Энергоэфективные установки транспортной техники. 2 ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ. Энергоэффективные двигатели транспортных средств
 Скачать 48.4 Kb.
|
|
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Аманбай М.Н.,Амантай А.Е.,Айтуганов Д.А., бакалавр, инженер Баженов В. Н., доктор технических наук, профессор Шалбаев К.К. Тепловые двигатели по назначению делят на: транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, самолетах, судах, локомотивах и других передвижных установках. По роду используемого топлива различают двигатели, работающие на: а) легком жидком топливе (бензине и керосине); б) тяжелом жидком топливе (мазуте, соляровом масле, дизельном топливе и газойле); в) газовом топливе (генераторном, природном, промысловом и других газах); г) смешанном топливе, где основным топливом является газ, а для пуска двигателя используется жидкое топливо; д) различных топливах (бензине, керосине, дизельном топливе и др.) многотопливные двигатели. По способу преобразования тепловой энергии в механическую классифицируются на двигатели: а) внутреннего сгорания поршневые и роторно-поршневые; б) с внешним подводом теплоты: газотурбинные двигатели, в которых процессы химического реагирования происходят в камере сгорания, образующееся при этом продукты сгорания поступают на лопатки турбины, где совершают полезную работу; двигатели, где теплота к постоянно циркулирующему по замкнутому контуру рабочему телу подводится в теплообменнике, а тепловая энергия затем используется в расширительном цилиндре. Преимуществабензиновыхавтомобилей: простота технологии изготовления; меньшая масса;относительно невысокая стоимость; простота ремонта;относительно бесшумная работа.Недостатки: повышенная взрывоопасность; необходимость в регулярном смазывании;повышенный расход топлива; разгон хуже, чем на дизельном моторе; относительно малая тяга, большой выхлоп вредных веществ. Дизельные автомобили — поршневой ДВС, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива. Применяется в основном на судах, тепловозах, автобусах и грузовых автомобилях, тракторах, дизельных электростанциях, а к концу XX века стал распространенным и на легковых автомобилях. Достоинства: высокая мощность;относительно малый расход топлива; сниженная пожароопасность; лучший разгон в отличие от бензинового двигателя.Недостатки: высокая стоимость мотора; высокий уровень шума; сильная чувствительность топлива к низким температурам;сложностьизготовления двигателя;частая замена масла; тяжелый ремонт. В газовыхдвигателях используется сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) или природный газ (метан).Преимущества: экономичность, переоборудование машины позволяет сократить расход топлива вдвое; работа двигателя плавная, тихая, снижается нагрузка на коленвал и цилиндропоршневую группу;выброс вредных веществ снижается в разы, практически нет серы и свинца; государственные льготы.Недостатки:затраты на оборудования и установочные работы; сокращение свободного места в багажнике; необходимость регулярных техосмотров. Электромобиль использует для движения электрическую энергию собственных аккумуляторных батарей. Преимущества: дешевая «зарядка» аккумулятора, в среднем 100 кВт ч электроэнергии требуется на полную зарядку и ее хватает на 300 км пробега; конструктивная и технологическая простота – нет системы смазки (масла), фильтров, свечей и тосола; упрощается межсервисное обслуживание; двигатель работает беззвучно; отсутствуют выбросы вредных веществ, нет выхлопного тракта. Недостатки: слабый выбор электромобилей; высокая стоимость батареи; пониженная комфортность - кондиционер на электромобилях не используют. Модели электромобилей: TeslaModel Sочень быстрый автомобиль, наилучшие эксплуатационные характеристики, но автомобиль достаточно дорогой. Суперкар с батареей на 60 - 85 кВт/ч стоит в пределах 63,5 – 105 тыс. $. Притом за год на «заправку» в среднем тратится порядка 650 $, чтобы добиться того же результата с ДВС, нужно снизить расход до 2,48 литра на 100 километров;BMW i3базовая стоимость которой в Европе — 35 тыс. евро. Стоимость годовой «заправки» — около 500–600 долларов, электрический запас хода до 160 км. Пополнить запас энергии владелецBMW i3 сможет всего за 30 минут, что является лучшим показателем на рынке. Недостатком машины является малая вместимость салона; ChevroletVoltстоит 39 145$. «Батарейный» ход у него 50 километров. Общий запас — 600 километров.Средний расходтоплива ниже, чем у Tesla, —2,4 литра на 100 километров. Его заправка за год стоит 950 долларов. Недостаток — время зарядки батареи четыре часа; Электромобили производят фирмыNissanLeaf,ToyotaPriusPlug-InHybrid; FordFocusElectricдорогая машина и технические характеристики ниже вышеперечисленных.(Литер) HondaFitEV, SmartForTwoElectricDrive, ChevroletSparkEV, MitsubishiI-MiEVотносятся к классу мини электромобилей над совершенствованием которых работают ведущие компании Европы, Америки, Японии и др. Эти мини-электромобили выгодно использовать в крупных городах, имеющих сеть зарядных устройств, они занимают малую парковочную площадь и мобильны в «пробках». Автомобильс водородным топливом. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами. Преимущества:высокая экологичность, продукт горения водорода - водяной пар. При этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше; простая конструкция; отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи; бесшумность; КПД намного выше, чем у бензиновых ДВС.Недостатки: дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах; отсутствие инфраструктуры для заправок автотранспорта водородом; не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения; несовершенство технологий хранения водородного топлива; большой вес и габаритытранспорта; опасность возгорания и взрыва при работе с водородом. При использовании водорода в обычном ДВС мощность его снижается до 65 % в сравнении с бензином. Небольшие изменения в системе зажигания и регулировка позволяет повысить мощность двигателя до 117 %.