Тема 17 ЛЕКЦИЯ


Т.17. ДВИГУНИ ІЗ ЗОВНІШНІМ ПІДВОДОМ ТЕПЛОТИ. ІНШІ ТИПИ ДВЗ
Ключові слова та поняття
Двигун СтірлінгаАдіабатний двигунВхідна інформація
Приступаючи до вивчення даної теми, ВАМ необхідно відновити в пам’яті знання з минулих періодів навчання:
з курсу «Основи газової динаміки»: рух газів, ґрати профілів, турбомашини;
з курсу «Електротехніка»: електричні машини;
з курсу «Теоретичні основи теплотехніки»: парові двигуни, цикли і принцип роботи газотурбінних установок, теплові машини Стірлінга.
Зміст теми
§ 1. Газотурбінні двигуни§ 2. Двигуни Стірлінга§ 3. Роторно-поршневі двигуни§ 4. Адіабатні двигуни§ 5. Парові двигуни§ 6. Інерційні двигуни§ 7. Електричні двигуни§ 8. Гібридні двигуниТематичний зміст
§ 1. Газотурбінні двигуни
Бурхливий розвиток авіаційних газотурбінних двигунів у 40-х роках ХХ століття сприяв розгортанню робіт зі створення суднових, локомотивних і автомобільних двигунів. На даний час застосування ГТД в автотракторному транспорті практично обмежено великовантажними кар’єрними самоскидами і спеціальними тягачами. Крім того, вони застосовуються як привод електрогенераторів у віддалених районах будівництва.
Основні переваги ГТД:
Менша питома маса і габарити в порівнянні з ДВЗ.
Можливість використання різних рідких і газоподібних палив.
Велика потужність в одному агрегаті.
Більш сприятлива залежність крутного моменту від частоти обертання.
Кращі, ніж у ДВЗ, пускові характеристики, особливо при низьких температурах навколишнього середовища.
Значно менша токсичність відпрацьованих газів.
Остання перевага пояснюється тим, що у камерах згоряння ГТД коефіцієнт надлишку повітря складає 3–5 при гарному змішуванні палива з повітрям. Це забезпечує практично повне згоряння палива. Вважають, що ГТД виділяє шкідливих речовин у 3–4 рази менше, ніж дизель, і в 5–6 разів менше, ніж карбюраторний двигун. У відпрацьованих газах ГТД практично відсутні альдегіди.
Найпростішою схемою ГТД є одновальна схема (рис. 1, а). До основних його елементів відносяться компресор, камера згоряння і турбіна. Ступінь підвищення тиску повітря у компресорі істотно впливає на показники потужності та економічності двигуна. Відомо, що з ростом максимальної температури газу оптимальне значення pк, при який досягаються найкращі ефективні показники двигуна, підвищується. У більшості сучасних автомобільних ГТД застосовується одноступінчастий відцентровий компресор, у якого ступінь наддуву pк складає 4–5. Деякі двигуни мають більш високі значення pк (до 16), що забезпечуються в осевідцентровому або двоступінчастому відцентровому компресорі.
При пуску двигуна за допомогою електростартера частота обертання вала компресора збільшується до пускової частоти, і паливо, що впорскується у камеру згоряння, загоряється від однієї чи декількох електричних свіч. Після пуску двигуна свічі виключаються, але у камері згоряння продовжується безупинне стійке горіння.
У зону горіння подається не все повітря, що надходить з компресора, а тільки частина його (первинне повітря), що забезпечує згоряння палива при коефіцієнті надлишку повітря a = 1,0–1,5. Температура газу у цій зоні досягає 2000 К та вище. При такій температурі через недостатню жароміцність лопаток турбіна стає непрацездатною. Тому у жарову трубу за зоною горіння приходиться додатково подавати надлишкове (вторинне) повітря. Після змішення продуктів згоряння з вторинним повітрям температура газу на виході з камери згоряння знижується до Т3, при якій забезпечується нормальна робота турбіни. З урахуванням вторинного повітря коефіцієнт надлишку повітря складає 3,5–4.
У ГТД величина Т3 не перевищує 1300–1350 К. Для підвищення Т3, від якої значно залежать питомі енергетичні та економічні показники двигуна, застосовують охолодження лопаток повітрям, що відбирається від компресора. Однак у двигунах невисокої потужності і малих розмірів цей спосіб не застосовується через труднощі охолодження лопаток малої довжини.
При розширенні у турбіні газ виконує роботу, частина якої витрачається на привод компресора, а інша частина (ефективна робота) використовується споживачем.
