_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
М А Д И Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО- ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) С.В. Шелмаков Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей Учебное пособие Москва, 2018 УДК 504.61:621.43.068 ББК 20.18 Ш444 Рецензенты: зав. кафедрой «Автомобили» МАДИ, д-р техн. наук, проф. Иванов А.М.; зав. отделом теории рабочих процессов и имитационного моделирования энергетических установок ФГУП «НАМИ», д-р техн. наук, Козлов А.В. Шелмаков, С.В. Ш444 Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей: учеб. пособие / С.В. Шелмаков – М.: МАДИ, 2018. – 282 с. В учебном пособии представлена развёрнутая информация о механизмах формирования негативных воздействий автомобилей на окружающую среду и здоровье населения. Подробно рассмотрены такие методы улучшения энерго-экологических характеристик автомобилей, как совершенствование рабочего процесса двигателей, очистка отработавших газов, использование альтернативных видов топлива и схем приводов. Учебное пособие предназначено для студентов автотранспортного и экологического направлений подготовки, для преподавателей и специалистов, занимающихся вопросами транспортной экологии. УДК 504.61:621.43.068 ББК 20.18 МАДИ, 2018 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .................................................................................................... 6 Сокращения ...................................................................................................... 7 Введение .......................................................................................................... 9 Механизмы возникновения негативных воздействий автомобилей на окружающую среду ................................................................................ 11 Формирование показателей энергоэффективности ДВС ........................ 11 Образование основных загрязняющих веществ в ДВС ........................... 15 Образование СО 2 и его влияние на окружающую среду ........................ 15 Образование СО и его влияние на окружающую среду .......................... 17 Образование NO x и их влияние на окружающую среду .......................... 20 Образование СН и их влияние на окружающую среду ........................... 26 Образование дисперсных частиц и их влияние на окружающую среду 40 Образование SO 2 и его влияние на окружающую среду ........................ 54 Контрольные вопросы по разделу ............................................................ 56 Методы воздействия на рабочий процесс ДВС с целью уменьшения выбросов загрязняющих веществ ........................................................... 58 Методы совершенствования рабочего процесса двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси (ДВСПВ) .................. 58 Методы совершенствования рабочего процесса двигателей с воспламенением рабочей смеси от сжатия (ДВСВС) .............................. 60 Рециркуляция отработавших газов ........................................................... 62 Увеличение энергии искры ......................................................................... 65 Управление углом опережения зажигания в ДВСПВ ............................... 72 Управление углом опережения впрыска топлива в ДВСВС .................... 75 Управление изменением фаз газораспределения ................................... 78 Управление геометрией впускного тракта ................................................ 81 Организация «послойного» смесеобразования ........................................ 83 Управление степенью сжатия .................................................................... 85 Цикл Аткинсона (Миллера) ........................................................................ 86 Управление наддувом ................................................................................. 88 Совершенствование систем впрыска топлива ......................................... 92 Совершенствование систем впрыска топлива ДВСПВ ........................... 93 4 Совершенствование систем впрыска топлива ДВСВС ........................... 96 Применение водных эмульсий дизельного топлива ................................ 99 Воспламенение гомогенного заряда от сжатия ...................................... 100 Контрольные вопросы к разделу ............................................................ 101 Методы очистки отработавших газов ДВС ........................................... 104 Методы жидкостной абсорбции ............................................................... 104 Методы нейтрализации............................................................................. 104 Термическая нейтрализация ................................................................... 104 Каталитическая нейтрализация .............................................................. 105 Решение проблемы холодного запуска ДВС ......................................... 115 Очистка ОГ ДВСПВ при работе на бедной смеси .................................. 116 Очистка отработавших газов ДВСВС ...................................................... 118 Очистка ДВСВС от дисперсных частиц .................................................. 119 Очистка ОГ ДВСВС от газообразных ЗВ ................................................ 122 Снижение выбросов СН (ЛОС) ................................................................. 125 Контрольные вопросы по разделу .......................................................... 126 Альтернативные автотранспортные топлива ..................................... 128 Метан (природный газ) и биометан (биогаз) ........................................... 130 Получение ................................................................................................. 130 Свойства .................................................................................................... 131 Особенности использования в качестве автотранспортного топлива . 133 Хранение на борту автомобиля .............................................................. 135 Пропан-бутан (сжиженный углеводородный газ, СУГ) ........................... 145 Получение ................................................................................................. 145 Свойства .................................................................................................... 145 Особенности использования в качестве автотранспортного топлива . 147 Оксигенаты и биооксигенаты .................................................................... 150 Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)...................................................... 150 Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) ........................................................ 154 Трет-амил-метиловый эфир (ТАМЭ) ...................................................... 156 Диизопропиловый эфир (ДИПЭ) ............................................................. 158 Метанол ..................................................................................................... 159 Этанол ....................................................................................................... 164 Трет-бутиловый спирт (ТБС) ................................................................... 173 Растительные масла ................................................................................ 175 Метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) ........................................... 177 5 Диметиловый эфир (ДМЭ) ....................................................................... 179 Синтетические топлива и биотоплива ..................................................... 181 Водород и биоводород.............................................................................. 184 Получение ................................................................................................. 184 Особенности использования в качестве автотранспортного топлива . 191 Хранение водорода на борту автомобиля ............................................. 193 Воздействие на состояние окружающей среды ..................................... 197 Контрольные вопросы по разделу .......................................................... 199 Альтернативные схемы приводов автомобилей ............................... 201 Батарейные электромобили ..................................................................... 202 Электромобили с топливными элементами ............................................ 204 Солнцемобили ........................................................................................... 208 Гибридные автотранспортные средства ................................................. 209 Гибридные электроавтомобили .............................................................. 214 Гибридные гидравлические автомобили ................................................ 218 Гибридные пневматические автомобили ............................................... 222 Гибридные маховичные автомобили ...................................................... 227 Моторы для электромобилей и электрогибридов .................................. 230 Коллекторные моторы .............................................................................. 233 Бесколлекторные моторы ........................................................................ 235 Накопители электроэнергии ..................................................................... 242 Электрохимические аккумуляторы.......................................................... 242 Суперконденсаторы.................................................................................. 254 Методы зарядки электромобилей и подключаемых электрогибридов . 257 Кондуктивная (проводная) зарядка электромобилей ............................ 259 Беспроводная зарядка электромобилей ................................................ 263 Электромобили как часть новой энергетической системы .................... 265 Контрольные вопросы по разделу .......................................................... 267 Заключение .................................................................................................. 270 Список литературы ...................................................................................... 271 Приложение 1. Характеристики некоторых автотранспортных топлив Приложение 2. Характеристики автономных источников энергии ПРЕДИСЛОВИЕ Целью создания данного учебного пособия является систематизация, обобщение и доступное изложение обширной научно- технической информации о существующих и перспективных способах улучшения энерго-экологических характеристик автотранспортных средств. Учебное пособие содержит подробную информацию как о механизмах формирования негативных экологических аспектов функционирования автомобильного транспорта, так и о способах их минимизации за счёт совершенствования конструкции автотранспортных средств. Понимание механизмов формирования негативных экологических аспектов функционирования автомобильного транспорта является необходимым элементом для ориентирования в большом разнообразии мер совершенствования конструкции современных автомобилей, понимания целей и сути этих технологий. Существующие и перспективные способы улучшения энерго- экологических характеристик автомобилей систематизированы и изложены в нескольких разделах. Основное внимание уделялось принципиальным особенностям тех или иных технологий и их влиянию на выходные энерго-экологические характеристики автомобилей. При рассмотрении альтернативных автотранспортных топлив внимание уделялось как методам их производства, так и особенностям использования в автомобилях. Учебное пособие предназначено для студентов автотранспортного и экологического направлений подготовки, имеющих базовые знания об устройстве ДВС, для преподавателей и специалистов, занимающихся вопросами транспортной экологии. Изложение материала в данном учебном пособии предполагает наличие у читателей базовых знаний об устройстве автомобилей и двигателей внутреннего сгорания. 7 СОКРАЩЕНИЯ АТС – автотранспортные средства ВМТ – верхняя мёртвая точка движения поршня ДВС – двигатели внутреннего сгорания ДВСПВ – ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси ДВСВС – ДВС с самовоспламенением рабочей смеси при впрыске топлива в нагретый в результате сжатия воздух ДЧ – дисперсные частицы ДЭС – двойной электрический слой ЕЭК ООН – Европейская экономическая комиссия Организации объединённых наций ЗВ – загрязняющее (атмосферу) вещество ИСГ – интегрированный стартер-генератор ЛОС – летучие органические соединения МТБЭ – Метил-трет-бутиловый эфир НМТ – нижняя мёртвая точка движения поршня ОГ – отработавшие газы ОРВ – озоноразрушающие вещества ОРС – озоноразрушающая способность ОС – окружающая среда ОУ – органический углерод ОЧИ – исследовательское октановое число ОЧМ – моторное октановое число ПАУ – полициклические ароматические углеводороды ПГП - потенциал глобального потепления ПДК – предельно допустимая концентрация ПДК МР – максимально разовая предельно допустимая концентрация ПДК СГ – среднегодовая предельно допустимая концентрация ПДК СС – среднесуточная предельно допустимая концентрация ПКВ – поворот коленчатого вала ПОМ – протонообменная мембрана ПХДД – полихлорированные дибензодиоксины ПХДФ – полихлорированные дибензофураны СОЗ – стойкие органические загрязнители 8 ТНВД – топливный насос высокого давления ТЭ – топливный элемент ТЭС – тетраэтилсвинец ТЭМ-Г – тяговый электромотор-генератор ЭУ – элементарный углерод 9 ВВЕДЕНИЕ Обеспечение экологически устойчивого развития транспортной отрасли означает решение задачи по удовлетворению разумных потребностей в мобильности за счёт как можно более низких экологических, социальных и экономических издержек. Очевидно, что данная цель может быть достигнута исключительно на комплексной, межотраслевой основе. Формирование потребностей в мобильности должно также осуществляться исходя из принципов экологически устойчивого развития и с учётом возможностей и экологических ограничений транспортной системы. Данное учебное пособие посвящено только вопросам технологической оптимизации конструкции автомобилей с целью улучшения их энерго-экологических характеристик. Это лишь небольшая часть мероприятий по реализации политики экологически устойчивого транспорта, не способная в одиночку обеспечить достижение целей этой политики. Об этом важно помнить во избежание иллюзорных надежд о возможности решения экологических проблем только за счёт развития технологий. Тем не менее, эта часть очень важная, т.к. позволяет не только снизить негативное воздействие автотранспорта на окружающую среду, но и обеспечить общий научно-технологический прогресс, стимулировать появление инновационных технологий не только в автомобилестроительной отрасли, но и во многих смежных отраслях экономики. К направлениям технологической оптимизации, позволяющим более эффективно использовать транспортные средства и снизить удельные показатели негативного воздействия автомобилей на окружающую среду и здоровье населения, относятся: 1. Совершенствование рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, работающих на традиционных видах топлива – бензине и дизельном топливе и оптимизация характеристик всех агрегатов трансмиссии. 2. Очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. 3. Использование альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания – углеводородного и природного газов, водорода, метанола, 10 этанола, биодизельного топлива и т.п. 4. Применение альтернативных (электрических, пневматических, инерционных) и гибридных (сочетающих два или несколько источников энергии) схем приводов автомобилей. 5. Снижение сил сопротивления движению автомобиля за счёт уменьшения его собственной массы, коэффициентов аэродинамической обтекаемости кузова, сопротивления качению шин, повышения КПД агрегатов трансмиссии, шасси и кузова. 6. Повышение активной, пассивной и послеаварийной безопасности автомобилей. 7. Снижение внешнего шума автотранспортных средств. 8. Внедрение навигационных систем, систем бортовой самодиагностики и других информационных служб. 9. Повышение долговечности, надёжности и степени рециклируемости конструкции автомобиля, применение экологически безопасных конструкционных и эксплуатационных материалов. 10. Улучшение комфортабельности поездок (поддержание благоприятного микроклимата и состава воздуха внутри салона, снижение внутреннего шума и защита от электромагнитных полей, улучшение плавности хода и т.п.). Рассмотрению большинства из этих направлений и посвящено данное учебное пособие. Некоторые аспекты, например, виброакустические, влияющие на безопасность, связанные с оценкой жизненного цикла, комфортностью и т.п., исключены из рассмотрения в силу их специфичности. 11 МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕГАТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ АВТОМОБИЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Формирование показателей энергоэффективности ДВС В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит преобразование потенциальной энергии, заключённой в топливе, в кинетическую энергию вращения коленчатого вала двигателя. Высвобождение заключённой в топливе энергии происходит в результате организованного процесса его сгорания, т.е. окисления кислородом, содержащимся в воздухе. Стехиометрическое (теоретически необходимое) количество сухого воздуха (кг), необходимое для полного сгорания (окисления) 1 кг топлива можно рассчитать по формуле 1 : C N C S C O C H C N C S C O C H l 14 32 16 12 1 2 5 , 0 2 16 32 , 4 0 , (1) где H, C, O, S, N ‒ элементарный состав топлива, т.е. содержание в нём соответственно водорода, углерода, кислорода, серы и азота, % массы. Соотношение количеств воздуха и топлива в рабочей смеси обычно характеризуется |