Из-за более высокой температуры сгорания H2значительно увеличится выход окислов азотаи возрастает подгорание клапанов и поршней при длительной работе на больших нагрузках. Также, водород при высоких температурах (2800 0С) и давлениях способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу. Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, так как водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Надо предложить новую конструкцию ДВС на водороде с использованием жаропрочных материалов (м.б. композитных) для цилиндра, поршня, клапана и др. узлов двигателя. Необходимо провести глубокие исследованияпроцессовпроисходящих в цилиндрепо оптимизации выбросов токсичных продуктов сгорания в атмосферу, нужен тщательный подбор смазочных жидкостей для нормальной работы мотора.Для работы на водороде предлагается использовать роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.Основная техническаятрудность заключается в размещении достаточного количество газа на транспортном средстве. Размер топливного бака для водорода будет сравним с параметрами самого автомобиля. Для использования водорода в жидком виде требуется криогенная установка. Этот способ также мало осуществим на автомобиле. Причины интереса к водородному транспорту. В 2009 году примерно 25 % выбросов углекислого газа в атмосферу производилось в результате работы разного рода транспорта[4]. (Литер). По оценке МЭАуже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным InternationalMaritimeOrganization выбросы СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость. В связи с вышеизложенными недостатками водородного топлива до сих пор откладывается серийный выпуск автомобилей на водороде. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы в ближайшем будущем.От исследователейи инженеров требуется предложить дешевыйспособ добычи водорода, создание оптимальной инфраструктуры, разработатьинструкции по эксплуатации ДВС на водороде, и тогда навсегда можно забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости. Из анализа характеристик вышеизложенных двигателей следует, что на сегодняшний день одним из практически приемлемых, недорогих, безопасных и экологическичистыхрешенийявляется применение водородного генератора (ВГ) для ДВС. Во-первых, в этом случае не потребуется переделка ДВС или создание новой его конструкции, что очень затратно. Во-вторых дополнением к ДВС служит устройство ВГ, который стоит недорого (400-500 $) и безопасен. Электролизер вырабатываетHHO всего до 10% от объема топливной смеси и не накапливается, а используется сразу в камере сгорания.Использование ВГ существенно снижает выхлоп вредных газов (СО2, NOx)до 80%, экономия бензина достигает до 40% и мощность повышается до 25%(Лит наш и Alex. Eng. Journal). Сегодня водородные генераторы для ДВС приобретают популярностьу автолюбителей. Путём электролиза вода в ВГ превращается в так называемый газ Брауна, который и добавляются к топливной смеси. Основная задача, которую решает этот газ, – полное сгорание топлива, т. е. действует и как катализатор. Это и служит увеличением мощности и снижением расхода топлива.На рис. 1 приведена схема водородного генератора.  Рис. 1. Схема водородного генератора. Установка (ВГ) состоит из аккумулятора – источника энергии, электролизера – HHO генератора, резервуара для воды, влагоотделителя, воздушного фильтра и др. Газ Брауна (HHO) после смешения в инжекторе автомобиля со топливной смесью поступает в камеру, где происходит эффективноесгорание. В количественном выходе HHOгаза решающее значение имеет площадь поверхности электродов. От площади электродов и их материала зависит количество получаемого объёма газа Брауна. Если в качестве электродов брать медные или железные пластины, то реактор не сможет работать продолжительное время по причине быстрого разрушения пластин.Идеальным выглядит применение титановых листов. Однако их использование повышает затраты на агрегат в несколько раз. Оптимальным считается применение пластин из высоколегированной нержавеющей стали. Под действием электрического тока аккумулятора молекула воды начинает разлагаться на два атома водорода и один кислорода. Такая газовая смесь при сгорании выделяет почти в 4 раза больше энергии, чем при сгорании молекулярного водорода. Поэтому использование этого газа в двигателях внутреннего сгорания приводит к более эффективному сгоранию топливной смеси, уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу, увеличивает мощность и уменьшает величину затраченного топлива. Для автомобилей с инжекторной системой подачи топлива необходимо еще установить контроллер, регулирующий уровень подачи газа в топливную смесь и связанный с бортовым компьютером автомобиля. Для нормальной работы электролизёра вода должна быть щелочной, для этого может служить обычная сода.Для контроля над течением реакции используют регулятор тока, что позволяет изменять производительность с увеличением оборотов.Водородные генераторы на автомобилях в целях обеспечения безопасной и надёжной работы системы рекомендуется оборудовать обратным клапаном. В настоящее время нами разработана конструкция прямоугольного электролизера ВГ, а такжеподготовлены рабочие чертежи его деталей. Планируется изготовление серии геометрически подобных ВГ для следующих объемов ДВС: 1,6 л; 1,8 л; 2,2 л; 2,4 л., как наиболее широко используемых в Республике Казахстан. Здесь рис. Чертеж ваш. Обособленно стоит вопрос разработки электрической схемы управления подачи топлива в ДВС с ВГ. Литература: ↑ Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978. ↑ Transport, Energy and CO2: Moving toward Sustainability// IEA https://www.iea.org/publications/freepublications/ ↑ Транспортники обсудят вопросы экологии в Токиоhttp://science.compulenta.ru/391036/ http://www.tachki.md/index.php/acura/1520-na-vodorode.html https://auto.onliner.by/2014/04/22/tesla-model-s-5 http://www.avtovzglyad.ru/article/2013/10/08/610559-12-elektromobiley-kotoryie-mozhno-kupit-pryamo-seychas.html |