Алюминий как топливо для автомобилей
Перейти к содержимому

Алюминий как топливо для автомобилей

  • автор:

АВТОМОБИЛЬ ЗАПРАВЛЯЕТСЯ АЛЮМИНИЕМ

Кандидат технических наук Е. КУЛАКОВ, кандидат технических наук С. СЕВРУК, кандидат химических наук А. ФАРМАКОВСКАЯ.

Энергоустановка на воздушно-алюминиевых элементах занимает лишь часть багажника автомобиля и обеспечивает дальность его пробега до 220 километров.

Принцип действия воздушно-алюминиевого элемента.
Работой энергоустановки на воздушно-алюминиевых элементах управляет микропрецессор.
Малогабаритный воздушно-алюминиевый элемент на солевом электролите может заменить четыре батарейки.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Энергоустановка ЭУ 92ВА-240 на воздушно-аллюминиевых элементах.

Человечество, судя по всему, не собирается отказываться от автомобилей. Мало того: автомобильный парк Земли может в скором времени увеличиться примерно вдвое — главным образом за счет массовой автомобилизации Китая.

Между тем несущиеся по дорогам машины выбрасывают в атмосферу тысячи тонн угарного газа — того самого, присутствие которого в воздухе в количестве, большем десятой доли процента, для человека смертельно. А помимо угарного газа — и многие тонны окислов азота и прочих ядов, аллергенов и канцерогенов — продуктов неполного сгорания бензина.

Во всем мире давно ведется поиск альтернатив автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. И наиболее реальной из них считается электромобиль (см. «Наука и жизнь» №№ 8, 9, 1978 г.). Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.

Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы «прокормить» двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.

Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.

Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.

Настал, однако, момент сказать, что электродвигатель может получать энергию и от другого рода химических источников тока — гальванических элементов. Наиболее известные из них (так называемые батарейки) работают в переносных приемниках и диктофонах, в часах и карманных фонариках. В основе работы такой батарейки, так же, как и любого другого химического источника тока, лежит та или иная окислительно-восстановительная реакция. А она, как известно из школьного курса химии, сопровождается передачей электронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого (окислителя). Такую передачу электронов можно осуществить через внешнюю цепь, например, через лампочку, микросхему или мотор, и тем самым заставить электроны работать.

С этой целью окислительно-восстановительную реакцию проводят как бы в два приема — разбивают ее, так сказать, на две полуреакции, протекающие одновременно, но в разных местах. На аноде восстановитель отдает свои электроны, то есть окисляется, а на катоде окислитель эти электроны принимает, то есть восстанавливается. Сами же электроны, перетекая с катода на анод через внешнюю цепь, как раз и совершают полезную работу. Процесс этот, разумеется, небесконечен, поскольку и окислитель, и восстановитель постепенно расходуются, образуя новые вещества. И в результате источник тока приходится выбрасывать. Можно, правда, непрерывно или время от времени выводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подавать в него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива, и именно потому такие элементы носят название топливных (см. «Наука и жизнь» № 9, 1990 г.).

Эффективность подобного источника тока определяется прежде всего тем, насколько удачно выбраны для него и сами реагенты, и режим их работы. С выбором окислителя особых проблем нет, поскольку окружающий нас воздух состоит более чем на 20% из прекрасного окислителя — кислорода. Что же касается восстановителя (то есть горючего), то с ним дело обстоит несколько сложнее: его приходится возить с собой. И потому при его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетического показателя — полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.

Наилучшими в этом отношении свойствами обладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, а затем — алюминий. Но газообразный водород пожаро- и взрывоопасен, а под большим давлением способен просачиваться через металлы. Сжижать его можно лишь при очень низких температурах, а хранить — достаточно сложно. Щелочные и щелочноземельные металлы тоже пожароопасны и, кроме того, быстро окисляются на воздухе и растворяются в воде.

У алюминия ни одного из этих недостатков нет. Всегда покрытый плотной пленкой оксида, он при всей своей химической активности почти не окисляется на воздухе. Алюминий сравнительно дешев и нетоксичен, его хранение не создает никаких проблем. Вполне разрешима и задача его введения в источник тока: из металла-горючего изготавливают анодные пластины, которые периодически — по мере их растворения — заменяют.

И, наконец, электролит. Он в данном элементе может быть любым водным раствором: кислотным, щелочным или солевым, поскольку алюминий реагирует и с кислотами, и со щелочами, а при нарушении оксидной пленки растворяется и в воде. Но использовать предпочтительнее щелочной электролит: это проще для проведения второй полуреакции — восстановления кислорода. В кислой среде он восстанавливается тоже, но лишь в присутствии дорогостоящего платинового катализатора. В щелочной же среде можно обойтись куда более дешевым катализатором — оксидом кобальта или никеля или активированным углем, которые вводятся непосредственно в пористый катод. Что же касается солевого электролита, то он обладает меньшей электропроводностью, а выполненный на его основе источник тока — примерно в 1,5 раза меньшей энергоемкостью. Поэтому в мощных автомобильных батареях целесообразно применять щелочной электролит.

У него, однако, тоже есть недостатки, главный из из которых — коррозия анода. Идет она параллельно с основной — токообразующей — реакцией и растворяет алюминий, преобразуя его в алюминат натрия с одновременным выделением водорода. Правда, с мало-мальски ощутимой скоростью эта побочная реакция идет лишь при отсутствии внешней нагрузки, именно потому воздушно-алюминиевые источники тока нельзя — в отличие от аккумуляторов и батареек — долго держать заряженными в режиме ожидания работы. Раствор щелочи в этом случае приходится из них сливать. Но зато при нормальном токе нагрузки побочная реакция почти неощутима и коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%. Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится: отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можно снова заливать в элемент.

Есть в применении щелочного электролита в воздушно-алюминиевом источнике тока и еще один недостаток: в процессе его работы расходуется довольно много воды. Это повышает концентрацию щелочи в электролите и могло бы постепенно изменять электрические характеристики элемента. Существует, однако, такой интервал концентраций, в котором эти характеристики практически не меняются, и если работать именно в нем, то достаточно лишь время от времени добавлять в электролит воду. Отходов в привычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источника тока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксид алюминия — это просто белая глина, то есть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценный как сырье для многих отраслей промышленности.

Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока.

Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многие искусственные драгоценные камни — рубины, сапфиры, александриты — выполняются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или бериллия соответственно.

Стоимость «отходов» воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.

Почему же, несмотря на все перечисленные достоинства кислородно-алюминиевых источников тока, они так долго — до самого конца 70-х годов — всерьез не разрабатывались? Всего только потому, что они не были востребованы техникой. И лишь с бурным развитием таких энергоемких автономных потребителей, как авиация и космонавтика, военная техника и наземный транспорт, ситуация изменилась.

Начались разработки оптимальных композиций анод — электролит с высокими энергетическими характеристиками при низких скоростях коррозии, подбирались недорогие воздушные катоды с максимальной электрохимической активностью и большим сроком службы, рассчитывались оптимальные режимы как для длительной эксплуатации, так и для короткого времени работы.

Разрабатывались и схемы энергетических установок, содержащие, кроме собственно источников тока, и ряд вспомогательных систем — подачи воздуха, воды, циркуляции электролита и его очистки, терморегулирования и пр. Каждая из них сама по себе достаточно сложна, и для нормального функционирова ния энергоустановки в целом потребовалась микропроцессорная система управления, которая задает алгоритмы работы и взаимодействия всем остальным системам. Пример построения одной из современных воздушно-алюминиевых установок представлен на рисунке (стр. 63.): на нем толстыми линиями обозначены потоки жидкостей (трубопроводы), а тонкими — информационные связи (сигналы датчиков и команд управления.