В одновальному ГТД унаслідок твердого зв’язку турбіни з компресором зі зниженням частоти обертання вала при зростанні зовнішнього навантаження зменшується кількість повітря, що надходить у камеру згоряння. Тому, щоб запобігти перевищенню максимально припустимої температури Т3, необхідно зменшувати подачу палива. У результаті цього крутний момент двигуна знижується. Така зміна крутного моменту за частотою обертання принципово непридатна для транспортної машини зі ступінчастою механічною трансмісією. Одновальний ГТД у транспортних машинах можна використовувати з безступінчастою механічною, електричною або гідрооб’ємною трансмісіями з гідромуфтою.
У двовальному ГТД (рис. 1, б) газ після камери згоряння послідовно розширюється спочатку у турбіні привода компресора, а потім у силовій турбіні. Компресор і його турбіна, що з’єднані валом, утворюють турбокомпресор. Уся робота, що створена у турбіні, затрачається на привод компресора і частини агрегатів, які установлені на двигуні.
У двигуні з вільною силовою турбіною зі зростанням зовнішнього навантаження частота обертання турбокомпресора залишається практично незмінною, а частота обертання силової турбіни зменшується. Крутний момент при цьому зростає приблизно лінійно, досягаючи максимального значення при цілком зупиненій силовій турбіні. Відношення максимального крутного моменту до моменту при максимальній частоті обертання силової турбіни (тобто коефіцієнт пристосовності за крутним моментом ГТД) дорівнює 2,5–3,0.
Рис. 1. Схема одновального (а) і двовального (б) ГТД: 1 — компресор; 2 — камера згоряння; 3 — турбіна; 4 — компресорна турбіна; 5 — силова турбіна; 6 — вихідний вал; 7 — подача повітря; 8 — подача палива; 9 — вихід відпрацьованих газів
Турбіна компресора може бути як осьовою, так і доцентровою, а силова турбіна — осьовою. Майже у всіх сучасних ГТД силова турбіна виконується з регульованим сопловим апаратом (РСА), тобто з поворотними лопатками соплового апарата (рис. 17.2).
Одним з ефективних шляхів підвищення економічності ГТД є застосування теплообмінника, у якому вихідні із силової турбіни гази підігрівають повітря, що надходить з компресора (регенерація тепла). Однак у сучасних ГТД із високими значеннями pк регенерація принципово неможлива.
До недоліків, що стримують застосування ГТД, варто віднести меншу економічність, особливо на часткових режимах навантаження, великий шум, погана динамічність розгону, більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ. В міру удосконалювання ГТД ці недоліки зменшуються та область застосування двигунів буде розширюватися.
Рис. 2. Газотурбінний двигун: 1 — фільтр і глушник; 2 — радіальний компресор; 3 — камера згоряння; 4 — теплообмінник; 5 — випускне вікно; 6 — шестеренний редуктор; 7 — силова турбіна; 8 — регульовані напрямні лопатки турбіни; 9 — компресорна турбіна; 10 — пусковий пристрій; 11 — допоміжне обладнання приводу; 12 — масляний насос системи змащення
§ 2. Двигуни Стірлінга
Двигун Стірлінга — теплова машина, що працює за замкнутим термодинамічним циклом, у якому ізотермічні процеси стиску і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а керування переносом робочого тіла у робочих порожнинах здійснюється шляхом зміни його об`єму (патент шотландського пастора Роберта Стірлінга (1790-1878 рр.) 1816 року № 4081 на "машину, що виробляє рушійну силу за допомогою нагрітого повітря". У 1827 і 1840 р. він одержав ще два патенти (№№ 5456 і 8652) на удосконалені варіанти своєї машини, а у 1845 р. на ливарному заводі у Данді було запущено першу машину Стірлінга потужністю 50 індикаторних кінських сил). Цикл Стірлінга значно більшою мірою, ніж цикли ДВЗ та ГТД, наближений до ідеального циклу теплової машини — циклу Карно. Важливою їхньою особливістю є глибока регенерація теплоти, що дозволила створити реальні двигуни різного призначення.
Основною перевагою двигунів є високий ККД, який для дослідних екземплярів двигунів Стірлінга досягає ККД кращих дизелів. Як робоче тіло у циклі використовують гази, що мають високі значення теплоємності і теплопровідності (водень, гелій і ін.). Найбільш ефективним є водень, однак його застосування стримується дифузією водню в металах при високих температурах і тиску, тому частіше використовується гелій. Можливе застосування повітря як найбільш дешевого робочого тіла, хоча і з трохи меншими значеннями ККД.
Інтерес до двигунів безупинно зростає в зв’язку з низьким забрудненням навколишнього середовища цими двигунами. Двигун Стірлінга працює практично на будь-яких видах палива і від будь-яких джерел теплоти. При спалюванні органічних палив процес згоряння в двигуні вдається організувати з набагато більшою повнотою, ніж у ДВЗ і ГТД. Тому навіть при використанні традиційних для транспорту нафтопродуктів шкідливих викидів в атмосферу набагато менше, ніж у ДВЗ. Іншою важливою перевагою двигунів Стірлінга варто вважати низький рівень шуму при роботі внаслідок повної зрівноваженості механізму і відсутності вихлопу газів під тиском. До переваг можна віднести зростання крутного моменту зі зменшенням частоти обертання, простоту пуску, що дуже важливо для автомобілів.
Усі розроблені на сьогодні конструкції двигуна Стірлінга можна підрозділити на три модифікації:
альфа-модифікація. Ця група включає V-подібні двигуни. Робочий об’єм розподілений між двома циліндрами, в одному з яких перебуває гаряча порожнина, а в іншому — холодна. У двигуні є регенератор, що розташований між циліндрами;
бета-модифікація. У цьому типі двигунів є тільки один циліндр. Зміна об’єму гарячої порожнини здійснюється за допомогою витиснювального поршня. Зміна об’єму холодної порожнини відбувається за допомогою руху як витиснювального поршня, так і робочого поршня. Ходи цих поршнів перекриваються;
гамма-модифікація. Тут, так само як й у бета-модифікаціях, є і робочий поршень, і витиснювальний. Однак вони перебувають в окремих циліндрах. Холодна порожнина розділена на два циліндри, і, отже, її мінімальний об’єм завжди позитивний.
Спочатку двигун Стірлінга був створений за схемою з розширенням і стиском у тому самому циліндрі (β-модифікація). На цьому двигуні ефективний ККД удалося довести до 39%. Число сучасних конструкцій двигунів є достатньо великим, однак найбільш поширені багатоциліндрові (4–9 циліндрів) двигуни з ромбічним механізмом приводу, а також подвійної дії, тобто β-модифікація (рис. 3). Випробувалися також двигуни з похилою (косою) шайбою і деякі інші.
Найбільший інтерес до двигунів Стірлінга спостерігався в останній чверті минулого століття. Тоді майже всіма провідними компаніями-виробниками автомобілів проводилися широкомасштабні дослідження, пов’язані з оцінкою можливості заміни двигунів внутрішнього згоряння двигуном Стірлінга. Було пророблено великий обсяг науково-дослідних робіт із цих двигунів. Були розроблені і випробувані різні конструкції двигуна: одноциліндрові і багатоциліндрові витиснювального типу зі звичайним кривошипно-шатунним і ромбічним механізмом, багатоциліндрові подвійної дії з похилою шайбою, вільно-поршневі з різними приводами. Фірма Daimler-Benz одержала патент на схему роторного двигуна, що працює за циклом Стірлінга.
Але, незважаючи на те, що були створені двигуни потужністю від 6 до 900 к.с., що мають ефективний ККД від 26 до 43 %, і малі двигуни потужністю 0,014–0,4 к.с. з ККД від 7,9 до 14 %, широкомасштабне серійне виробництво так і не почалося.
У США дослідницька експлуатація двигунів Стірлінга здійснювалася на легкових автомобілях, автобусах, катерах, потужність складала 30–125 кВт. Двигуни зарекомендували себе як дуже економічні, зручні в експлуатації. Випробувалися також системи з тепловими акумуляторами. До недоліків двигунів Стірлінга, що стримують їхнє поширення, відносять більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ, однак у міру вдосконалювання конструкцій і технології виробництва варто очікувати зниження вартості. Боротьба за чистоту навколишнього середовища, особливо у великих містах, безсумнівно підсилить тенденцію до більшого поширення цих двигунів на транспорті, у першу чергу автомобільному.
Рис. 3. Схема роботи двигуна Стірлінга (β-модифікація): 1 — робочий поршень; 2 — витиснювальний поршень; 3 — «холодна» зона; 4 — «гаряча» зона; 5 — теплообмінник; 6 — регенератор; 7 — нагрівач
§ 3. Роторно-поршневі двигуни
Рис.4. Роторно-поршневий ДВЗ (MazdaRenesis, кращий двигун 2003 р.)
У роторних (роторно-поршневих) двигунах (рис. 4) усунено зворотно-поступальний рух поршнів, однак, на відміну від турбін, зберігається циклічність термодинамічних процесів. Ротор, що має складну форму, разом з корпусом утворює замкнуті порожнини, об`єм яких у часі змінюється аналогічно зміні робочих об`ємів у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок відсутності поступально рухомих мас є можливість значно збільшити число обертів цих двигунів і, отже, підвищити потужність з одиниці робочого об`єму циліндра. Ці двигуни при збереженні приблизно однакової економічності значно компактніше за звичайні поршневі. Головною перешкодою для їхнього широкого поширення є труднощі створення надійного ущільнення камер згоряння. Принцип обертового поршня відомий з XVI століття, однак про серйозне конструктивне рішення можна говорити тільки з моменту появи двигуна Ф.Ванкеля (Німеччина) у 1957 р.
У роторно-поршневому двигуні (РПД) ротор («дельтроїд»), що має форму трикутника, зі сторонами, описаними дугами, обертається вільно на підшипниках на ексцентриковому валу, що у той же час є валом відбору потужності (рис. 5). При обертанні вала центр трикутного ротора рухається по окружності. Одночасно шестірня внутрішнього зачеплення, скріплена з ротором і розташована на одній з ним осі, обкатується навколо нерухомої шестірні, установленої на корпусі двигуна (рис. 6). За три обороти ексцентрикового вала ротор повертається на один оборот. За цей час відбувається три робочі цикли у порожнинах роторно-поршневого двигуна. Таким чином, у цьому двигуні за кожний оборот ексцентрикового вала відбувається один робочий хід.

Рис. 5. Схема роботи роторно-поршневого ДВЗ: а, б, в — порожнини .
Рис. 6. Шестерні обертання ротора.
У вершинах трикутного ротора встановлені ущільнення, що розділяють порожнини (рис. 7). Крім того, маються торцеві ущільнення. У торцевій стінці корпуса розташовані впускне і випускне вікна, а також свічі запалювання. Корпус, як і у поршневих двигунах, необхідно охолоджувати. В існуючих конструкціях в основному застосовується рідинне охолодження. Ротор двигуна при роботі сильно нагрівається, тому його звичайно охолоджують циркулюючим маслом.
Рис.7. Секція роторно-поршневого двигуна
Роторно-поршневі двигуни зазвичай виготовляють бензиновими з запалюванням від електричної іскри, тому що створення дизельного варіанта утрудняється через невигідну форму камери згоряння і неможливість одержання високих ступенів стиску. Розподіл палива по такій камері згоряння за допомогою паливовпорскувальної апаратури практично важко здійснити. У випадку зовнішнього сумішоутворення рівномірність заповнення камери згоряння пальною сумішшю набагато краще. Для збільшення потужності кількість секцій збільшується до 2–4.
РПД мають менші габаритні розміри і масу, ніж рівні за потужністю звичайні поршневі двигуни, більш низьку вартість виготовлення і меншу гучність роботи внаслідок відсутності клапанних і кривошипно-шатунних механізмів, кращу зрівноваженість. Однак термін служби ущільнень ротора недостатній у порівнянні з терміном служби поршневих кілець звичайного двигуна. Система сумішоутворення і запалювання принципових відмінностей не має.
Умови роботи деталей ущільнення значно важче, ніж поршневих кілець звичайних двигунів, тому що пластина ущільнення безупинно притиснута до однієї сторони канавки ротора, що викликає її швидке пригоряння. Зміна кута нахилу торцевої поверхні до епітрохоїдної поверхні приводить до значного стирання пластини і погіршення ущільнення через утворення клиноподібного зазору між поверхнями пластини і корпуса. Весь перепад тиску між камерою згоряння і порожниною, у якій здійснюється стиск, сприймається одним ущільненням, а не декількома кільцями, як у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок цього виток газу з порожнини, де відбувається згоряння, відносно більший, ніж у звичайному двигуні.
При роботі РПД спостерігаються теплові деформації корпуса двигуна внаслідок нерівномірного нагрівання. Та частина стінки корпуса, що знаходиться за свічею запалювання (якщо дивитися в напрямку обертання ротора) і обмежує камеру згоряння, нагрівається значно сильніше інших стінок, що приводить до перекручування епітрохоїдної поверхні, погіршення умов ущільнення порожнин роторного двигуна і значного збільшення зносу робочих поверхонь.
Питома витрата палива роторно-поршневого двигуна трохи вище, ніж у сучасних поршневих двигунів, і складає приблизно 300–350 г/(кВт·год).
У випускних газах роторно-поршневих двигунів міститься підвищена кількість оксиду вуглецю (внаслідок фіксації продуктів неповного горіння поблизу холодних стінок ротора і корпуса двигуна), що не задовольняє нормам зі вмісту токсичних речовин. Унаслідок цього в сучасних роторно-поршневих двигунах застосовують каталітичні нейтралізатори чи допалювачі продуктів неповного горіння. Застосування нейтралізаторів здорожує силову установку і знижує її економічність.
На даний час єдиним світовим автовиробником, який масово випускає транспорт з РПД, є фірма Mazda. У 2006 році ними була розроблена навіть модель двигуна, що працювала на водні.
§ 4. Адіабатні двигуни
Досить перспективним напрямом розвитку двигунів у майбутньому є застосування дизелів з обмеженим відведенням теплоти в охолодне середовище, тобто наближення процесів, що відбуваються в камерах згоряння, до адіабатних — так званих “адіабатних дизелів». Назва обумовлена прагненням конструкторів знизити теплопередачу через стінки і головки циліндрів шляхом застосування матеріалів з низькими коефіцієнтами теплопровідності (кераміка, двоокис цирконію, окис титану). У цьому випадку процеси в циліндрі наближаються до адіабатних, підвищується температура вихлопних газів двигуна, що дозволить більш ефективно використовувати їхню енергію (наприклад, для роботи газової турбіни). Такий двигун може працювати без спеціальної системи охолодження, що дає додатковий приріст енергетичних показників, поліпшення економічності та зменшення маси і габаритів дизеля, хоча в цьому випадку істотно ускладнюється змащення деталей, що працюють при високих температурах. Розробка адіабатних двигунів (17.2) — складна науково-технічна проблема, над рішенням якої в даний час активно працюють дослідники.
У цьому напрямку певних успіхів досягла японська фірма Hino, створивши турбокомпаундний адіабатний дизель з рекуперацією (зворотним одержанням) енергії у силовій турбіні. Головка поршня, верхня частина рубашки охолодження, випускні трубопроводи виготовлені з керамічних матеріалів. Питома витрата палива цього двигуна становить 167 г/(кВт×год), з ефективним ККД приблизно 0,50.
Фірмою Cummins (США) розроблено адіабатний двигун з рекуперацією енергії у силовій турбіні, яка працює на ВГ.
Теоретичні і експериментальні дослідження токсичності адіабатних дизелів показали, що має місце зменшення викидів CO і СmНn та димності відпрацьованих газів, хоча кількість NOx дещо збільшується. Проте, їх можна зменшити до рівня викидів звичайних дизелів зменшенням кута випередження впорскування.
На цей час недоліком адіабатних двигунів є їх малий строк служби, що пов’язано з недосконалістю керамічних матеріалів.
 5. Парові двигуни
Парові двигуни широко використовувалися на перших автомобілях, однак через ряд недоліків (великі маса і габарити, складності пуску, велика витрата води) їх повністю замінили поршневі ДВЗ.
Останнім часом інтерес до парових двигунів як альтернативи поршневим ДВЗ відновився. Це обумовлено успіхами котлобудування — розроблено плоскі і однотрубні котли з малою кількістю робочої рідини, що забезпечує зменшення маси і габаритів двигунів, легкий і надійний запуск, а також зменшення небезпеки вибуху котла. Пробіг до дозаправлення водою для сучасних двигунів складає 500 км. Паливна економічність парових двигунів дещо гірша за поршневі бензинові ДВЗ, але крива протікання крутного моменту більш сприятлива. Токсичність ВГ набагато краща за поршневі ДВЗ.
Одним з варіантів є використання парового двигуна як допоміжного при поршневому ДВЗ. У експериментальній стендовій установці BMW Turbosteamer («турбопаровик») парова турбіна, що використовує теплоту відпрацьованих газів та охолодної рідини, є допоміжною для бензинового мотора (4 циліндри, 1,8 л). Силова установка автомобіля, крім ДВЗ з системою випуску, містить у собі пару парогенераторів, два пароперегрівники і дві парові турбіни, з’єднані з колінчастим валом ремінним приводом. Система утилізує тепло ВГ, дозволяючи одночасно знизити на 15% витрату палива та одержати збільшення і потужності (на 10 кВт), і крутного моменту (на 20 Н·м). «Паротурбінна» система досить компактна та уміщується у стандартний кузов BMW третьої серії, але інженери планують зробити її ще менше і простіше. Очікується, що до серійного виробництва комплекс Turbosteamer буде готовим у 2016 році.
Рис. 8. Установка BMW Turbosteamer: 1 — радіатор/низькотемпературний конденсатор, 2 — насос, 3 — парогенератор, 4 — парогенератор/високотемпературний конденсатор, 5 — теплообмінник, 6 — парогенератор/низькотемпературний теплообмінник, 7 — турбіна низького тиску, 8 — турбіна високого тиску
Рис. 9. Розподіл температур у випускній системі установки BMW Turbosteamer (від 60 до 800 градусів). Зеленим кольором показана пара.
§ 6. Інерційні двигуни
Інерційні двигуни являють собою акумулятори механічної енергії, найчастіше це — «супермаховики». Теоретично силові агрегати з супермаховиками при розробці досконалих опор можуть забезпечувати достатній пробіг, але мала кількість дослідних даних обмежують їх широке розповсюдження. Такі двигуни вимагають розробки принципово іншої трансмісії.
§ 7. Електричні двигуни
Перші транспортні засоби з електричною тягою були побудовані у середині ХІХ століття. Широке застосування електричних двигунів обмежується недостатнім рівнем розвитку джерел електроенергії, які б забезпечували достатній пробіг. Іншою проблемою є відсутність відповідної інфраструктури — мережі зарядних станцій і т.п.
Ці проблеми — надзвичайної складності. Особливо перша. Багато фахівців (електрики, хіміки, матеріалознавці) все минуле століття працювали над створенням електричних акумуляторів великої ємності, але так і не зуміли одержати прийнятні для автомобілебудівників та інших споживачів результати по запасу ходу електромобіля, оскільки жоден з акумуляторів за питомою енергоємністю не зміг конкурувати ні з рідким, ні навіть із газовим паливом. Інакше кажучи, при переході від ДВЗ на батареї електричних акумуляторів доводиться жертвувати або вантажопідйомністю, або запасом ходу автомобіля. Так, фахівці ВАЗа, дослідивши всі серійні і дослідні типи батарей, прийшли до виводу, що для автомобілів масового випуску свинцево-кислотні акумулятори не підходять: їхня питома енергоємність не перевищує 35 Вт/кг. Трохи краще нікель-кадмієві і нікель-металгідридні акумулятори: їхня питома енергоємність удвічі вища. Але і тут доводиться шукати компроміс між вантажопідйомністю і запасом ходу електромобіля. Перспективними вважаються срібно-цинкові акумулятори, однак вартість їх в декілька разів вища свинцевих. Розробка хлорно-літієвих і сірчано-натрієвих акумуляторів знаходиться на стадії експериментальних досліджень.
Незважаючи на те, що роботи з електромобілів у багатьох країнах одержали державну (у тому числі фінансову) і суспільну підтримку (за результатами опитування, у Європі вже сьогодні 1,3% споживачів (200 тис. чол.), готові стати власниками електромобілів, і навіть діє «Асоціація європейських міст, зацікавлених у використанні електромобілів»), а розробкою електромобілів займаються практично всі автомобілебудівні фірми, даний транспорт залишається скоріше спеціальним, ніж масовим: його застосовують в аеропортах, на атомних станціях, територіях морських портів, виставок тощо. Спроби організувати великомасштабне виробництво поки малоуспішні.
Наприклад, у Франції у 1998 р. експлуатувалося кілька тисяч цих транспортних засобів і передбачалося, що їхній парк уже в першому десятилітті нинішнього століття досягне 700 тис. од. Однак у 2006 р. парк залишався на рівні того ж 1998 р.
Американська фірма General Motors наприкінці 1990-х років випустив серійний «EV-1», пробіг якого без підзарядки батарей становить 150 км. Його максимальна швидкість — 150 км/год, а час розгону з місця до швидкості 100 км/год — 10 с. Кілька сотень таких електромобілів було передано каліфорнійським водіям в оренду строком на п’ять років. Однак справа тим і закінчилася: покупців на EV-1 не найшлося, оскільки його ціна у 5 разів вище за ціну аналога з бензиновим ДВЗ, і концерн у 2004 р. припинив програму.
Ford оголосив про створення електромобіля Ecostar і веде його випробування у Каліфорнії, оскільки губернатор даного штату — ентузіаст електромобілебудування.
У Росії проблемою електромобілів займається ВАЗ. Вже створено фургон ВАЗ-2801, вантажні ВАЗ-2301 і ВАЗ-2313, прогулянковий ВАЗ-1801, легкові ВАЗ-1111Э и ВАЗ-2109Э. Причому усі вони мають непогані експлуатаційні показники. Наприклад, у ВАЗ-1111Э (2+2 чол., багажник місткістю 90 дм3) запас ходу при швидкості 40 км/год — 130 км, у міському режимі — 100 км; максимальна швидкість — 90 км/год; час розгону до швидкості 30 км/год — 4 с, а до 60 км/год — 14 с; максимальний подоланий підйом — 30 %. Всі перераховані показники забезпечує електродвигун постійного струму з незалежним збудженням, що розвиває потужність до 25 кВт і максимальний крутний момент до 108 Н·м. Діапазон частот обертання його вала — 2200–6700 хв-1. Працює він від нікель-кадмієвої акумуляторної батареї, запас енергії якої становить 12 кВт·год, маса — 315 кг. Система керування силовим приводом — тиристорна, здатна забезпечити плавний розгін електромобіля, стійку сталу швидкість його руху, а також рекуперацію електричної енергії під час гальмування двигуном. Крутний момент від електродвигуна передається на колеса електромобіля через одноступінчастий редуктор, косозубу передачу зовнішнього зачеплення і циліндричну головну передачу, які розміщені у загальному картері. Інші системи ті ж, що і в автомобіля ВАЗ-1111.
Перспективним вважаються джерела струму у вигляді електрохімічних генераторів (ЕХГ) або, як їх часто називають, паливних елементів (рис. 10). У паливному елементів струм утворюється при подаванні на анод водню, а на катод — кисню при участі каталізаторів.
Рис. 10. Схема електромобіля з паливними елементами (а) і схема енергоустановки (б): 1 — пускова батарея; 2 — блок керування; 3 — балони з воднем; 4 — балони з киснем; 5 — електрохімічний генератор; 6 — електромотор
У середині 1990-х років завод АЗЛК на базі автомобіля АЗЛК-2141 розробив електромобіль «Москвич-2141Е1» з такими технічними даними: ємність акумуляторів — 125 А·год, напруга джерела струму — 108 В, номінальна потужність тягового електродвигуна — 19 кВт, пікова — 30 кВт, час розгону до швидкості 60 км/год — 14,4 с, максимальна швидкість — 110 км/год, запас ходу при швидкості 50 км/год та одним пасажиром — 100 км, при тій же швидкості, але з повним навантаженням — 80 км. Економічні витрати на 100 км пробігу, за твердженням розробників, виявилися в 10 разів менше, ніж в аналога із ДВЗ.
Наведені приклади говорять про те, що жодна автомобілебудівна фірма, за великим рахунком, серйозно до електромобіля не ставиться: конструктори поки ознайомлюються із проблемою на власному досвіді. Проте ясно, що електромобілі, при всіх перевагах, мають і ряд недоліків, які ще не дозволяють їм стати масовим транспортом. Основні із цих недоліків: величезні витрати на кольорові і рідкі метали, відсутність налагодженого виробництва потужних тягових акумуляторів і мережі зарядних станцій, труднощі з утилізацією батарей, що відпрацювали строк, дуже маленький запас ходу на одній зарядці тощо.
§ 8. Гібридні двигуни
Рис.11. Toyota Prius з гібридною силовою установкою: 1 — поршневий ДВЗ; 2 — блок перетворювачів енергії; 3 — електромотор
Виходячи з проблем, що властиві електродвигунам, прийнятним рішенням є симбіоз електродвигуна і поршневого ДВЗ — комбінована (гібридна) енергетична установка (КЕУ), де як основне джерело енергії використовується ДВЗ, а в якості пікового її джерела — тягова електрохімічна батарея (ТЕБ) або накопичувач (батарея електричних конденсаторів, надкомпактний маховик тощо).
Цей напрямок одержав останнім часом досить бурхливий розвиток і поступово завойовує автомобільний ринок. Достатньо сказати, що автомобіль Toyota Prius (рис. 11) з гібридною силовою установкою HSD, Hybrid Synergy Drive (перша назва THS, Toyota Hybrid System) випускається і продається сотнями тисяч одиниць. Більше того, фірма почала випуск нових варіантів автомобілів з КЕУ, у тому числі Toyota Prius2, Camry і Highlander Hybrid, і має наміри у найближчі 10 років 25 % автомобілів, що випускають, оснастити КЕУ.
Так, на Нью-Йоркському автосалоні 2005 р. фірма Lexus (дочірня фірма концерну Toyota) продемонструвала гібрид GST-450h з такою ж системою HSD. Він на 4–5 тис. доларів США дорожче аналогів без КЕУ. Ще раніше фірма освоїла виробництво моделі PX-400h з колісною формулою 4×4 і двома синхронними електромоторами (рис. 12) змінного струму: передній потужністю 123 кВт; задній потужністю 50 кВт.
ПИТАННЯ 1 Подумайте та знайдіть відповідність між схемами, що зображені на рис. 12 та підписами до них.

Рис. 12. Варіанти роботи ДВЗ і двох електромоторів Lexus PX-400h в залежності від режиму:
лише обидва електромотори (невелика частота);
ДВЗ та обидва електромотори (розгін);
ДВЗ та передній електромотор (рух за містом, зарядження акумуляторної батареї);
лише ДВЗ (при повному розрядженні батареї); рекуперативне гальмування (швидке зарядження батареї);
зарядження батареї на стоянці
Рис.13. Силова установка Honda Civic Hybrid.Красним кольором виділено електромотор-стартер-генератор
Успіхи інших закордонних фірм у даній області скромніші.
Ford випускає Escar Hybrid та Mercury Mariner Hybrid-2006.
Honda випускає Civic Hybrid, у якого електромотор (рис. 13) встановлений на місті маховика і виконує, крім того, роль стартера і генератора.
Фірма BMW уже створила дослідну КЕУ, ДВЗ якої працює на водні, а також дооснастила свій позашляховик Х5 з ДВЗ об’ємом 4,4 л співвісним електромотором і батареєю суперконденсаторів (рис. 14). Тобто, фахівці BMW у КЕУ замість тягового акумулятора застосували конденсатори, оскільки вважають, що робота електродвигуна від тягової батареї нераціональна: для Х5 потрібні лише короткі імпульси енергії (струму), що забезпечують його рушання з місця і розгін. Крім того, батарея необхідна для рекуперації кінетичної енергії при гальмуванні і роботі системи стоп-старт. Така схема заощаджує до 15 % палива і набагато простіше і дешевше звичайних КЕУ. Звичайно, на повну роботу суперконденсатор здатний лише протягом 10–20 с, але більше для рушання автомобіля з місця і його розгін не потрібно.
За схожою схемою працює гібрид BMW Х5 (рис. 15). Питома енергоємність конденсаторів — 15 кВт/кг.
Рис. 14. BMW Х5 з КЕУ: А — ДВЗ; В — перетворювач; С — електромотор; D — коробка передач; Е — блок керування; F — батарея конденсаторів
Рис. 15. Концепт BMW Х3 з КЕУ: 1 — перетворювач; 2 — ДВЗ; 3 — електромотор; 4 — коробка передач; 5 — акумуляторна батарея; 6 — батарея конденсаторів
КЕУ розроблюють і у країнах СНД. Причому почали займатися ними набагато раніше, ніж за кордоном.
Відразу після закінчення Другої світової війни, у 1945 р. на заводі ЗиЛ (тоді ЗИС) розробили, а у період 1947–1949 р. випускали електродизельний автобус ЗИС-154. Комбінована силова установка даного автобуса являла собою сполучення дизеля ЯАЗ-204, електрогенератора і тягового електродвигуна. Трохи пізніше, наприкінці 1970-х — на початку 1980-х років, фахівці НАМИ розробили КЕУ послідовної схеми для автобусів ЛАЗ, ДВЗ яких не мав кінематичного зв’язку з ведучими колесами автобуса, тобто енергія, що вироблюється ним, через електрогенератор передавалася на електропривод цих коліс. До складу КЕУ входили дизель Perkins потужністю 70 кВт, який в основному експлуатаційному режимі працював з постійною частотою обертання колінчастого вала, близькою до найбільш вигідної з погляду витрати палива і вмісту шкідливих речовин у ВГ, авіаційна батарея НКБН-25 нікель-кадмієвих акумуляторів масою 120 кг, електрогенератор і тяговий електродвигун. Автобуси ЛАЗ з даною КЕУ пройшли випробування, показавши гарні результати. Зокрема, їхня витрата палива знизилася, у порівнянні із серійними аналогами без КЕУ, на 25%. Однак у серію вони не пішли, — Мінавтопром припинив фінансування робіт. Так само, як і близьких до завершення робіт зі створення КЕУ для автомобілів ЕрАЗ і РАФ.
Критерії засвоєння
У результаті вивчення даної теми Ви повинні РОЗУМІТИ:
розробка силових установок, що є альтернативними поршневим ДВЗ, здійснюється у багатьох напрямках;
основними цілями розробок є підвищення екологічних та економічних показників, а також можливість роботи на паливах не нафтового походження;
жодна з розробок досі не наблизилася за масовістю до поршневих ДВЗ.
 
У результаті вивчення даної теми Ви повинні ЗНАТИ:
типи конструкцій газотурбінних двигунів;
типи конструкцій двигунів Стірлінга;
конструкцію роторно-поршневого двигуна Ванкеля;
особливості адіабатних двигунів;
напрямки розвитку парових двигунів на транспорті;
принцип дії інерційних двигунів;
напрямки розвитку електричних двигунів на транспорті;
напрямки розвитку гібридних двигунів на транспорті.
 
Ваші знання повинні забезпечувати наступні УМІННЯ:
орієнтуватися у напрямках розвитку альтернативних видів силових установок.

Приложенные файлы

  • docx 26579143
    Размер файла: 356 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий