ББК 20.1 Э-40
Экологические аспекты автотранспорта:
Материалы научно-практической конференции.
Вязьма: ВФ ГОУ МГИУ, 2008 - 172с.
ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ:
Л.В. Бармашова, к.э.н., доцент кафедры «Менеджмента и экономического анализа»;
Н.Е. Павлов, к.п.н., доцент кафедры «Гуманитарных и и социально-экономических дисциплин»;
Реут В.А., к.т.н., доцент кафедры «Естественно-научных и технических дисциплин»;
О.Н. Воронова, зам. зав. кафедрой «Естественно-научных и технических дисциплин».
Технический редактор:
Н.Г. Улыбина
Корректор:
Н.В. Никитина
ISBN 978-5-902327-65-3
Напечатано в Редакционно-издательском центре ВФ ГОУ МГИУ, г. Вязьма, ул. Просвещения, д. 6 А.
Тираж 500 экз.
Подписано в печать 15.05.2008г.
Альтернативные конструкции двигателей
Бессонов А.С. Костиков Ю.С, студенты ВФ ГОУ МГИУ
Сильченкова Т.Н., к.п.н., доцент ВФ ГОУ МГИУ
Сегодня в мире все более остро встает проблема использования энергетических и топливных ресурсов. Одним из самых расходных направлений является автотранспорт и промышленность. Но если на обеспечения населения и производств альтернатива была придумана еще в середине 60-х и интенсивно стала развиваться, то автотранспорт долго не имел альтернативных источников развития.
Лишь ближе к середине 70 появились идеи создания экологически чистых а кроме того более дешевых двигателей. Но, как и 40 лет назад ученые умы современности сталкиваются с проблемой мощности таких двигателей.
Именно поэтому тех же 70 были разработаны первые гибридные двигатели, комбинировавшие обычный четырехтактный двигатель с различными более экономичными, но менее мощными моделями, использовавшими не бензиновое топливо.
Но для многих людей так и остается тайной отличие между бензиновыми и гибридными двигателями. Поэтому я считаю нужным, на примере рассказать и показать недостатки и преимущества различных типов двигателей. И начну, пожалуй, в хронологической последовательности с четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с циклом Карно.
О недостатках существующих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) известно всем - это и кривошипно-шатунный механизм, и большая масса, и достаточно тонкая настройка системы впуска/зажигания, глушителей (например, правильно настроенный резонансный глушитель повышает мощность ДВС до 30%), четырехтактность (из 4 ходов поршня только один является "рабочим", остальные 3 "холостыми"), и многое другое. О достоинствах также хорошо известно -поршневые двигатели внутреннего сгорания являются самыми экономичными и простыми из всех типов двигателей. Разумеется, не считая "экзотических" двигателей, конструкция которых либо слишком сложна для производства (двигатель Стирлинга), либо которые из-за низкого качества современных материалов обладают недопустимо малым ресурсом (роторно-поршневые и некоторые другие).
Первый двигатель внутреннего сгорания изобретен в 1765 году. Вначале без сжатия смеси перед зажиганием, потом с сжатием, после чего конструкция ДВС практически не менялась. Причем КПД тоже остался на почти таком же низком уровне (максимальный теоретический уровень КПД 70%, реально же в четырехтактных не более 35%, а в дизелях 41%).
Наиболее известный альтернативный ДВС - это роторно-поршневой двигатель Ванкеля, изобретенный в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства: более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, не простое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант).
Но как обычный четырехтактовый двигатель, так и двигатель Венкеля могут быть универсальными по расходу топлива, по удельному весу и по КПД.
В комбинированном( гибридном) газобензиновом двигателе внутреннего сгорания используют 2 двигателя обычный 4етырехтакто-вый двигатель и газотурбину, которая использует после прогрева и пуска кинетическую энергию потока газов, действующего на подвижную "стенку", которая в этом случае представляет собой лопатки рабочего колеса турбины. Принцип действия газотурбинного двигателя можно уяснить по следующей схеме.
Газотурбинные двигатели имеют ряд преимуществ перед поршневыми: рабочие органы совершают в них только вращательное движение и легко уравновешиваются; характеристика крутящего момента протекает весьма благоприятно (с уменьшением частоты вращения крутящий момент резко возрастает); могут работать на любом малосернистом жидком или газообразном топливе с большим избытком воздуха, поэтому продукты сгорания их имеют меньшую концентрацию токсичных веществ; легко пускаются при низких температурах и отличаются большой габаритной мощностью.
Однако газотурбинные двигатели сложны и дороги в производстве. Рабочая частота вращения вала тяговой турбины составляют 30-50 тыс. в минуту, что усложняет трансмиссию автомобиля. Без теплообменника газотурбинные двигатели имеют сравнительно низкую экономичность, а существующие теплообменники громоздки и сложны в изготовлении.
В современных газотурбинных двигателях мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха и привод вспомогательных агрегатом, обычно составляет 60-70% работы газов при расширении. Следовательно, мощность турбины должна значительно превышать эффективную мощность двигателя. Гибрид с обычным бензиновым двигателем помогает уменьшить количество топлива а в месте с тем и выбросы в атмосферу. Кроме того газовая турбина позволяет сэкономить на стоимости топлива и увеличить мощность двигателя в 1.38 раза.
А в 2006 году многочисленные СМИ, в том числе ВВС, пророчили, что в начале 2009 года начнётся массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива. Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием е. Volution на выставке Auto Africa Ехро2006, которая состоялась в Йоханнесбурге.
Изумлённой общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км/час. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/час. Было заявлено, что стоимость такой поездки обойдётся владельцу e.Volution в 30 центов. При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель - 35 кг. Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Development International), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе.
Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр (Guy Negre), известный, как разработчик пусковых устройств для болидов "Формулы 1" и авиационных двигателей.
Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Своё детище француз назвал Zero Pollution, что означает нулевой выброс вредных веществ в атмосферу.
Девизом Zero Pollution стало "Простой, экономичный и чистый", то есть упор был сделан на его безопасность и безвредность для экологии.
Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: "Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 бар. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру.
В "камеру сгорания", хотя в ней уже ничего не сгорает, под давлением подаётся и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передаёт рабочее усилие на коленчатый вал.
Можно даже сказать, что "воздушный" двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет".
Было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа, выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов.
На заправку такого воздухомобиля требуется около 3 минут.
Представители Zero Pollution заявили, что для заправки "воздухомобиля" достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенных под днищем автомобиля, что занимает около четырёх часов.
Впрочем, в будущем планировалось построить "воздухозаправочные" станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.
Предполагалось, что продажи "воздухомобилей" начнутся в Южной Африке по цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в Мексике и Испании и трёх - в Австралии. Лицензию на производство автомобиля якобы уже получили больше дюжины стран, а южноафриканская компания вроде бы получила заказ на производство 3000 автомобилей, вместо запланированной экспериментальной партии в 500 штук.
Единственную конкуренцию гибридным электробензиновым двигателям сейчас могут составить водородные двигатели. Учитывая то, что водорода на планете 74% а двигатели на этом топливе обладают сравнительно небольшими размерами(30-35 кг) и довольно высокой мощностью мощностью(50 л.с.) Кроме того уровень экологичности таких двигателей несоизмерим с бензиновыми и газотурбинными двигателям.
Единственный недостаток пожалуй это цена. На сегодняшний день водородные двигатели и электрогенераторы уже готовы к запуску в массовое производство. Практически все нефтяные и энергетические транснациональные корпорации имеют многомиллионные водородные программы. Все мировые автомобильные гиганты имеют по несколько опытных образцов. General Motors, Ford, BMW, Toyota, DaimlerChrysler - все эти компании начали или начнут со следующего года серийное производство своих моделей на топливных элементах.
Единственная причина, по которой это не происходило раньше, -необходимость гигантских инвестиций для создания инфраструктуры, сопоставимой с нефтяной, а также наличие относительно дешевой нефти. По сути, для того чтобы начался процесс перехода к водороду, нужен был лишь какой-то внешний толчок.
Взлет цен на нефть, похоже, и стал таким толчком. Говорить о дороговизне альтернативных источников энергии или огромных инвестициях в водородную инфраструктуру можно при цене в 20 долларов за баррель. Когда цена переваливает за 50, эти аргументы уже не работают. "Если нынешние тенденции сохранятся, миру необходимо будет инвестировать 16 трлн. долларов в течение ближайших трех десятилетий, чтобы обеспечить поддержание роста энергопотребления", - уверен исполнительный директор парижского бюро IEA (Международного энергетического агентства) Клод Мандила.
В свете нынешнего кризиса можно почти не сомневаться, что деньги эти будут потрачены на создание водородной инфраструктуры и развитие других альтернативных источников энергии. Поэтому расчет того, на сколько миру хватит нефти, может оказаться бессмысленным занятием.
На основе сравненных типов двигателей можно легко понять, что комбинированные двигатели, это лишь ступень на пути к эклектическим и водородным двигателям.
Литература
1. http://www.membrana.ru/articles/inventions/2001/12/26/ 190400.html
2. http://blackpearl.moy.su/index/0-5
3. Гагарин Е.И. Развитие конструкций автомобильных двигателей Машиностроение, 2006.
4. Бурячко В.Р, Гук А.В. Автомобильные двигатели. Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности. Машиностроение, 1999.
|