В последние годы Московским государственным авиационным институтом (техническим университе том) — МАИ совместно с научно-производственным комплексом источников тока «Альтернативная энергетика» — НПК ИТ «АльтЭН» создан целый функциональный ряд энергетических установок на основе воздушно-алюминиевых элементов. В том числе — экспериментальная установка 92ВА-240 для электромобиля. Ее энергоемкость и, как следствие, пробег электромобиля без подзарядки оказались в несколько раз выше, чем при использовании аккумуляторов — как традиционных (никель-кадмиевых), так и вновь разрабатываемых (серно-натриевых). Некоторые удельные характеристики электромобиля на этой энергоустановке приведены на прилегающей цветной вкладке в сравнении с характеристиками автомобиля и электромобиля на аккумуляторах. Сравнение это, однако, требует пояснений. Дело в том, что для автомобиля учтена лишь масса топлива (бензина), а для обоих электромобилей — масса источников тока в целом. В связи с этим необходимо заметить, что электродвигатель имеет значительно меньший вес, чем бензиновый, не требует трансмиссии и в несколько раз экономнее расходует энергию. Если учесть все это, то окажется, что реальный выигрыш нынешнего автомобиля будет в 2-3 раза меньшим, но все же пока достаточно большим.

Есть у установки 92ВА-240 и другие — чисто эксплуатационные — преимущества. Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей вообще не требует электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 минут. Еще проще и быстрей происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроксида алюминия. На «заправочной» станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромоби лей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку.

Помимо электромобильной энергоустановки на воздушно-алюминиевых элементах теми же специалистами создан целый ряд малых энергоустановок (см. «Наука и жизнь» № 3, 1997 г.). Каждую из этих установок можно механически перезаряжать не менее 100 раз, и число это определяется в основном ресурсом работы пористого воздушного катода. А срок хранения этих установок в незаправленном состоянии вообще не ограничен, поскольку потерь емкости при хранении нет — саморазряд отсутствует.

В небольших по мощности воздушно-алюминиевых источниках тока можно использовать для приготовления электролита не только щелочь, но и обычную поваренную соль: процессы в обоих электроли тах протекают аналогично. Правда, энергоемкость солевых источников в 1,5 раза меньше, чем щелочных, но зато пользователю они причиняют гораздо меньше хлопот. Электролит в них получается совершенно безопасным, и работу с ним можно доверить даже ребенку.

Воздушно-алюминиевые источники тока для питания маломощной бытовой техники выпускаются уже серийно, и цена их вполне доступна. Что же касается автомобильной энергоустановки 92ВА-240, то она пока существует только в опытных партиях. Один ее экспериментальный образец номинальной мощностью 6 кВт (при напряжении 110 В) и емкостью 240 ампер-часов стоит около 120 тысяч рублей в ценах 1998 года. По предварительным расчетам, эта стоимость после разворачивания серийного производства снизится по крайней мере до 90 тысяч рублей, что позволит выпускать электромобиль ценою не намного большей, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Что же касается стоимости эксплуатации электромобиля, то она и теперь вполне сопоставима со стоимостью эксплуатации автомобиля.

Дело остается за малым — произвести более глубокую оценку и расширенные испытания, а затем при положительных результатах начинать опытную эксплуатацию.

Удивительное — рядом: металл вместо бензина?

Удивительное — рядом: металл вместо бензина?

В первую очередь речь идет о выработке энергии путем разрушения (окисления) металла, в частности – алюминия, для обеспечения ею нестационарных потребителей: это и автомобили, и поезда, и морской транспорт. То есть именно тех потребителей, которые сейчас используют нефтепродукты, ездят, в том числе, и по городам, а значит, вносят свой заметный вклад в загрязнение окружающей среды.

«В итоге мы получаем огромные выбросы парниковых газов, оксидов серы. Чтобы это убрать, мы можем заменить бензин в этих машинах на алюминиевое топливо, как сейчас заменяется топливо электричеством в электромобилях», — сказал Власкин.

