Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Транспортна екологія
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Альтернативні привідні механізми

На сьогодні двигуни внутрішнього згоряння є основними двигунами для автомобілів. Спеціалісти вважають, що вони такими залишаться на найближчі роки з огляду на багато їх переваг. Проте вважають також, що ці двигуни уже практично досягли межі своєї досконалості і подальший розвиток, особливо у бік покращення їхніх екологічних характеристик потребує значних капітальних вкладень. Тому значну увагу починають приділяти використанню двигунів нових типів.

Двигун Стірлінга (двигун зовнішнього згорання). Вперше був запатентований у 1816 році у Шотландії як альтернатива паровому двигуну з низьким коефіцієнтом корисної дії. Принцип дії такого двигуна досить простий, проте існуючі на сьогодні його конструкції досить складні. Робота ґрунтується на поперемінному нагріванні та охолодженні робочого тіла (газу, рідше рідини) та використанні енергії його температурного розширення. При цьому робоче тіло циркулює у замкненому контурі всередині двигуна, а теплова енергія для нагрівання підводиться ззовні. На сьогодні в двигунах Стірлінга як газоподібне робоче тіло використовують водень та гелій. Одну з принципових схем роботи двигуна наведено на рисунку 4.16.

Схема роботи одноциліндрового двигуна Стірлінга: 1 – гаряча порожнина; 2 – поршень-витискувач: 3 –регенераційний теплообмінник: 4 – холодна порожнина: 5 – холодильник; 6 – робочий поршень: 7 – буферна порожнина

Рис. 4.16. Схема роботи одноциліндрового двигуна Стірлінга: 1 – гаряча порожнина; 2 – поршень-витискувач: 3 –регенераційний теплообмінник: 4 – холодна порожнина: 5 – холодильник; 6 – робочий поршень: 7 – буферна порожнина

Це одноциліндровий чотиритактний двигун. що використовує газ як робоче тіло. Його робота відбувається таким чином.

Такт 1 (рис. 4.16, а). Робочий поршень 6 знаходиться в крайньому нижньому положенні, поршень-витискувач у крайньому верхньому. При цьому робоче тіло переважно знаходиться в холодній порожнині 4 і охолоджується холодильником 5, від якого теплова енергія відводиться назовні.

Такт 2 (рис. 4.16, б). Робочий поршень 6 рухається вгору, стискаючи холодне робоче тіло у холодній порожнині.

Такт 3 (рис. 4.16, в). Поршень-витискувач рухається вниз, зменшуючи об'єм холодної порожнини та збільшуючи об'єм гарячої. При цьому робоче тіло перетікає з холодної в гарячу порожнину через обвідний трубопровід.

Такт 4 (рис. 4.16, г). Завдяки підведенню теплової енергії ззовні до гарячої порожнини робоче тіло там нагрівається й розширюється. Поршень-витискувач у цей час знаходиться у фіксованому положенні, тому розширення робочого тіла призводить до перетікання його надлишку через обвідний трубопровід у холодну порожнину, що підвищує там тиск і змушує робочий поршень рухатися вниз (здійснювати робочий хід). Рухаючись униз, робочий поршень стискає газ у буферній порожнині 7. Стиснений газ зберігає додаткову енергію для переміщення робочого поршня вгору при повторенні робочого циклу.

Обвідна лінія має додатковий регенераційний теплообмінник, який попередньо нагріває робоче тіло при його переміщення з холодної порожнини у гарячу і охолоджує його при зворотному переміщенні.

Однією з головних переваг двигуна Стірлінга є його високий коефіцієнт корисної дії. Цей ККД може досягати 50 %, тимчасом як середній ККД карбюраторного двигуна 28 ÷ 30 %, дизельного двигуна – 32 ÷ 40 %.

Двигуни Стірлінга мають багато екологічних переваг. Завдяки тому, що теплова енергія підводиться до двигуна ззовні, можна використовувати будь-які джерела теплової енергії. У разі використання традиційного джерела спалюванням хімічних палив, у таких двигунах є можливість оптимальної організації процесів горіння в окремих камерах згоряння, що дає змогу суттєво знизити викиди токсичних речовин з продуктами згоряння без погіршення експлуатаційних характеристик самого двигуна. На рис. 4.17 показано орієнтовну залежність вмісту CO ΝΟХ та CxHy у відпрацьованих газах двигунів Стірлінга залежно від коефіцієнту надлишку повітря при спалюванні нафтових палив. З рисунка видно, що при спалюванні збіднених сумішей викиди усіх трьох компонентів зменшуються. Зокрема, знижуються викиди ΝΟχ завдяки тому, що немає необхідності підтримувати в камері згоряння високі температури.

Під час роботи двигуни Стірлінга не створюють великих рівнів шуму та вібрацій.

Недоліками двигунів Стірлінга можна назвати: високу вартість через використання термостійких матеріалів з високими коефіцієнтами теплопередачі для нагріваючих теплообмінників; досить велику складність конструкції; великі розміри охолоджувальних теплообмінників через необхідність відведення значних кількостей теплової енергії в навколишнє середовище; недовговічність деяких вузлів.

Показники токсичності двигунів Стірлінга

Рис. 4.17. Показники токсичності двигунів Стірлінга

За основними токсичними показниками двигуни Стірлінга є значно чистішими, ніж карбюраторні та дизельні двигуни. У таблиці 4.15 наведено середні питомі викиди трьох різних типів двигунів.

Таблиця 4.15

Середні питомі викиди (віднесені до одиниці енергії) різними типами двигунів, мг/кДж

Речовина, що

викидається

Тіні двигуна

Бензиновий

двигун

Дизельний

двигун

Двигун

Стірлінга

Оксид вуглецю, CO

19.0 ÷ 80,0

0,272 ÷ 6.6

0.136 ÷ 0.408

Оксиди азоту, NOx

3,8 ÷ 7,6

0,55 ÷ 0.27

0.136 ÷ 0.27

Вуглеводні, CxHy

3,8

0.8

0.004 ÷ 0.008

Двигуни Стірлінга вважаються сьогодні найбільш перспективними для використання на супутниках та на морських і річкових суднах. На водному транспорті завжди є багато води для використання в охолоджувальних теплообмінниках, що дає можливість зробити їх невеликими за розмірами.

Газотурбінний двигун. Ці двигуни можуть використовуватися сьогодні як для вантажних, так і для легкових автомобілів. Найперспективнішим для застосування на автомобільному транспорті вважають двовальний двигун. Схему його роботи наведено на рис. 4.18.

Схема роботи двовального газотурбінного автомобільного двигуна: 1 – повітряний компресор: 2 – камера згоряння пального: 3 – турбіна привод) компресора; 4 – силова турбіна; 5 – трансмісія автомобіля: 6 – регенератор теплової енергії відпрацьованих газів

Рис. 4.18. Схема роботи двовального газотурбінного автомобільного двигуна: 1 – повітряний компресор: 2 – камера згоряння пального: 3 – турбіна привод) компресора; 4 – силова турбіна; 5 – трансмісія автомобіля: 6 – регенератор теплової енергії відпрацьованих газів

Двигун складається з першого вала, на якому розташовані повітряний відцентровий компресор 1 та привідна турбіна компресора 3, а також другого (силового) вала, на якому розташовані силова турбіна 4 та трансмісія автомобіля 5. Два вали кінематично між собою не пов'язані. Крім того, двигун має камеру згоряння 2 та регенератор теплової енергії відпрацьованих газів 6. Двигун працює так. Компресор 1 забирає атмосферне повітря і стискує його. Стиснуте повітря подається на регенератор теплоти 6, де нагрівається, отримуючи тепло від відпрацьованих газів. Далі нагріте повітря подається в камеру згоряння 2. Пальне, потрапляючи в камеру згоряння 2, змішується з нагрітим повітрям і спалюється. Продукти згоряння, що утворилися, подаються під тиском спочатку на привідну турбіну компресора, а далі на силову турбіну і приводять їх у дію. Після турбін гарячі відпрацьовані гази подаються у регенератор 6, де віддають частину теплової енергії, нагріваючи повітря. Після цього гази викидаються в атмосферу. Силова турбіна 6 передає механічну енергію на трансмісію автомобіля 5, приводячи його у рух.

Газотурбінні автомобільні двигуни мають багато переваг, до яких можна віднести:

  • – мала маса і габаритні розміри;
  • – велика питома потужність;
  • – відсутність необхідності у системі охолодження;
  • – просте обслуговування (простіше, ніж у бензинових та дизельних двигунів);
  • – більший термін служби мастил;
  • – полегшений холодний запуск.

Газотурбінні двигуни є також екологічно чистішими, ніж бензинові та дизельні. Концентрації основних шкідливих речовин у відпрацьованих газах цих двигунів наведено у таблиці 4.16.

Причиною менших концентрацій шкідливих речовин у відпрацьованих газах є те, що пальне спалюється в камері згоряння у вигляді постійного факела. Це дає можливість організувати стаціонарний процес утворення паливо-повітряної суміші, який легше контролювати. У результаті пальне спалюється при досить великому коефіцієнті надлишку повітря, що, своєю чергою, веде до більшої повноти згоряння і менших викидів оксидів азоту і вуглеводнів. Крім того, є можливість підтримувати відносно низьку температуру згоряння, що веде до незначних утворень оксидів азоту.

Таблиця 4.16

Концентрація шкідливих речовин у відпрацьованих газах різних типів двигунів

Тип двигуна

Концентрація шкідливих речовин у відпрацьованих газах

CO, %

NOx, мг/л

CxHy, мг/л

Бензиновий двигун

3,6

4,0

1,79

Дизельний двигун

0,2

2,7

0,09

Г азотурбінний двигун

0,003

0,1

0,00078

До недоліків газотурбінних двигунів, що стримують їх широке застосування на автомобільному транспорті, можна віднести:

  • – високу вартість через технологічну складність виробництва і необхідність застосування дорогих матеріалів;
  • – значний рівень шуму під час роботи;
  • – застосування складніших коробок передач;
  • – вищі питомі витрати пального у порівнянні з бензиновими і дизельними двигунами (на 15 ÷ 20 %);
  • – суттєве зниження потужності двигуна при підвищенні температури атмосферного повітря (при збільшенні температури на 10 C потужність знижується на 1 %);
  • – гірші динамічні характеристики автомобіля.

Електричний двигун. Такий тип двигуна є досить перспективним для застосування в автомобільному транспорті. Він має багато технологічних та екологічних переваг над традиційними двигунами. Чинником, що стримує їх широке впровадження, є складність забезпечення електричною енергією.

На сьогодні найреальнішим енергетичним джерелом для електромобілів є електричні акумулятори. Недоліком сучасних акумуляторів є велика маса при відносно невеликих можливостях щодо запасу енергії (обмежений запас ходу). Вважається, що перспективними можуть бути лише акумулятори, які можуть запасати питому енергію не менше ніж 100 Вттод/кг. Різні типи сучасних пристроїв значно відрізняються один від одного за цим показником.

Найпоширеніші сьогодні свинцеві акумулятор запасають лише 40 Вттод/кг. Нікель-кадмієві акумулятори мають кращу характеристику – 50 Вттод/кг, проте вони суттєво дорожчі. Через низькі енергетичні характеристики їх вважають мало перспективними.

Більш перспективними акумуляторами є: срібно-цинкові – 200 Вттод/кг (недоліком є значна вартість); хлорно-літієві та сірчано-натрієві – 250 ÷ 300 Вттод/кг (недоліком є їх функціонування за дуже високих температур – 500 ÷ 600°С).

Автомобільні акумулятори окрім досить обмеженого питомого запасу енергії (обмеженого запасу ходу) мають обмежену питому потужність. Наприклад, одні з кращих за цією характеристикою свинцеві акумулятори мають питому потужність 250 ÷ 400 Вт/кг, нікель-кадмієві – 200 Вт/кг. Це погіршує характеристики автомобіля, зокрема під час розгону. Покращити ці характеристики автомобіля можна використанням у комбінації з акумуляторами так званих ультраконденсаторів – пристроїв з малою питомою енергоємністю (порядку 4 Вттод/кг), проте дуже високою питомою потужністю (до 8000 Вт/кг). Використання ультраконденсаторів дає можливість компенсувати брак потужності акумулятора у моменти підвищених навантажень (розгін, гальмування тощо).

У електромобілів практично відсутні викиди шкідливих речовин з двигунів протягом руху. Присутній лише підвищений рівень електромагнітного випромінювання.

Загалом до недоліків електротранспорту відносять такі:

  • – виробництво електроенергії на електростанціях супроводжується більшими питомими викидами шкідливих речовин у навколишнє середовище, ніж від автомобілів з традиційними двигунами;
  • – обслуговування електромобілів потребує дорогої інфраструктури (заряджання акумуляторів, специфічне техобслуговування);
  • – необхідність утилізації відпрацьованих акумуляторних батарей.

Для забезпечення енергією електродвигуна замість акумуляторів можуть бути використані паливні елементи. Цс гальванічні елементи, в яких унаслідок реакцій, що протікають в них. хімічна енергія перетворюється на електричну.

Як паливо для таких елементів сьогодні найчастіше використовують водень чи вуглеводні, а також кисень чи повітря. Схему роботи воднево-повітряного паливного елемента наведено на рис. 4.19.

Схема роботи воднево-повітряного паливного елемента: 1 – воднева порожнина: 2 – анод: 3 – платиновий каталізатор: 4 – мембрана: 5 – катод: 6 – повітряна порожнина: 7 – електродвигун

Рис. 4.19. Схема роботи воднево-повітряного паливного елемента: 1 – воднева порожнина: 2 – анод: 3 – платиновий каталізатор: 4 – мембрана: 5 – катод: 6 – повітряна порожнина: 7 – електродвигун

Прилад має дві порожнини – водневу 1 та повітряну 6. розділених мембраною 4. З обох боків на мембрану нанесено платиновий каталізатор 3 та електроди (анод 2 і катод 5). Працює прилад так. У камеру 1 під тиском подають водень, а в камеру 6 під тиском подають повітря, що містить кисень. Електроди 2 і 5 виконують пористими так. щоб водень та кисень могли проходити крізь них до платинового каталізатора. Водень з камери 1. проходячи через каталізатор, розкладається на вільні електрони та позитивно заряджені іони. Кисень з камери 6. також проходячи через каталізатор, захоплюють електрони і перетворюються на негативно заряджені іони. Вони притягуються до позитивно заряджених іонів водню, і всту паючи в реакцію з ними, утворюють воду. Внаслідок цього процесу утворюється вода та вільні електрони, які починають рухатися (створюють електричний струм) від аноду 2 до катоду 5 через електричний контур, елементом якого є електродвигун 7.

Перевагами паливних елементів є:

  • – високий коефіцієнт корисної дії;
  • – відсутність шкідливих викидів протягом роботи;
  • – повна відсутність шуму.

Недоліками є:

  • – висока вартість пристрою через необхідність використання платинових каталізаторів;
  • – значна питома вага (віднесена до одиниці потужності питома вага у 2 ÷ 4 рази перевищує питому вагу традиційних двигунів);
  • – висока вартість водню, що використовується як паливо, та складність його зберігання та борту автомобіля.

Комбіновані силові установки автомобілів. Комбінація різних силових установок в автомобілі дає змогу ефективніше використовувати їхні переваги.

Найпопулярнішими на сьогодні є комбінації двигунів внутрішнього згоряння та електродвигунів. На рис. 4.20 наведено схему комбінованої силової установки з послідовним увімкненням таких двигунів.

