Экономика и экология гибридного двигателя

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

 

УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

«аВТОТРАНСПОРТнЫЙ  И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

 

 

Дисциплина:  Устройство автомобиля.

 

 

Тема: Экономика и экология гибридного двигателя.

 

 

Исполнитель: Ненашев Сергей Владимирович.

 

 

Научный руководитель: Приданчук Владимир Александрович.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт –Петербург

2012 

Оглавление:

 

Введение.           стр. 2

Глава 1. Гибридный двигатель – что это такое?      стр. 3

1.1 Электродвигатель.        стр. 3

1.2 Двигатель смешанного типа.       стр. 4

1.3 Двигатель на биотопливе.       стр. 6

1.4 Двигатель на водороде.        стр. 7

1.5 Итог.          стр. 8

Глава 2. Экономика и Экология        стр. 10

2.1 Электродвигатель.        стр. 10

2.2 Гибрид.          стр. 11

2.3 Альтернативное топливо.       стр. 12

2.4 Водород.          стр. 15

Глава 3. Практическая часть.        стр. 17

 

Введение.

 

 

Современный мир полон инноваций в различных сферах науки. Технический прогресс не стоит на месте, и множество стран стремятся к улучшениям качества жизни, вследствие этого возникают различные экологические проблемы. Современные автомобили наносят непоправимый ущерб окружающей среде: истощаются запасы нефти, в атмосферу выделяется катастрофическое количество выхлопных газов, тем самым разрушается озоновый слой. Распространенный прогноз о скором (через 30–50 лет) истощении запасов нефти специалисты воспринимают по-разному. Большинство — с уважением («так и есть»), другие скептически («запасы нефти безграничны!»), а третьи с сожалением («могло бы хватить и на столетия). Грубо говоря, на сколько лет хватит запасов нефти, не знает никто. Что удивительно, до сих пор никто не может точно сказать, каким путем образуется нефть, хотя спор об этом ведется еще с XIX века. Безусловно, основными потребителями нефти являются автомобили. В связи со сложившейся ситуацией ученые озадачены созданием автомобилей на альтернативном топливе, такие автомобили называются гибридными. Многие автомобильные компании уже выпускают такие автомобили, а значит проблемы экологии, по сути, решены. Но почему же тогда экологически чистые автомобили используются очень малым количеством людей?

Отсюда следует цель моего проекта: рассмотреть подробно проблему с экономической и экологической точки зрения, объяснить причину столь узкого использования гибридных двигателей и наглядно показать пагубное влияние автомобилей на окружающую среду.

 

Глава 1. Гибридный двигатель – что это такое?

 

Приступая к работе у нас было достаточное размытое понимание этого термина. Прочитав множество материала, мы понял, что на настоящий момент понятие гибридный двигатель очень широкое, оно включается в себя большое количество различных двигателей, но их объединяет то, что все они являются альтернативой традиционным двигателям внутреннего сгорания. Мы выявил 4 основных типа таких двигателей, о которых и пойдет речь в данной главе.

 

1.1 Логичнее было бы остановиться на электродвигателе, так как именно с него начались разработки остальных альтернативных двигателей. Итак, разберем его основные особенности.

 

• Устройство:

 

Электромобиль - транспортное средство, ведущие колеса которого приводятся в движение от электромотора, питаемого аккумуляторными батареями. Рассмотрим устройство подобного двигателя на примере разработок Renault. Двигатель оснащен батареей, передающей энергию в специальное устройство (Inter connection box), которое можно назвать «мозгом» автомобиля, оно является передаточным звеном между батареей и остальными электрическими системами автомобиля. Из «мозга» энергия попадает в специальный преобразователь, где преобразуется в 400 вольт трехфазного постоянного тока, питающего привод, приводящий в движение колеса автомобиля.

 

• Особенности электромобиля:

 

Чем привлекателен электромобиль, наверно, представляет каждый. В первую очередь, он почти не дает выброса вредных веществ. Ядовитых газов, попадающих в атмосферу при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравненно меньше, чем при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Чтобы отапливать электромобили зимой, на них устанавливают автономные обогреватели, потребляющие бензин или дизельное топливо. Но они, понятно, не загрязняют атмосферу так сильно, как ДВС.

Второе преимущество - простота устройства. Электродвигатель обладает очень привлекательной для транспортных средств характеристикой: на малых скоростях вращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронуться с места или преодолеть трудный участок дороги. ДВС же развивает максимальный крутящий момент при средних оборотах, поэтому, если требуется большое усилие на малых, его приходится увеличивать с помощью коробки передач. Троллейбусы, например, в таком агрегате не нуждаются. Не требуется он и электромобилю, поэтому управлять им проще, чем автомобилем с механической коробкой передач.

Третье преимущество вытекает из второго. Электромобиль не требует столь тщательного ухода, как обычное авто: меньше регулировок, не потребляет много масла, проще система охлаждения, а топливная (если не считать отопитель) вообще отсутствует.

 

И все же электромобиль устроен не так просто, как может показаться: ему необходимы сложные преобразователи напряжения и много тяжелых и громоздких аккумуляторов, которые трудно разместить. Главный же недостаток, который сдерживает внедрение электромобилей, - малая энергоемкость батарей. Бак с бензином малолитражки весит около 50 кг, обеспечивая запас хода более полутысячи километров. Батареи весят обычно больше 100 кг (а то и несколько сотен), а пробег не превышает 100 км, причем при движении с небольшой скоростью.

 

1.2 Двигатель смешанного типа. Именного его принято называть гибридным из-за особенностей строения. А каких именно, давайте разберемся.

 

• Устройство:

 

Для начала рассмотрим схемы гибридных силовых установок:

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА

В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

 

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса.

Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА

 Уже по названию  можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальная эффективность силовой установки.

 

• Особенности:

 

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойным смесеобразованием.

Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают на чрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то время как у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин, степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах 16—17.

Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такие двигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин (Италия, государства Южной Америки).

Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижения расхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках.

Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный, представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее известная поговорка «все новое — это хорошо забытое старое» и в этот раз сработала на 100%.

 

1.3 Двигатель на био-топливе, как еще один вариант альтернативного двигателя. Его устройство практически не отличается от устройства традиционного двигателя внутреннего сгорания. Таким образом перейдем непосредственно к его особенностям.

 

• Особенности:

 

Проблема в том, что бензин и дизельное топливо представляют собой два совершенно конкретных продукта, производящихся во всём мире в соответствии со строгими международными стандартами, тогда как термин «биотопливо» имеет довольно расплывчатое значение, не относящееся конкретно к одному или двум видам топлива. Биотопливом называют в наши времена любое топливо, произведённое из материалов растительного или животного происхождения.

Различные современные виды биотоплива представляют собой смеси этанола и бензина, а также масла, используемые  в смеси с дизельным топливом, или даже вместо последнего. В Европе бензин и дизельное топливо могут содержать до 5% таких биологических добавок: это не считается нарушением стандартов, и не приводит к негативным последствиям для обычных автомобильных двигателей.

Каждое семейство биотоплива производится с применением чрезвычайно отличных друг от друга технологий. Несмотря на давно и активно ведущуюся работу в этом направлении, до сих пор не существует стандартов, как на сами различные сорта биотоплива, так и на используемое сырьё, и на производственные процессы.

Этанол сам по себе является весьма стандартным веществом, имеющим широчайший спектр применения, и процессы его производства из большого количества видов сырья хорошо стандартизированы. Тем не менее, способов его использования в качестве компонента биотоплива может быть множество. На практике это может означать, что разные производители, скажем, биодизельного топлива, будут продавать под одним и тем же названием топливо с довольно сильно различающимися физическими и химическими характеристиками – не говоря уже о содержащихся в этих продуктах потенциально опасных веществах.

Анджела Джонсон (Angela Johnson), глава отдела инженерии и технологий исследовательского центра Ricardo, описывает ситуацию следующим образом: «Не все виды биотоплива одинаковы». На самом деле, они настолько разные, что эта разница может создать чрезвычайно серьёзные проблемы для разработчиков двигателей и компаний, которые занимаются топливом на этапе после производства.

 

1.4 Следующий вид двигателя – это водородный. По моему мнению он является самой перспективной разработкой на современном этапе.

 

• Устройство:

 

Итак, следующий этап развития двигателей — силовая установка, работающая на самом перспективном энергоносителе — водороде. Он является самым безвредным для окружающей среды, так как в результате химической реакции в качестве «побочного продукта» образуется простая вода. Происходят такие реакции в топливных камерах — керамических ячейках. Каждая ячейка перегорожена на 2 секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую подается водород. Мембрана обладает уникальным свойством: пропускает протоны, но задерживает нейтроны. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно, благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту электроэнергию (вполне возможно с некоторыми преобразованиями) можно использовать для питания электродвигателя. Который в сою очередь приводит в движение колеса автомобиля.

 

• Особенности:

 

В сравнении с другими возможными видами автомобильных топлив преимуществами водорода в чистом виде являются:

 

• высокая теплота сгорания (28620 ккал/кг);