Кстати, электромобили он не считает стопроцентной возможностью ухода от экологических проблем. Ведь в них используются аккумуляторные батареи, которые, помимо того, что являются очень дорогими, создают и проблему в связи с наличием предела по их удельным характеристикам, а их утилизация — процесс сложный и дорогостоящий.

Ученый заявил, что существует линейная зависимость по снижению объемов вредных выбросов в атмосферу от снижения числа машин с двигателем внутреннего сгорания. «Если уменьшить число таких авто на 10%, то и выбросы снизятся на 10%», — заметил он.

Что же такое процесс разрушения, или горения, как его называют в научной среде, алюминия? Стоит сразу отметить, что данная проблема в научном плане пока до конца так и не решена. При горении алюминий покрывается оксидной пленкой, и обеспечение процесса высвобождения энергии при этом пока остается проблематичным.

Одним из возможных окислителей считается вода. «Мы обнаружили, что если алюминий поместить в пар при температуре 250-400 градусов Цельсия, то он горит, и оксидная пленка не является в этом случае проблемой. Происходит разрушение металла с выделением тепла, полное окисление», — заметил Власкин.

Если говорить простым языком, то, чтобы заменить 10 литров бензина среднеоктанового числа, потребуется примерно 10 кг алюминия. «Один литр бензина по энергоемкости примерно равен одному килограмму алюминия. Но алюминий из-за гораздо более высокой плотности занимает заметно меньше места», — уточнил ученый.

Технологически процесс «заправки» автомобиля с двигателем внешнего сгорания алюминия выглядит так.

Автомобиль приезжает на заправку и загружает в один бак алюминий, а из другого бака выгружается порошок оксида алюминия. На заправку алюминий привозится алюмовозом. Этим же алюмовозом с заправки забирается оксид алюминия и отвозится на завод по производству металла. «То есть мы видим замкнутый цикл. Алюминий как металл легко хранить, он не разольется», — отметил Власкин.

Что касается двигательной установки, то пока она разрабатывается. «Уже есть даже подобная энергоустановка, которая вырабатывает энергию из алюминия, но она — на топливном элементе. Нам нужен двигатель внешнего сгорания. На заре автомобилестроения были паровые двигатели, электромобили и двигатели внутреннего сгорания. Паровой двигатель – тоже своего рода двигатель внешнего сгорания», — заявил Власкин. Он уверен, что рано или поздно такой двигатель будет предложен, тем более что работы ведутся не только в России, но и в Нидерландах, в Канаде и других странах.

Такие двигатели будут применяться не только в легковых автомобилях, но и в грузовиках, на морском и железнодорожном транспорте.

Использование металлов в качестве топлива не будет приводить к выбросу парниковых газов там, где будут использоваться подобные энергоустановки. Но для получения металла требуется затратить электрическую энергию. «Если эта энергия будет выработана на атомных электростанциях, гидроэлектростанциях или из возобновляемых источников энергии, то и весь цикл использования металла в качестве топлива не будет приводить к выбросам вредных веществ», — приводит главный аргумент в пользу использования металлов в качестве топлива ученый.

По его словам, удовольствие использования альтернативных видов топлива дороже, чем углеводородных. «Но здесь вопрос, как будет меняться наше общество и какие у него будут приоритеты», — подчеркнул Власкин.

Что касается запасов алюминия и хватит ли их в будущем для обеспечения этим металлом двигателей автомобилей и других средств передвижения. «Вот смотрите: нефть сегодня потребляется в объеме примерно 4,5 млрд тонн в год, причем 65% нефти приходится на производство моторных топлив. А разведанные запасы бокситов (сырья для получения алюминия) оцениваются в 80 млрд тонн. Из 4 кг бокситов можно получить 2 кг оксида алюминия, а из него – 1 кг алюминия. Так что речь идет примерно о 20 млрд тонн», — добавил Власкин. Но тут же напомнил, что отработанный в двигателях внешнего сгорания оксид алюминия снова будет перерабатываться в алюминий.

Сколько же будет стоить топливо из алюминия, а в перспективе – и из других металлов, таких как железо, кальций, натрий, калий, магний? На самом деле ожидания запредельно высокой цены не оправданы, подчеркивает Власкин. «В Европе стоимость одного литра бензина уже сегодня составляет около 2 долларов (стоимость бензина высока за счет налогов), а стоимость 1 кг алюминия во всем мире сейчас тоже около 2 долларов. А энергоемкость у них, как я уже говорил, одинаковая. Поэтому в Европе при наличии таких энергоустановок они уже были бы вполне конкурентоспособны», — сказал он.

«Да в целом металлы в качестве топлива все же пока более дорогое удовольствие, чем бензин. Но это сегодня. А что будет завтра? За экологически чистые продукты нужно платить», — считает российский ученый.

При этом академик РАН, профессор Дмитрий Маркович на просьбу «Глобальной энергии» прокомментировать данную идею заметил, что предложение заменить бензин на алюминий имеет как определенные преимущества, так и некоторые ограничения, причем пока в этом направлении сделаны лишь первые шаги. «Так всегда бывает. Здесь очень важно правильно определить нишу для использования. Конечно, для доведения до реальной, экономически конкурентоспособной технологии еще необходимо пройти большой путь: найти оптимальную конструкцию двигателя внешнего сгорания, решить проблемы, связанные с первичным запуском, индустрией регенерации металлического алюминия из оксида и т.д. Но, как показывает история, все подобные проблемы решаемы», — сказал Маркович.

По его словам, представленная концепция двигателя внешнего сгорания на алюминии имеет перспективы с точки зрения замены углеводородного топлива и его высокотемпературного сжигания в транспортных системах. Прежде всего это важно для улучшения локальной экологии в мегаполисах, где существенную часть загрязняющих компонентов генерируют автомобили. «Выбросы, отравляющие людей в городах — оксиды азота, серы, недоокисленный углерод в виде либо сажи, либо СО — вот с чем надо бороться. В этом смысле подобные источники стоят в одном ряду с полностью электрическими, либо с энергоустановками на топливных элементах, где топливом является тот же алюминий, но окисляется напрямую, без водородной фазы (такими источниками мы тоже занимаемся у нас в институте теплофизики СО РАН), а также некоторыми другими», — заметил Маркович.

Ученый считает, что одна из главных задач энергетики будущего – это аккумулирование энергии, получаемой из различных источников, возобновляемых в том числе. «В этом смысле и водород, и алюминий (с дальнейшим использованием либо напрямую, либо через генерацию водорода) являются, безусловно, энергоносителями будущего», — подчеркнул Маркович.

Автомобиль на алюминиевом топливе

На этой фотографии автомобиль, использующий в качестве топлива алюминий.

Этот автомобиль был одним из самых интересных экспонатов выставки энергосберегающих технологий ENES-2013.

Это обычный американский электрический гольфкар Gem-car EL с очень необычным источником электричества, разработанном в объединённом институте высоких температур Российской академии наук.

Электрохимический генератор в качестве топлива использует вот такие алюминиевые пластины.

44 пластины общим весом около 4 килограмм загружаются в специальные кассеты.

При работе генератора насос прогоняет через кассеты с алюминиевыми пластинами щёлочь NaOH (http://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроксид_натрия).

Батарея имеет ёмкость 37 кВт*ч и позволяет проехать 380 километров в режиме городского цикла.

Батарея не может обеспечивать очень большие токи, поэтому она используется для зарядки LiIon-аккумуляторов, от которых работает двигатель.

Кроме электричества генератор вырабатывает тепло, которое может использоваться для отопления салона.

После истощения алюминиевых пластин необходимо заменить их и электролит в батарее. Самое интересное, что из отработанного электролита можно восстановить 90% алюминия, причём процесс восстановления аналогичен получению алюминия из руды.

Стоимость алюминия сейчас $2.5-4 за килограмм. Даже если не возобновлять алюминий из электролита, стоимость топлива получается 3-4 рубля за километр пути в городском цикле, что вполне сравнимо с бензином.

На стенде мне подарили книгу об этой технологии, которую заготовили для Д.А.Медведева, посетившего выставку за день до меня и к сожалению не дошедшего до стенда с электромобилем.

По-моему технология очень интересная. Кто знает, может быть через десять или двадцать лет весь мир будет ездить на машинах, работающих на алюминии.

  • электромобили
  • источники питания
  • энергосбережение

Алюминий в автомобилестроении. Часть 2

В автомобилестроении алюминий используют, преследуя вполне определенные цели: увеличение грузоподъемности, уменьшение массы, а значит и снижение расходов топлива. Кроме экономического, это имеет и немаловажный экологический аспект: cокращение расхода топлива приводит в уменьшению вредных выбросов в атмосферу, ведь именно транспортные выхлопы главный загрязнитель воздуха в крупных городах.

Согласно расчетам, приведенным Ассоциацией автомобилестроителей, каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, ведет к уменьшению его массы на килограмм, а каждый процент экономии веса автомобиля к снижению расхода топлива в среднем на 1,0%. Это значит, что 100кг алюминия в автомобиле экономят более 1000 л бензина на каждые 200 тысяч километров, а это в свою очередь означает, что выбросы углекислого газа становятся меньше на целых 2500кг.

Европейские требования от 2005 года к параметрам автомобиля с бензиновым двигателем ограничивают выбросы углекислого газа уровнем 150г/км, что может быть достигнуто при массе транспортного средства не более 1000кг. В то же время за последние 20 лет среднестатистический легковой автомобиль стал на 150кг тяжелее, что объясняется увеличением его габаритов, а также повышением требований к безопасности и комфорту. Именно поэтому в автомобилестроении все шире применяют алюминий. Сегодня автомобиль, произведенный в Северной Америке содержит в среднем 116кг этого металла, японский и южнокорейский 93кг, западноевропейский 90кг, а отечественный 30-40кг.

Из истории. Автомобиль Pierce-Arrow с кузовом из алюминия 1909г.

Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления многих деталей. В легковых автомобилях-это корпуса двигателей, крышки клапанно-распределительного механизма, капоты, трансмиссии, дверные ручки. Помимо головок и блоков цилиндров, на которые приходится преобладающая часть потребления алюминия в автомобилестроении, расширяется его применение в изготовлении колесных дисков, подвесок, шасси и частей трансмиссии. Алюминий обладает еще одним значительным свойством-он гасит удар в полтора, два раза эффективнее, чем сталь. Недаром алюминий-традиционный материал для бамперов. Более 80% деталей автомобиля изготавливают методом литья-это коллекторы, насосы, детали трансмиссии и подвески, диски колес и подрамники. Однако в последние годы увеличилось использование алюминиевых листов и полос. Так, например, современные колесные диски состоят из центральной части, полученной литьем и периферийного ободка, сделанного с помощью штамповки из листа. Ковка придает алюминиевым сплавам лучшие механические свойства, чем литье. Однако кованые детали все еще редко встречаются в конструкции автомобилей массового производства. В среднем лишь 1,3% алюминиевых деталей являются коваными

Автомобиль Audi 100

При выпуске моделей Porsche 928, Chevrolet Corvette, Honda NSX, Mercedes S-Class применяют кованый алюминиевый сплав в подрамнике и в деталях подвески. Кованые диски колес значительно меньше массы, чем литые, но не уступают им в прочности. Примерно четверть от общей массы алюминиевых деталей в автомобиле изготовлена из прокатных листов. Из них штампуют панели кузова, небольшие решетки, профили и тому подобное. Алюминиевые листы стали использовать и для изготовления каркаса кузова