Основним (тяговим) двигуном є електродвигун 4, який приводить у рух ведучі колеса 5. Цей двигун отримує електроенергію від розподільного блоку 6 від двох основних джерел – від акумуляторної батареї 1 та від електрогенератора 3, який, своєю чергою, перетворює на електричну механічну енергію двигуна внутрішнього згоряння 2. У схему включено також конденсаторну батарею 7, завдання якої накопичувати надлишкову електричну енергію при малих навантаженнях на установку та покривати нестачу енергії при максимальних навантаженнях.

Найефективнішою така силова установка є в умовах міста, коли автомобіль рухається з частою зміною режимів руху.

Схема роботи комбінованої силової установки автомобіля: 1 –акумуляторна батарея; 2 – двигун внутрішнього згоряння: 3 – електрогенератор; 4 – тяговий електродвигун; 5 – ведучі колеса; 6 – розподільний блок; 7 – конденсаторна батарея

Рис. 4.20. Схема роботи комбінованої силової установки автомобіля: 1 –акумуляторна батарея; 2 – двигун внутрішнього згоряння: 3 – електрогенератор; 4 – тяговий електродвигун; 5 – ведучі колеса; 6 – розподільний блок; 7 – конденсаторна батарея

При усталеному русі з порівняно невеликою швидкістю тяговий двигун працює від акумуляторної батареї. Двигун внутрішнього згоряння не працює взагалі. Коли заряд акумуляторної батареї падає, включається двигун внутрішнього згоряння, який через електрогенератор приводить у рух силовий електродвигун та при надлишку енергії заряджає акумуляторну батарею. Коли акумуляторна батарея заряджена, двигун внутрішнього згоряння знову вимикається.

При русі з підвищеними навантаженнями (розгін, ру х по дорозі з підйомом угору тощо) також вмикається двигун внутрішнього згоряння, і силовий двигун живиться від двох джерел, при цьому у моменти наявності надлишку енергії відбувається підзарядка акумуляторної батареї.

За необхідності розвинути максимальну потужність (різке прискорення чи гальмування) додатково як джерело електроенергії використовується конденсаторна батарея. В ній можуть використовуватися ультраконденсатори. що забезпечують значну потужність протягом короткого періоду часу. Відновлення заряду конденсаторної батареї може бути здійснено у будь-який інший період під час руху автомобіля.

Завдання розподільного блоку 6 – керувати усіма джерелами електроенергії на борту автомобіля залежно від режиму його руху.

У такій силовій установці двигун внутрішнього згоряння працює не на змінних режимах, як у традиційних автомобілів, а в одному постійному, оптимальному для нього режимі, при якому його робота є найбільш ефективною, а витрата пального та викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами є мінімальними.

До недоліків комбінованих силових установок з електродвигунами відносять:

  • – високу вартість комбінованих установок;
  • – необхідність утилізації відпрацьованих акумуляторних батарей.

Інший варіант комбінованої силової установки – це комбінація двигуна внутрішнього згоряння з інерційним двигуном (маховиком). Це двигун, в якому механічну енергію запасає диск чи циліндр, який швидко обертається. Такий двигун має велику питому потужність і дає змогу передавати енергію на ведучі колеса з мінімальними втратами.

Комбінована установка з маховиком може працювати подібно до установки з електроакумулятором. Перед початком руху автомобіля маховик розкручується за допомогою двигуна внутрішнього згоряння, таким чином запасається енергія. На постійних режимах руху працює лише двигун внутрішнього згоряння. На перехідних режимах, коли необхідна додаткова потужність, вона покривається за рахунок енергії маховика. При цьому на режимах розгону енергія від маховика відбирається (швидкість обертання зменшується), а на режимах гальмування, завдяки спеціальній трансмісії, енергія повертається маховику (швидкість обертання збільшується).

Як і у попередньому випадку, в комбінованій силовій установці є можливість забезпечення роботи двигуна внутрішнього згоряння в одному постійному режимі, в якому легше забезпечити оптимальні умови спалювання пального, відповідно підвищити ефективність двигуна та зменшити витрати пального і викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші