IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

1. Автомобиль и экологические проблемы.

Автомобили являются мощным источником загрязнения природной среды. Из всех вредных выбросов 89% приходится на выбросы автомобильного транспорта и предприятий дорожно-строительного комплекса, так же транспорт является одним из основных источников шума в городах и вносит значительный вклад в тепловое загрязнение окружающей среды, служащее одним из факторов глобального потепления. Выбросы от автомобильного транспорта в России составляют около 22 млн.тонн в год, отработанные газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 наименований вредных веществ. Так же автомобиль потребляет кислород. Автомобиль, проехавший 900км потребляет столько же кислорода, сколько человек расходует на дыхание за целый год.

Рисунок 1.1

С целью уменьшения загрязнения атмосферы совершенствуются существующие двигатели внутреннего сгорания, разрабатываются новые типы двигателей, исследуется возможность замены на автомобилях двигателей внутреннего сгорания другими видами энергетических установок.

Электромобили могут значительно улучшить состояние окружающей среды. Электромобиль не потребляет углеродсодержащее топливо и не загрязняет воздух отработавшими газами, работает почти бесшумно, неогнеопасен и легко управляется. Однако недостатки связанны с высокой стоимостью автомобиля, небольшим пробегом между заправками, большей массой автомобиля по сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания тормозят повсеместное использование электромобилей.

Как промежуточный и коммерчески более оправданный вариант, который может использоваться повсеместно уже сейчас – гибридные автомобили.

2. Автомобили гибриды.

Гибридный автомобиль - это автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии.

Рисунок 2.1

Существует два распространённых вида гибридов:

• совместное использование двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя, что позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок повышая топливную эффективность силовой установки. В 1997 году на японском рынке дебютировал первый гибрид — Toyota Prius.

• автомобили, в которых ДВС совмещён с двигателями, работающими на сжатом воздухе. Первый в мире серийный автомобиль с двигателем, работающим на сжатом воздухе, выпустила индийская компания Tata, известная на весь мир производством дешевых транспортных средств для небогатых людей. Автомобиль Tata OneCAT весит 350 кг и может проезжать на одном запасе сжатого воздуха 130 км, разгоняясь при этом до 100 километров в час. Но такие показатели возможны только при максимально заполненных баках. Чем меньше плотность воздуха в них, тем ниже становится средний показатель скорости.

2.1. Причины начала производства

Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. Благодаря совершенствованию технологий и налоговым льготам, производителям и покупателям гибридов такие автомобили иногда оказываются даже дешевле обычных. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются и другие льготы — в частности, освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе и бесплатными автостоянками, и т. д.

Гибридные автомобили стали компромиссным решением таких недостатков электромобилей, как значительная масса аккумуляторов и необходимость их длительной зарядки, недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций и недостаточная дальность пробега.

2.2. История разработок

Первым автомобилем с гибридным (бензоэлектрическим) приводом считается Lohner-Porsche (Лёнер-Порше), разработанный конструктором Фердинандом Порше в 1899 — 1901 годах(рис.2.2).

Рисунок 2.2.1 (Lohner-Porsche)

В конце 60-х - 70-е годы XX века интерес к гибридам возобновился вследствие роста цен на топливо и ужесточения экологических норм.

В 1968 году инженеры компании TRW создали первую полноценную гибридную систему привода, используемую в современных машинах и в наше время. Эта технология нашла применение в модели GM 512 Hybrid, способном при работе исключительно одного электромотора разгонятся до 16 км/ч. При увеличении скорости до показателя в 17 км/ч автоматически включался в работу бензиновый мотор, помогая автомобилю достичь порога скорости 21 км/ч. Когда же возникала необходимость более существенного разгона, электрическая система отключалась и транспортное средство работала на одном только бензиновом двигателе, развивая на трассе скорость до 65 км/ч.

В 1977 году немецкая компания Volkswagen представила публике свой гибридный автомобиль Volkswagen Taxi Hybrid.(рис.2.2.2)

Рисунок 2.2.2 (Volkswagen Taxi Hybrid)

В Советском Союзе работы по разработке гибридных автомобилей велись, в частности, под руководством Нурбея Гулиа.

Первый в истории техники автомобиль с маховично - вариаторным гибридным приводом - грузовик УАЗ-450(рис.2.2.3), 1966 год. Расход топлива снизился вдвое. Передний мост остался приводным от двигателя, а задний - соединили карданом с "гибридом". Сам "гибрид" закрепили на месте снятого кузова автомобиля на раму, а рычаги ручного управления вывели вперед. Так как водитель не мог одновременно управлять автомобилем и "гибридом", то позади кабины закрепили кресло (спинкой вперед), где должен был сидеть оператор и управлять "гибридом". Разгонялся автомобиль так резво, что его автор Нурбей Гулиа - вынужден был пристегиваться к креслу, чтобы не слететь с него. В Курске в 1972-73 годах Н. В. Гулиа провёл испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами.

Рисунок 2.2.3 (УАЗ-450)

В 1974 году УАЗ совместно с ВНИИЭМ Минэлектротехпрома изготовил партию из пяти электромобилей УАЗ-131(рис.2.2.4) на шасси УАЗ-451ДМ с системой электропитания на переменном токе. Громоздкие и тяжелые аккумуляторы на этих автомобилях располагались в фургоне, поэтому внутренний объем кузова был невелик, а грузоподъемность автомобиля У-131 составляла всего 500 кг при полной собственной массе 2400 кг. Зато экономия топлива достигала 45 %.

Рисунок 2.2.4 (УАЗ-131)

Однако эти технологии не были востребованы советской автомобильной промышленностью.

2.3. Принцип работы

Идея «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач электрическими проводами, обусловлена сложностями механической передачи значительного, и при этом изменяемого крутящего момента на колеса транспортного средства. Дополнительной сложностью является невозможность изменения направления вращения коленчатого вала ДВС для обеспечения заднего хода машины. Нагрузочная же характеристика электродвигателя практически равномерна во всём диапазоне рабочих частот; он может быть мгновенно запущен, остановлен и реверсирован, а также не требует холостого хода, что позволяет исключить из трансмиссии механизм сцепления — а в некоторых случаях и полностью от неё избавиться, разместив электродвигатели непосредственно в колёсах (мотор-колесо).

При применении электротрансмиссии двигатель, работающий на обычном топливе, вращает электрогенератор; вырабатываемый ток через систему управления передаётся на электродвигатели, которые и приводят в движение транспортное средство.

Большинство двигателей, установленных на гибридах, — бензиновые. Распространение, казалось бы, более экономичных дизельэлектрических силовых установок сдерживает прежде всего то, что большинство гибридов продаются в не знакомой с дизелем Америке. Кроме того, дизельный мотор дороже бензинового, а это лишь увеличивает немалую цену гибрида.

Гибридная силовая установка сочетает двигатель внутреннего сгорания и электромотор. В зависимости от того, какую роль в силовой установке играет электромотор, гибриды делятся на умеренные (mild hybrids) и полные (full hybrids). У первых электромотор служит помощником двигателю внутреннего сгорания, как, например, у хэтчбека Honda Insight. Вторые способны проехать некоторое расстояние на одной электротяге, как Lexus RX 400h.

Существует также три основные схемы устройства гибридных силовых установок: последовательная, параллельная и смешанная.

Последовательная гибридная схема(рис.2.3.1) появилась первой (её придумал в 1899 году сам Фердинанд Порше), но в легковых автомобилях распространена меньше. По ней построены силовые агрегаты карьерных самосвалов, некоторых автобусов и локомотивов. В последовательной схеме колёса приводит в движение электромотор, а малолитражный ДВС крутит генератор, вырабатывающий электроэнергию. Тут отсутствует необходимость в коробке передач и мощном двигателе внутреннего сгорания. Зато требуются аккумуляторы, как правило, никель-металлогидридные, большой ёмкости.

Рисунок 2.3.1 (последовательная гибридная схема)

Chevrolet Volt построен по последовательной схеме. Его ещё называют электромобилем с увеличенным запасом хода. На электротяге автомобиль делает бросок длиной 64 км. А при использовании вспомогательного турбомотора, заряжающего батареи, пробег на одной заправке может превышать 1024 км.

Самая распространённая сейчас схема — параллельная (рис.2.3.2). Она запатентована ещё в 1905 году немцем Генри Пипером.

Рисунок 2.3.2 (параллельная схема)

Ей отвечают почти все умеренные гибриды. Они оснащаются мощным электромотором (10–15 кВт), который помогает двигателю внутреннего сгорания при разгоне, а при торможении запасает рекуперативную энергию. В качестве трансмиссии, как правило, используются вариатор или планетарная передача. Умеренные гибриды не требуют ёмких батарей на борту, благодаря чему доступны по цене.

Параллельные гибриды могут быть не только умеренными, но и полными, как, например, Audi Duo (1998). Эта модель могла проехать 50 км только на электромоторе, приводящем в движение задние колёса.

Распространены также смешанные, или, как их ещё называют, последовательно-параллельные гибриды (рис.2.3.3). Классические представители этого семейства — Лексусы с индексом h - оснащённые фирменным «синергитическим» приводом HSD (Hybrid Synergy Drive).

Рисунок 2.3.3 (последовательно-параллельные гибриды)

Благодаря планетарной передаче и возникает синергия — взаимодействие двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Тут ДВС крутит колёса в паре с электромотором, одновременно вращая генератор. В традиционной коробке передач нет необходимости: электроника регулирует обороты моторов и генератора, превращая такую систему в бесступенчатую трансмиссию ECVT.

У гибридного кроссовера Lexus RX 450h за привод на задние колёса отвечает дополнительный электромотор.

2.4. Преимущества

• Экономная эксплуатация. Экономия была достигнута:

• использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма;

• работой двигателя в оптимальном режиме, его полной остановкой вместо работы на холостом ходу;

• применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок).

• Экологическая чистота - обусловлена снижением расхода углеводородного топлива - полное отключение ДВС при остановке автомобиля (в пробках), в городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80 % времени работает в режиме электромобиля.

• Улучшенные ходовые характеристики. В гибридных автомобилях в случае, когда тяговая нагрузка увеличивается, к энергии, вырабатываемой двигателю внутреннего сгорания мощности добавляется энергия, запасённая в батареях, — поэтому на них устанавливают двигатели меньшей мощности, которые при этом работают в наиболее благоприятном для себя режиме.

• Увеличение дальности пробега.

• Сохранение и повторное использование энергии. Электрическую и гидравлическую энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево. В качестве накопителя применяются аккумуляторы, гидроаккумуляторы и специальные конденсаторы.

• Обычная заправка обычным углеводородным топливом (в отличие от электромобиля).

2.5. Недостатки

• Высокая сложность. Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте.

• Подогрев салона. Высокий КПД определяет малую выработку тепла. В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива.

• Опасность для пешеходов. Согласно исследованию американского Института по оценке ущерба на дорогах гибриды представляют повышенную опасность для пешеходов по сравнению с традиционными автомобилями из-за своей бесшумности при движении на электрической тяге. В частности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше.

2.6. Внешний вид и современное применение

Гибридный автомобиль ничем внешне не отличается от своих «бензиновых» собратьев. Выпускаются различные виды, начиная от обычных городских автомобилей и заканчивая джипами-внедорожниками и спортивными моделями. При этом цена остаётся практически на том же уровне. Но всё же производители не рекомендуют джипы-внедорожники использовать в сложных геоклиматических условиях.

Разрабатывают и производят автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками. Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке.

Все более стесненные технические регламенты гонок вынуждают конструкторов гоночных машин обращать внимание на нетрадиционные методы увеличения их эффективности. Гибридная силовая установка — один из таких методов. Их применение сулит много преимуществ — лучшие характеристики торможения, возможность кратковременного увеличения мощности, что может быть использовано для обгона соперников, кроме того двигатель работает в более выгодных режимах.

Гибридные схемы часто используются в карьерных самосвалах и грузовиках, в электровозах.

Используемая литература

• Свободная энциклопедия Википедия

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гибридный автомобиль.

• Журнал Novate

http://www.novate.ru/blogs/180514/26389/

• Азбука

http://www.uazbuka.ru/models_electro_uaz.html

• Дыши свободно.ру

http://www.dishisvobodno.ru/avto_zagryaznenie.html

• Драйв

https://www.drive.ru/technic/4efb336400f11713001e4df5.html

• Электра

http://www.electra.com.ua/istoricheskie-fakty/497-istoriya-gibridnykh-avtomobilej-preimushchestva-ikh-ekspluatatsii.html

Код для цитирования: Скопировать