отогнали подальше. Произвели заправку и попытались поехать.

Первым место за рулём занял ведущий инженер проекта от ЭнергииВ. Никитин, следующим сел вазовец С. Ивлев.

И никаких сбоев! Ездили по внутреннему дворику примерно час, по очереди. Некоторые даже начали лихачить, так что пришлось этот спектакль прекратить.

На следующий день переехали на главную площадь ракетно-космического комплекса, там, где установлена их первая ракета, поднявшаяся в космос.

Явилось всё высшее начальство, во главе с генеральным директором ЭнергииЮ. Семёновым. Приехал В. Каданников. Пригласили космонавтов, представителей Главкосмоса. И все они поочерёдно катались по площади вокруг этой исторической ракеты.

А ещё через несколько дней (почему мы и торопились) машину отправили на Московский автосалон, где она сразу стала одной из изюминок. Это был 2001 год.

Шуму, интереса, расспросов было много. Специалисты, понимающие суть, спрашивали: «А где же вся установка? Салон же свободный!». – «Всё в багажнике!».

Японцы, те допытывались: «Это вы всё сами сделали?».

Вопрос мне тоже был понятен: японцы до самого последнего времени закупали водородные генераторы в Канаде, на фирме Ballard Power Systems, по миллиону, кстати, долларов за штучку. А уж дальше обвязку-привязку делали сами.

2001 год. Первый образец переднеприводного автомобиля 2131ТЭ Антэл-1н а топливных элементах. Электрохимический генератор (ЭХГ) размещён в багажном отсеке, плотно закрытом шторками от любопытных глаз. Силовая установка (электродвигатель с редуктором и главной передачей) размещены в моторном отсеке, пятиместный салон – свободный.

Принципиальная схема устройства Антэл-1.

Рентгеновский снимокавтомобиля Антэл-1.

Г. Мирзоев и ведущий конструктор проекта С. Ивлев (на нижнем снимке справа) демонстрируют электрохимический генератор Антэла-1генеральному директору ВАЗа А. Николаеву (вверху) и губернатору области К. Титову (2001 г.).

Образец 2111ТЭ Антэл-2, где вместо кислорода используется воздух. Всё оборудование удалось разместить под полом и в моторном отсеке. В результате, кроме свободного салона, имеется нормальное багажное отделение.

Принципиальная схема устройства Антэл-2.

Рентгеновский снимокавтомобиля Антэл-2.

Внешне Антел-2ничем, кроме надписей, не отличается от обычного 2111.

Зато под капотом – совершенно другая начинка.

Багажный отсек тоже вроде бы ничем не отличается (вверху). И только при снятой крышке лючка видны расположенные под полом водородные баллоны.

В целом размещение элементов оборудования на Антэл-2получилось гораздо компактнее, чем на Антэл-1.

Г. Мирзоев объясняет министру промышленности В. Христенко принцип действия электрохимического генератора. Сзади – К. Титов, В. Вильчик и Н. Головко.

После расспросов начиналась оценка, разбор по элементам, по характеристикам. И все удивлялись, что на первом образце мы достигли неплохих показателей.

После закрытия Московского автосалона я пригласил всех журналистов в Дмитров, на автополигон. Приехали многие – поближе познакомиться, что это за чудо-юдо. И всех желающих катали на Антэле.

На Московский автосалон 2003 года мы представили уже Антэл–2, который был значительно усовершенствован по сравнению со своим предшественником. Он был выполнен на базе универсала 2111.

Энергоустановка Антэл-1работала на водороде и кислороде, имела мощность 17 кВт и вырабатывала ток напряжением 120 V.

У Антэл-1ёмкость баллонов для водорода и кислорода составляла соответственно 90 и 36 л, давление газов – 250 атм.

Но с самого начала было понятно, что возить в непосредственной близости баллоны с водородом и кислородом опасно, к тому же они занимают много места и требуют заправки.

Задача перевести работу ЭХГс кислорода на воздух ни у кого не вызывала сомнений. Антэл-2был укомплектован первым отечественным щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 V и мощностью 25 кВт.

На Антэл-2вместо кислородного баллона был использован компрессор. Давление газа в баллонах Антэл-1составляло 250 атм; теперь же водород находится в баллоне под давлением 400 атм.

Зато пробег автомобиля на одной заправке увеличился с 200 до 350 км. Максимальная скорость также возросла с 80 до 100 км/ч.

Энергоустановка, система управления, тяговый двигатель – всё разместилось под капотом. По сравнению с базовой моделью 2111масса автомобиля увеличилась на 250 кг.

Появилось и ещё одно новшество. Раньше на то, чтобы закачать водородом 90-литровый баллон Антэл-1, уходило 2 часа. Но если не закачивать газ в баллон, а дать ему перетечь туда под определённым давлением, на всю процедуру уйдёт 5 – 10 минут. Именно такая технология и была внедрена на Антэл-2.

Работа с Антэл-1показала, что на достаточно быстрый разгон автомобилю не хватает мощности. Чтобы исключить эту проблему, решили в Антэл-2использовать буферную аккумуляторную батарею.

Была разработана никель-металлогидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоёмкостью (10 А/ч) и напряжением 240 V.

Она позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза и использовать энергию, принятую при торможении – эффект рекуперации.

Тормозная система тоже претерпела изменения. На Антэл-2установлен компактный электроусилитель тормозов, благодаря чему управлять автомобилем стало гораздо легче.

Антэл-2проезжает без подзарядки 350 км.

На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, оснащённая тремя сверхлёгкими и прочными баллонами по 30 л. Водород в них находится под давлением 400 атм.

В Антэл-1очень много времени уходило на запуск установки. Чтобы автомобиль тронулся с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60 градусов (на полную мощность он выходит при 95 градусах).

Время запуска второй модели удалось сократить до 10-15 минут благодаря специальным нагревателям, установленным непосредственно в генераторе.

Ещё для Антэл-2был разработан новый тяговый электродвигатель переменного тока максимальной мощностью 60 кВт, напряжением до 300 V, с КПДболее 90% и массой 30 кг (электродвигатель Антэл-1имел показатели соответственно: 25 кВт, 120 V, 75% и 68 кг).

Остаётся отметить, что Антэл-2представляет собой 5-местный универсалс полноразмерным багажником (базовой моделью послужила Лада 111), а все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.

Единственно, что не изменилось, – на Антэл-2продолжает работать батарея топливных элементов с космического Бурана.

Мы, правда, уже переделали её до предела возможностей: повысили напряжение с 200 до 240 V, перевели её с кислорода на воздух, увеличив при этом мощность до 25 кВт и т.д. – то есть она по конфигурации осталась та же, но начинка там абсолютно новая.

Уральский электрохимкомбинат теперь в числе наших активных друзей-помощников, мы для них тоже новые перспективы открываем.

Были у нас задумки по Антэл-3и Антэл-4, где водород для топливных элементов получается либо из природного газа, либо из бензина прямо на борту автомобиля. Главное достоинство: автономность от систем дозаправки водородом.

К сожалению, осуществить эту заманчивую идею пока не удаётся.

Создание экологически чистых автомобилей является во всём мире государственной политикой и субсидируется в той или иной степени. Глядишь, и Россия до этого дойдёт.

Мы вплотную подходим к чистомуавтомобилю: никаких вредных выбросов – ни углекислого газа, ни тепловых загрязнений, не говоря уже о букете ядовитых углеводородов.

Конечно, вся работа в этом направлении ещё впереди. Автомобилей с двигателями внутреннего сгорания в мире ежегодно выпускается порядка 50 миллионов штук.

И в один день изменить это нельзя: необходимо создать мощности, перейти на выпуск автомобилей на топливных элементах, образовать всю инфраструктуру обслуживания.

Процесс будет длительным и постепенным. Но в любом случае никуда не уйдёшь от требований экологии, от всё более ужесточающегося дефицита углеводородного сырья.

Проект бензин-газ

С. Ивлев.

Среди многих альтернатив бензину и дизельному топливу на сегодняшний день наиболее перспективным и приемлемым видом топлива является сжатый природный газ (метан).

Он позволяет с наименьшими затратами на разработку и подготовку производства выполнить экологические задачи, резко сократить расходы потребителя на топливо и ощутимо увеличить ресурс двигателя.

Организация производства автомобилей, работающих на газе, позволит удовлетворить запросы потребителей, нуждающихся в более дешёвом топливе.

Работающий на газе автомобиль в заводском исполненииявно будет более привлекательным для покупателя по сравнению с самостоятельно переоборудованным под газ.

Здесь на первый план выходят качество изготовления, применение сертифицированных компонентов, сохранение заводской гарантии, техобслуживание в гарантийный и послегарантийный периоды и снижение стоимости в эксплуатации.

Автомобиль 21703-71( Lada Priora CNG) – газотопливная модификация автомобиля Приора 21703с двигателем 21126, работающем на бензине и сжатом природном газе.

Основным топливом в этой модификации является сжатый природный газ, заправляемый в четыре газовых композитных баллона, расположенных под полом багажника и задним сиденьем. Полноразмерный бензобак заменяется на резервный с объёмом 15 л.

В соответствии с международной классификацией такой автомобиль приравнивается к чисто газовым, поэтому на него не распространяются требования по токсичности при холодном пуске и испарениям топлива, т.е. система улавливания паров топлива не требуется.

Принятая в проекте концепция силового агрегата не требует его изменения, использует все элементы электронной системы управления рабочим процессом бензинового двигателя, включая контроллер, программное обеспечение и калибровки.

Это резко сокращает затраты и время на доводочные работы, поскольку калибровки на бензине могут быть использованы для расчёта базовых калибровок для газа.

Контроллер унифицирован с бензиновым и обеспечивает полностью автоматизированную работу двигателя, включая режимы холодного и горячего пуска, прогрева, движения на всех режимах, перехода с одного вида топлива на другое, отключение подачи газа при аварии, индикацию количества бензина или газа на стандартной комбинации приборов.

Предусмотрена также кнопка для принудительного выбора рода топлива водителем.

Управление газотопливным автомобилем не требует никаких специальных действий или приёмов.

Контроллер обеспечивает запуск двигателя на бензине или газе (в зависимости от температуры окружающего воздуха и собственно двигателя).

А также перевод работы на газ после прогрева, индикацию количества топлива, на котором в данный момент работает двигатель.

Когда газ в баллонах подходит к концу, начинает мигать красная контрольная лампа на кнопке выбора топлива, а при достижении минимально допустимой величины количества газа контроллер автоматически переведёт работу двигателя на бензин.

Лампочка при этом начинает светиться непрерывно, а указатель уровня топлива на комбинации приборов – показывать количество бензина в бензобаке, что оповещает водителя о необходимости произвести заправку автомобиля.

Проведённые в период 2002 – 05 гг. лабораторные и ресурсные испытания газобаллонных автомобилей 21102показали достаточную работоспособность цилиндропоршневой группы двигателя, клапанов, их сёдел.

Потеря мощности двигателя при работе на метане составляет не более 5 – 7%. Обеспечивается холодный запуск на газе при отрицательных температурах. Пробег на одной заправке газа составляет до 350 км, а с учётом резервного бензина – до 500 км.

В настоящее время в 160 населённых пунктах 60 регионов РФ работают 215 автомобильных газонаполнительных станций. И строительство их, а также создание голубых коридоровнеуклонно продолжается.

Многие субъекты РФ имеют собственные программы перевода транспорта на газ, которые успешно осуществляются. Так что достигнутой величины пробега вполне достаточно, чтобы уверенно передвигаться по дорогам России, используя сжатый природный газ.

Газомоторная модификация 21703-71при работе на бензине полностью сохраняет показатели базового автомобиля. Это выгодно отличает её от аналогов – к примеру, Опель Астра1,6 л, у которого показатели при работе на бензине резко ухудшаются.

При работе на газе показатели Приорытакже остаются на достаточно высоком уровне.

Изменения по двигателю практически отсутствуют, а по кузову они незначительны.

Благодаря использованию модульной конструкции агрегатов, номенклатура газобаллонного оборудования минимальна. Это рампа газовая с форсунками и регулятором давления и температуры; редуктор высокого давления с датчиком давления и электромагнитным магистральным клапаном; баллон металлопластиковый с электромагнитным и предохранительными клапанами; заправочное устройство с обратным клапаном и крышкой.

Проектом предусмотрена сборка двигателя и автомобиля на главном конвейере, обкатка и контроль при работе на бензине по действующей технологии с последующей установкой баллонов, опрессовкой (проверкой герметичности) и заправкой на спецплощадке.

Гарантийное и послегарантийное техническое обслуживание предусматривается на предприятиях сети АВТОВАЗс возможным привлечением на первом этапе специализированных предприятий, уже работающих в этом секторе рынка.

Схема устройства газотопливной Приоры.

Главный отличительный признак этого автомобиля – наличие газозаправочной горловины рядом с крышкой горловины бензобака.

Моторный отсек Lada Priora CNG.

Отличительные признаки газотопливной Приоры.

Дизель на ВАЗе

Работы с отечественным дизелем

М. Коржов.

В 80-х годах на Волжском автозаводе были развёрнуты работы по дизельным двигателям для легковых автомобилей.

Технология производства базовых деталей, освоенная на заводе по проекту 2108, по точностным характеристикам вполне соответствовала требованиям дизельных двигателей и позволяла решать задачи их освоения в производстве.

Более трудной проблемой являлась топливная аппаратура для быстроходных дизелей – в Союзе её производство отсутствовало.

Первоначально руководство АВТОВАЗасделало ставку на подключение зарубежных фирм. Но из-за отсутствия финансирования такое сотрудничество оказалось невозможным, и в работу по вазовским дизелям включились специалисты НТЦ во главе с Ю. Быстровым.

К середине 80-х гг. был подготовлен к опытно-промышленному производству дизельный двигатель для автомобиля 2105мощностью 55 л.с, реализацию которого на многие годы задержала пресловутая перестройка.

Введение в России европейских норм токсичности создало объективные условия, способствующие развитию дизельных двигателей для легковых автомобилей ВАЗ.

Значительное усложнение автомобилей с бензиновыми двигателями – в связи с обязательным применением систем электронного впрыска топлива, каталитических нейтрализаторов, систем улавливания паров бензина – привело к повышению себестоимости, удорожанию автомобилей, к снижению рентабельности.

Автомобили же с дизельными двигателями для рынка России на тот период не требовали каталитических нейтрализаторов, систем улавливания паров бензина, электронного управления топливоподачей, так как выполняли нормы токсичности Евро-1и Евро-2с традиционной механической топливной аппаратурой.

В результате дизельные модификации автомобилей, наряду с преимуществами по экономичности и пожарной безопасности, становились более простыми в производстве и эксплуатации.

АВТОВАЗ, не имея возможности самостоятельно освоить производство дизельных двигателей, с 1996 года приступил к совместным работам с ОАО Барнаултрансмашпо освоению многоцелевых дизелей ВАЗс рабочим объёмом 1,5 и 1,8 л, в том числе с турбонаддувом.

Двигатели предназначались как для легковых автомобилей, так и для дизель-генераторных установок и тракторов.

Специалистами НТЦ было разработано семейство вихрекамерных дизельных двигателей для производства на Барнаултрансмаше: 341(1,52 л), 343(1,8 л) и 3431(1,8 л, турбодизель).

Разработаны также дизельные модификации легковых автомобилей: универсалы 21045и 21048(с двигателями 341и 343соответственно); Нива 21215-50и 21215-70(с двигателями 343и 3431), а также удлинённая Нива 21315( 3431).

Была также разработана стационарная установка с дизельным двигателем 3413(1,52 л).

С 1998 года в НТЦ было освоено опытно-промышленное производство автомобилей 21045, а затем 21055с дизельным двигателем 341, поставляемым Барнаултрансмаш.

Значительный вклад в это производство был внесён коллективом УЭРА и его руководителями И. Ершовым и Н. Ершовым.

Доводочные работы по дизельным модификациям автомобилей были организованы П. Богатырёвым и Н. Алеевым, а по доводке дизельных двигателей – А. Толстовым.

В процессе производства автомобилей выполнялась конструкторская доводка двигателей группой конструкторов – Л. Новиковым, Н. Ганюшкиным, Е. Новиковым.

Работы по дизелям велись в условиях неоформившегося рынка дизельных автомобилей, при отсутствии в России производства современной топливной аппаратуры, турбокомпрессоров, качественных поршневых колец и элементов уплотнений для дизелей.

Это, конечно, отрицательно сказывалось на техническом уровне двигателей. Но, несмотря на рекламации, автомобиль 21045потребителями оценивался положительно, в том числе по ездовым качествам, особенно по расходу топлива.

Потребность в дизельных двигателях для легковых автомобилей ВАЗв период после 2010 года оценивалась в пределах 120 – 150 тыс. в год при условии повышения их технического уровня, в том числе перехода на применение непосредственного впрыска топлива.