Автомобиль Porsche 928

Здесь первенство принадлежит немецкой компании Audi. которая в 1994 году в германском городе Некарсульме основала фирму «Алюминиумцентрум». Выпускаемая с 1994 года модель Audi A8-это автомобиль с полностью алюминиевым каркасом кузова. Однако он относится к разряду малосерийных: выпускают всего 70 экземпляров в день. Второй автомобиль этой фирмы с цельноалюминиевым кузовом Audi A2-был впервые представлен на Франкфуртском автосалоне 1997 года как AI2. С 1999 года он стал серийной моделью. Замена стального кузова алюминиевым привела к снижению массы на 43%. В результате автомобиль стал весить всего 960кг (его первоначальная масса почти 1700кг)

Автомобиль Audi A8

Что интересно, для алюминиевого кузова требуется чуть ли не в полтора раза меньше деталей, чем для аналогичного стального. Полностью собранный алюминиевый кузов Audi закаливают при 200 градусах по Цельсию в течении 40 минут. Технология производства алюминиевых кузовов принадлежит фирме Audi Space Frame (ASF). Но не только автомобили Audi имеют алюминиевый кузов-это еще и Honda NSX, Jaguar XJ220, Ferrari 512GT, Plymouth Prowler который также сделаны из чистого алюминия

Автомобиль Honda NSX

Ряд фирм выпускают стальные кузова с некоторыми деталями из алюминиевых сплавов. Так в автомобилях Toyota, Ford US, Porsche из сплавов изготовлены двери, капот, крыша, крышки багажника. Компании Ferrari, Aston Martin, Ford US активно включают алюминиевые сплавы для производства всех наружных панелей кузова. Годовой объем продаж автомобилей с такими панелями только в США превышает 1,5 миллиона долларов. Алюминиевым кузовам не страшна коррозия, такие автомобили можно эксплуатировать в любых климатических условиях. Для усилителей бамперов, защитных брусьев в боковых дверях, каркасов сидений, рамок окон, аэродинамического спойлера, маслопровода, гидравлического трубопровода и впускного коллектора прибегают к методу экструзии: изделия формируют путем выдавливания размягченного алюминия через матрицу (форму) с отверстием определенного сечения

Автомобиль BMW Z4

При экструзии алюминиевых сплавов можно добиться максимальной точности размеров. Одна из новозеландских компаний недавно применила экструзию для изготовления деталей внутреннего сгорания. Производство мгновенно стало более дешевым. Такой двигатель весит меньше. Из выдавленного профиля могут быть получены двигатели с различным ходом поршня и числом цилиндров

Другой перспективный метод производства алюминиевых деталей-порошковая металлургия, при которой заготовки прессуются из порошков с последующим спеканием. По этой технологии в Японии изготавливают детали компрессоров, воздушных кондиционеров, поршней двигателей, блоков цилиндров. Многие алюминиевые сплавы настолько пластичны, что при нагревании способны значительно растягиваться. Благодаря этому свойству детали сложной формы можно получить из плоского металлического листа

Итак, использование алюминия в автомобилестроении возрастает, однако есть и сдерживающий фактор-это высокая цена металла. Автомобиль с алюминиевым кузовом сегодня-предмет роскоши. Его стоимость значительно превосходит стоимость автомобиля такого же класса с кузовом из стали

Отремонтировать алюминиевый кузов дороже и сложнее, чем стальной. Небольшую вмятину устранить нетрудно, ведь алюминий достаточно мягок и пластичен, однако при серьезных повреждениях вернуть цельноалюминиевому кузову прежнюю форму очень непросто. Дело в том, что в работе с алюминием может использоваться только специальная сварка в атмосфере инертного газа аргона, а большинство сервисных центров, понятное дело, таковой пока не располагают

Источник: энциклопедия Rusal

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *