ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА


ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Общие понятия энергетики и энергии
Общее понятие энергетики. Энергетика — это область деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. В системном плане энергетика представляет собой совокупность подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Назначение энергетики состоит в том, чтобы обеспечить производство энергии путем преобразования первичной энергии (например, химической, содержащейся в нефти) во вторичную (допустим, электрическую энергию) и эффективное использование ее конечным потребителем (к примеру, троллейбусом).
Производство и потребление энергии проходят следующие стадии:
получение и концентрация энергетических ресурсов — нефти, угля;
передача сырья к преобразующим установкам (нефти — на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), угля — на теплоэлектростанцию (ТЭС));
преобразование первичной энергии сырья во вторичную с новым носителем (в топливо — на НПЗ, электрическую энергию — на ТЭС);
передача вторичной энергии потребителям (топлива — автомобилям, электроэнергии — троллейбусам, в отопительные и осветительные системы);
потребление доставленной энергии (автомобилем — для совершения транспортной работы, отопительными системами — для обогрева помещений).
Теоретическую основу энергетики составляет ряд научных дисциплин: термо-и газодинамика, тепло- и электротехника, гидромеханика и др.
Базовые понятия энергетики включают в себя энергию, ее виды и формы; энергоносители и топливо; измерители энергии и системы единиц; основные законы и методы преобразования энергии, типы преобразователей; способы передачи и аккумулирования энергии. Только при знании всех этих элементов в их взаимосвязи можно составить системное представление об энергетике в целом и возможностях эффективного функционирования ее подобласти — транспортной энергетики, связанной с осуществлением перевозок.
Энергия, работа, единицы измерения. Термин «энергия» происходит от греческого словаenergeia — действие. Энергия пронизывает и объединяет многие процессы, является универсальной количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия — скалярная характеристика движения материи и работы, совершаемой материальными телами. Работа производится под действием силы. Сила возникает при наличии полей, окружающих тела. Каждой форме движения материи соответствует свой вид энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная (атомная) и др.
Сумма всех видов энергии в объекте составляет полную энергию E, которая связана с его массойm и скоростью светас законом Эйнштейна:E =mc2. Массе 1 г соответствует энергия 1014Дж. Превращение внутренней энергии тела в ее внешние формы называютосвобождением энергии. При химических реакциях освобождается 5 · 10-9% общего запаса энергии тела, при ядерных — 0,09 %, термоядерных — 0,65 %, а при аннигиляции элементарных частиц — 100 % [13].
Энергия может превращаться из одного вида в другой. При этом полная энергия изолированной системы в соответствии с законом сохранения энергии остается неизменной. Из данного закона вытекает другой общий закон: запас энергии тела (системы), совершающего работу, уменьшается, а запас энергии тела при приложении к нему внешней силы, производящей работу, увеличивается.
Полная энергия тела (системы) состоит из кинетической энергии движения тела,потенциальной энергии, обусловленной наличием силовых полей, ивнутренней энергии.Механическая кинетическая энергия присуща движущимся предметам, амеханическая потенциальная энергия — объектам, расположенным выше уровня базовой поверхности.
Тепловой энергией обладают нагретые предметы.Химическая энергия содержится в топливе и пище.Электрическая энергия генерируется в основном на электростанциях.Лучистая энергия (энергия электромагнитного излучения) в формесолнечной энергии служит для Земли источником теплоты и света.Ядерная энергия является разновидностью потенциальной энергии, связанной с наличием внутриядерных силовых полей.
Энергию содержат в себе и переносят ее физические носители (табл. 1.1) [13].
Таблица 1.1
Виды энергии и ее физические носители

С энергией связана способность совершать работу; она обеспечивает функционирование промышленности, транспорта и других отраслей хозяйства.
Наиболее широко используется электрическая энергия, вырабатываемая в основном ТЭС, атомными (АЭС) и гидроэлектростанциями (ГЭС), а также получаемая из других источников. На транспорте значительна доля тепловой энергии.
Энергия, обеспечивающая конечные производственные процессы — электрофизические, механические, тепловые, освещение, передачу информации, представляет собой конечную энергию.
Энергия, которая содержится в энергоносителях и обеспечивает работу конечных энергетических установок, называется подведенной.
Коэффициент полезного действия hхарактеризует степень совершенства устройства, осуществляющего передачу или преобразование энергии. Он равен отношению полезной энергииEполили мощностиNполсоответственно к подводимой энергииE или мощностиN:
h=Eпол/E =Nпол/N.
Чем выше КПД устройства, тем больше подводимой энергии используется им или преобразуется. Смена поколений машин и преобразователей энергии всегда сопровождалась повышением КПД. Паровые машины в первой половине XIX в. имели КПД 5…7 %. КПД энергоустановки паровоза был повышен до 10 %, а тепловоза — до 28 %. У современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) КПД не превышает 35 %, а у паровых и газовых турбин — 40 % [12, 13].
Единицей измерения энергии в Международной системе единиц СИ является джоуль (1 Дж = 1 Н • м). „
В тепловых расчетах применяют калорию (1 кал = 4,1868 Дж).
В производстве и быту пользуются единицей, называемой киловатт-часом (1кВт • ч = 3,6 • 106Дж = 860 076 кал).
Для оценки запасов источников энергии в качестве ее единицы часто применяется тонна условного топлива — угля (т у. т.). При полном сгорании 1 т у. т. выделяется энергия
7 • 103ккал.
1.2. Виды и формы энергии
Механическая энергия. Механическая энергия характеризует движение и взаимодействие тел в пространстве и времени. Этот вид энергии, лежащий в основе действия механических устройств, изучается теоретической и технической механикой. Поскольку механическая энергия является конечным видом энергии для транспорта, вспомним основные положения механики [12].
Работа силы и момента силы. Механическая энергия вводится с использованием понятий работы силы и работы момента силы. Элементарной работой силы dL на элементарной длине путиdsназывается скалярное произведение вектора силыР и вектора элементарного перемещенияdr

При вращательном движении работу производит момент силы М. Заменяя в выражении (1.1) силуР моментомМ, а путьds — углом поворотаи полагая, чтодля работы мо мента сил получим

где— плечо силы, равное кратчайшему расстоянию
между направлением ее действия и осью вращения.
Единицей измерения момента силы в СИ является Н • м.
По форме энергию подразделяют на кинетическую и потенциальную.
Кинетическая энергия. При действии на тело силы его кинетическая энергия Ек возрастает на величинуdEK = dL. ИнтегрируяdEK длятела, движущегося поступательно (cos a = = 1), получим

где т — масса;— линейная скорость;а — линейное ускорение тела.
При вращательном движении роль массы играет момент инерции тела /, а роль скорости — угловая скорость Поэтому для вращающегося тела получим

При вращательном движении аналогом линейного ускорения а является угловое ускорениеи момент инерции связан
с моментом силы зависимостью
В СИ момент инерции измеряется в

Потенциальная энергия. При воздействии потенциальной силы, работа которой определяется только начальным и конечным положениями тела, величина энергии, равная работе силы на пути между этими положениями, называетсяпотенциальной энергией
Закон сохранения механической энергии. Данный закон записывается в виде

Он является частным случаем закона сохранения и превращения полной энергии.
Мощность. Согласно определению мощность — это работа, совершаемая в единицу времени:При поступательном движенииа при вращательномОдну и ту же мощность можно получить различными сочетаниями силыР и скоростиv или момента силыМ и угловой скорости
Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт = 1 Дж/с. Внесистемной единицей мощности является лошадиная сила — работа, производимая силой 75 кгс на пути 1 м за 1 с: 1 л.с. = 735,5 Вт.
Тепловая энергия. Теплота представляет собой форму проявления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения частиц тела (системы). Мерой теплоты является ее количество, получаемое или отдаваемое телом при теплообмене. Это количество теплоты называюттепловой энергией.
Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процессов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термодинамика изучает процессы в системах путем анализа превращения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охватывает производство, распределение, транспортирование и утилизацию теплоты. Способы извлечения, преобразования и использования тепловой энергии в ДВС будут с необходимой глубиной рассмотрены в гл. 2 и 3. Здесь упомянем лишь основные законы термодинамики.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы: ее значение полностью определяется параметрами состояния и не зависит от пути, приведшего вещество в данное состояние. Внутренняя энергия включает в себя кинетическую и потенциальную энергию частиц вещества. Первый закон термодинамики можно рассматривать как одну из формулировок закона сохранения и превращения энергии, примененного к тепловым процессам.
Второе начало (закон) термодинамики устанавливает необратимость реальных процессов и определяет их направление. Этот закон связан с понятием энтропии. Как и внутренняя энергия, энтропия характеризует состояние системы и является ее функцией. Энтропия изменяется при сообщении телу или отборе у него теплоты и является мерой молекулярного хаоса и неупорядоченности физической системы. При необратимых адиабатных процессах энтропия растет, и это является законом природы при наличии антропогенного воздействия на нее.
В соответствии с третьим началом (законом) термодинамики при приближении температуры к абсолютному нулю энтропия системы также стремится к нулю, что дает возможность рассчитывать абсолютное значение энтропии.
Теплообменом называется необратимый самопроизвольный процесс передачи теплоты. Знание законов теплообмена позволяет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать ее потери в линиях теплопередачи. Существуют следующие виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
В природе и технике источниками тепловой энергии являются химические реакции, электрический ток, электромагнитное излучение и ядерные реакции.
Химическая энергия. Этот вид энергии представляет собой часть внутренней энергии вещества, обусловленную взаимодействием атомов в молекуле. Выделяющаяся при сжигании топлива энергия используется для получения теплоты.
Вещества подразделяются на органические и неорганические. К органическим относятся углеродосодержащие вещества — нефть, уголь, спирт и др. Примераминеорганических веществ могут служить вода, песок и минералы.
Вещества вступают во взаимодействие — реакции, и тогда образуются новые вещества. Реакцию характеризуетэнергия активации, необходимая для разрыва связей реагирующих веществ и способствующая образованию новых связей и веществ. Скорость протекания реакции зависит от природы реагирующих веществ, термодинамических параметров состояния и внешнего воздействия.
Реакции бывают экзотермическими иэндотермическими. Первые протекают с выделением энергии, вторые — с ее поглощением. К экзотермическим реакциям, в частности, относятся реакциисжигания топлива.
Процесс сжигания топлива называется горением. Для горения характерно интенсивное выделение энергии, значительный нагрев, образование пламени, свечение, превращение твердого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым — аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1…10 мкм, взвешенных в газовой среде. После горения остается зола — минеральный остаток, содержащийSiO2,Fe2О3и другие соединения.
О р г а н и ч е с к о е т о п л и в о. В состав этого вида топлива входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие элементы и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно бывает твердым (уголь, древесина, торф),жидким (керосин, бензин, солярка, мазут) игазообразным (природные и искусственные газы).
Природным топливом являются древесина, природный газ, полезные ископаемые растительного происхождения (каменный и бурый уголь, антрацит, торф, горючие сланцы);искусственным — бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксовые и генераторные газы и др.
Энергетическая эффективность топлива определяется удельной теплотой сгорания, равной теплоте, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива. Различаютвысшую удельную теплоту сгорания Н0— без учета потерь на испарение влаги, содержащейся в топливе, инизшую удельную теплоту сгорания Нu — с учетом этих потерь. Из природного топлива наибольшей теплотой сгорания обладает природный газ (Н0= 50 МДж/кг). Значительную теплоту сгорания имеет водород (Н0= 116 МДж/кг).
Таблица 1.2
Удельная теплота сгорания органического топлива, МДж/кг

Для сопоставления разных видов топлива и его суммарного учета используют понятие воображаемого условного топлива с низшей удельной теплотой сгорания, равной 29,3 МДж/кг. Масса условного топливату выражается через массу натурального топливатн с помощью соотношения

В табл. 1.2 приведены усредненные значения удельной теплоты сгорания некоторых видов органического топлива [12]. Перспективные виды топлива. Приведем краткое описание некоторых из них.
Водород имеет удельную теплоту сгорания втрое более высокую, чем у нефти, а при его сгорании образуется экологически безопасная вода. При его использовании в двигателях в воздух не выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свинца и оксид углерода. Однако бензин, залитый в бак вместимостью 80 л, имеет массу 56 кг; эквивалентное по энергосодержанию количество водорода имеет массу 20 кг, но стальные резервуары для этого количества газа должны иметь массу несколько тонн. Получение водорода пока дорогостоящий процесс.
Недостатком этого вида топлива является также то, что водород более взрывоопасен, чем компоненты природного газа.
В качестве топлива могут быть использованы спирты — метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН. Применение спирта требует доработки ДВС, но 20%-ная добавка этанола к бензину делает эту смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей. Двигатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше продуктов сгорания, чем бензиновый двигатель.
Городские отходы на 40...60 % состоят из веществ, не уступающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля [13]. Решая проблему утилизации отходов, необходимо предусмотреть возможность использования этой теплоты. Наиболее разработанные технологии биоэнергетики — биохимическая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и этанол.
Электрическая энергия. Это единственный вид энергии, который удается производить в больших количествах, передавать на значительные расстояния и сравнительно просто распределять. Электроэнергия легко преобразуется в другие виды энергии.
Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных тел, электрического тока, электрических и магнитных полей. Природу электрических явлений изучает электродинамика, а методы получения, передачи, распределения и использования электрической энергии —электротехника. Вспомним основные понятия, связанные с электромагнитными явлениями, получением и применением электрического тока.
Электрический ток — это упорядоченное движение свободных электрических зарядов. Ток характеризуется направлением, силой и напряжением. В СИ сила токаI измеряется в амперах (А), а напряжениеU — в вольтах (В).
Магнитное поле создается электрическим током. Характеристики поля таковы: напряженность — измеряется в СИ в амперах на метр (A/м); магнитная индукция — в теслах (Тл), 1 Тл = = 1 Н/(А · м).
Электромагнитная индукция — явление возникновения электродвижущей силы в проводнике, если он движется в постоянном или покоится в меняющемся магнитном поле. Это явление используется для получения электрического тока генераторами и преобразования переменного тока трансформаторами. Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), 1 Вб = 1 Тл · м2.
Одновременное существование в области пространства переменных электрического и магнитного полей обусловливает электромагнитное поле. Переменные во времени электромагнитные поля называютсяэлектромагнитными колебаниями.
Постоянный электрический ток характеризуется тем, что его сила и направление не меняются со временем. В СИ единицей электрического сопротивленияR является ом (Ом). Ток, проходя через потребитель, совершает работуL =IUt. Мощность тока определяется работой, совершаемой им в единицу времени:
N=dL/dt=IU=I2R=U2/R.
Работа и мощность тока в СИ измеряются соответственно в джоулях (Дж) и ваттах (Вт), 1 Вт = 1 А · В. Внесистемной единицей работы тока является киловатт-час (кВт · ч).

Переменный электрический ток — это ток, изменяющийся во времени по величине и направлению. Мгновенное значение силы тока гдеUmax — амплитуда напряжения;Z— полное сопротивление цепи, включающее в себя активное и реактивное сопротивления. Важными для практики являются понятия действующих силы тока, напряжения и мощности:

Напряжения 220 В (в быту) и ПО кВ (в линии передачи) являются действующими напряжениями переменного тока.
Для цепи с активными и реактивными элементами, в которой ток и напряжение изменяются с разностью фазсредняя мощность тока за период

учитывающая потери электрической энергии, носит название активной мощности, а величина—коэффициента мощности. Активная мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт), полная — в вольт-амперах (В • А), реактивная — в реактивных вольт-амперах (вар).
Трехфазная электрическая цепь по сравнению с однофазной позволяет экономить цветной металл в линиях электропередачи (до 25 %), создавать вращающееся магнитное поле статора асинхронного электродвигателя, снижать пульсации тока при получении постоянного тока из переменного, а также использовать два рабочих напряжения — линейное (380 В) и фазное (220 В).
Механическое действие тока реализуется в работе электродвигателей. В электродвигателях постоянного тока возможно плавное регулирование скорости вращения ротора. Они применяются для привода колесных пар электротранспорта.
На транспорте используются также асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока. В статоре такого двигателя при помощи трехфазного тока создается вращающееся магнитное поле. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, причем со снижением нагрузки она возрастает, с увеличением — уменьшается.
Асинхронные электродвигатели находят применение в приводах станков, кранов, лебедок, лифтов, эскалаторов, насосов и других механизмов.
Тепловое действие тока проявляется в проводниках, через которые проходит ток. Количество выделяющейся теплотыQ в неподвижном проводнике равно работе электрического тока.
Солнечная энергия. Свет представляет собой электромагнитные волны — поток фотонов. Ежесекундно Солнце излучает энергию 3,9 · 1026Дж. Поверхности Земли достигает 4,5 · 10-8% этой энергии. Мощность такого потока равна 1,78 · 1017Вт. Энергией, поступающей на поверхность площадью 20 тыс. км2, можно обеспечить потребность в ней всего населения земного шара. Энергетическая освещенность атмосферы составляет 1,4 кВт/м2, а поверхности Земли — 0,8…1,0 кВт/м2. Затруднения в использовании солнечной энергии вызваны ее низкой поверхностной плотностью вблизи Земли (800 ккал/м2) [13].
Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется в сооружениях типа теплиц посредством нагревания теплоносителей в теплоизолированных приемниках излучения, а также на солнечных тепловых электростанциях.
Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется двумя методами — термо- и фотоэлектрическим. Электроэнергия от солнечных батарей пока в 100 раз дороже вырабатываемой тепловыми электростанциями.
Преобразование солнечной энергии в механическую принципиально возможно при использовании эффектасолнечного паруса. Поток фотонов оказывает давление на поверхность Земли, равное 5 мкПа. Эффект солнечного паруса обусловлен разницей давлений света на идеально отражающую и полностью поглощающую поверхности.
Ядерная энергия. По прогнозам, для обеспечения человечества энергией природных запасов органического топлива хватит на полстолетия. В будущем основным энергоресурсом может стать солнечная энергия. На переходный же период требуется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый, возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью этим требованиям, эта область энергетики интенсивно развивается.
Ядерными реакторами называются устройства, в которых осуществляются управляемые ядерные цепные реакции, сопровождающиеся выделением теплоты. Основными элементами ядерного реактора являются активная зона, где находится ядерное топливо и протекает цепная реакция, замедлитель и отражатель нейтронов, теплоноситель для отвода теплоты, образующейся в реакторе, регуляторы скорости развития цепной реакции и радиационная защита.
1.3. Источники и ресурсы энергии
Существующие источники и ресурсы. Ресурсы — это средства, ценности, источники ценностей, запасы, возможности. Подмножеством этой категории являются энергетические ресурсы.Энергоресурсы — это средства, сутью которых является энергосодержание, а целью использования — извлечение, преобразование и потребление содержащейся в них энергии для реализации производственных процессов и удовлетворения различных потребностей.
Субстанция, содержащая энергию, называется энергоносителем, важной характеристикой которого является плотность содержащейся в нем энергии (например, удельная теплота сгорания). Энергоресурсы и энергоносители характеризуются общей величиной запаса (энергоемкостью, массой) и темпом исчерпания (скоростью выемки из хранилища, интенсивностью процесса потребления).
В понятие энергоресурсов входят также источники, их доступность и степень освоения. От этих характеристик зависит объем энергоресурсов, предназначенный для практического применения.
Место энергоресурсов во множестве ресурсов, используемых обществом, рассмотрим с помощью диаграммы классов UML1 (рис. 1.1).
Cтруктура системы характеризуется диаграммами классов с множеством типов отношений. Обобщение, например, позволяет реализовать принцип наследования: общие свойства и поведение размещаются в верхних по иерархии (родительских) классах, а нижние классы (потомки) обращаются за информацией к родительским классам. Наследование может быть множественным, когда потомок приобретает черты многих родителей (например, класс ВоднРесурс («Водные ресурсы») на рис. 1.1 наследует свойства классовЭнергоресурс иНеЭнергоресурс).
На одной диаграмме также можно отображать наследование свойств по нескольким признакам (как, например, класс При-родныйРесурс подразделяется на подклассы по признакам «Энергосодержание» и «Неисчерпаемость»). Множественное наследование позволяет отобразить сетевой характер классификации сложной системы (например, классМинералРесурс можно определить по признаку «Энергосодержание», а также какНевозобновляемый иИсчерпаемый).
Обобщение отображается стрелкой со светлым треугольником, направленной в сторону родительского класса. В качестве имени класса используют акроним — написанное слитно сочетание морфем ключевых слов (или самих слов), начинающихся с заглавной буквы.
1UML— язык визуального моделирования [5] — возник и получил широкое распространение в последнее десятилетие как инструмент объектно-ориентированного моделирования сложных систем, существенно упрощающего их анализ и проектирование. К основным понятиямUMLотносятся класс, объект, атрибут, операция и наследование. Система представляет собой совокупность диаграмм классов, активностей и др.
Рис. 1.1.
Иерархия ресурсов (диаграмма классов UML):
<— отношение наследования (треугольник примыкает к классу-родителю)
Имена абстрактных классов пишутся курсивом, а конкретных (состоящих из одного определенного объекта) либо конечных в иерархии — прямым шрифтом.
Ресурсы в целом подразделяются на природные и экономические.
Природные (первичные)ресурсы — компоненты окружающей среды (ОС), используемые в процессе общественного производства для удовлетворения материальных и культурных потребностей. Совокупность природных ресурсов можно разделить на энергоресурсы и неэнергетические ресурсы.
Основные виды природных ресурсов — солнечная энергия (СолнЭнергия), энергия приливов (ПриливЭнергия), геотермальная энергия (ГеотермЭнергия), водные (ВоднРесурс), воздушные (ВоздРесурс), минеральные (МинералРесурс), земельные (ЗемРесурс) и растительные ресурсы (ФлорРесурс), а также ресурсы животного мира (ФаунРесурс). Среди них солнечная энергия, энергия приливов и геотермальная энергия являются чистоэ н е р г е т и ч е с к и м и р е с у р с а м и. Земельные, растительные ресурсы и ресурсы животного мира отнесем кн еэ н е р г е т и ч е с к и м р е с у р с а м. И наконец, водные, воздушные и минеральные ресурсы можно считать комбинированными: они используются как в процессах, осуществляемых в энергетике, так и по другому назначению (воздух дает кислород для топливной энергетики, но также является основой всей аэробной жизнедеятельности).
Запасы первичных источников энергии, Дж, на Земле таковы [13]: ядерная энергия деления — 1,97 · 1024; химическая энергия горючих веществ — 1,98 · 1023; внутренняя теплота Земли — 4,82 · 1020; энергия приливов — 2,52 · 1023; энергия ветра — 6,12 · 1021; энергия рек — 6,5 · 1019.
Минеральные ресурсы (МинералРесурс) — это полезные ископаемые, заключенные в недрах. В зависимости от области их применения выделяют следующие группы ресурсов:
а) топливно-энергетические — нефть, природный газ, уголь, урановые руды (ТоплЭнергоресурс);
б) рудные, являющиеся сырьевой основой для черной и цветной металлургии;
в) горно-химическое сырье — поваренная и другие соли, сера и ее соединения и др.;
г) природные строительные материалы;
д) гидроминеральные (группы б—д на схеме условно объединены в классНеТоплЭнергоресурс).
Природные ресурсы классифицируют и по другому признаку — практической неисчерпаемости: н е и с ч е р п а е м ы е ии сч е р п а е м ы е. Класс последних, в свою очередь, подразделяется на возобновляемые и невозобновляемые. Восстановление запаса возобновляемых ресурсов (гидроресурсы, ветер) обеспечивает природа. Запас невозобновляемых ресурсов (минеральное топливо, уран) ограничен (на схеме показано для минеральных ресурсов в целом). Невозобновляемость обусловлена различием темпов потребления и создания ресурсов природой. Например, за сутки сжигается столько топлива, сколько его запасала природа в минералах в течение тысячи лет.
Экономические ресурсы являются составляющими общественного производства, в том числе энергетики.
Т р у д о в ы е р е су р с ы кроме экстенсивного показателя — численности обладают такими важными характеристиками, как интеллектуальный потенциал и технологическая подготовленность.
М а т е р и а л ь н ы е р е с у р с ы носят вторичный характер и представляют собой промежуточные или конечные продукты цепи процессов переработки природного сырья (топливо, получаемое из нефти, товарный уголь и газ), а также тепловые отходы производственных процессов (отработанный пар, горячие газы).
Энергоресурсы подразделяют также на топливные и нетопливные. Разнообразные энергоресурсы обладают взаимозаменяемостью (вместо жидкого топлива может быть использован газ). При принятии решений о наилучшем использовании энергоресурсов их сопоставляют количественно. Удобно проводить сравнение их удельной теплоты сгорания, Дж/кг.
Теплота сгорания может также измеряться в англо-американских единицах BritishThermalUnits(Вtu):
1 Btu= 252 кал = 1055 Дж = 2,93 · 10-4кВт · ч.
Применение понятия условного топлива позволяет соизмерять различные виды топлива. В отечественной практике в качестве основы используется так называемый угольный эквивалент — 7000 ккал (29,3 МДж) — теплота, которая выделяется при сжигании 1 т высококачественного угля (обозначается 1 т у.т.). Тонна нефти при сгорании выделяет примерно 10 000 ккал (42 МДж). Это означает, что для перевода массы нефти в угольный эквивалент следует эту массу умножить на коэффициент 1,43; 1 кВт · ч (3,6 МДж) электроэнергии эквивалентен 0,123 кг у. т. [21].
Из всех первичных видов топлива наибольшей удельной теплотой сгорания обладает нефть. К высококачественным энергоресурсам относится природный газ с коэффициентом перевода объема 1000 м3на уровне 1,15…1,2.
Источники энергии разделяют на коммерческие и некоммерческие.Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (уголь, торф, сланцы), жидкие (нефть, газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и электроэнергию, произведенную на электростанциях всех типов.Некоммерческие источники энергии — древесное топливо, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила человека и рабочего скота [26].Перспективные источники энергии для транспорта. Работа современного транспорта зависит от невозобновляемых источников. В будущем человечество перейдет к преобладающему использованию возобновляемых источников энергии. К числу перспективных источников энергии для транспорта относятся: в ближайшем будущем — уголь и горючие сланцы; в отдаленном — внутренняя теплота Земли, движение вод в реках и морях, ядерная энергия. Из этих источников можно получить энергию в форме, пригодной для непосредственного использования, например жидкое топливо, электричество и водород.
1.4. Преобразование и аккумулирование энергии
1.4.1. Преобразование и преобразователи
Тепловые двигатели. На автомобильные ДВС приходится около 25 % общего количества потребляемой энергии и около 60 % общего количества всех видов загрязнений воздуха. Отработавшие газы автомобилей содержат СО2, Н2О, СО и другие вещества. Максимальный теоретический КПД бензиновых ДВС составляет около 58 %, дизелей — 64 %. КПД реальных ДВС вдвое меньше.
Двигатели внешнего сгорания. В этих двигателях топливо сгорает вне цилиндра. Горение происходит непрерывно. Вибрация и шум практически отсутствуют. Вредные выбросы продуктов сгорания незначительны. Недостаток этих двигателей — недолговечность теплонапряженной стенки цилиндра вследствие отсутствия соответствующих конструкционных материалов.
Газотурбинные установки. Воздух сжимается в компрессоре, смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. Отработавшие газы проходят через турбину. Ее первая ступень приводит в действие компрессор. Последующие ступени вырабатывают механическую энергию, используемую потребителем. В турбореактивном двигателе разница между количеством движения воздуха на входе в компрессор и газов на выходе из турбины создает реактивную тягу.
Холодильные машины. В этих машинах некоторое количество теплоты отбирается от холодного источника, а ее большее количество отдается горячему приемнику. Разность этих количеств теплоты представляет собой работу, совершаемую внешними силами над рабочим телом (хладагентом). Работа холодильной машины связана с изменением агрегативного состояния хладагента: плавлением твердого вещества либо испарением жидкости вблизи холодного источника и обратным процессом вблизи горячего приемника.
Термоэлектрические генераторы. Если в замкнутой цепи, состоящей из двух разных металлов или полупроводников, нагревать один из контактов, то в цепи появится ЭДС и потечет ток. В настоящее время КПД теплоэлектрических генераторов составляет 10... 12% [13].
Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы). Их действие основано на явлении электромагнитной индукции при движении ионизированного рабочего тела (газ, плазма) в магнитном поле. В одной из возможных схем генератора воздух, сжатый в компрессоре, подается в камеру сгорания.
Таблица 1.3
КПД энергетических установок, тепловых машин и преобразователей энергии
Наименование КПД, %
достигнутый возможный
Тепловые электростанции: паротурбинные с МГД-генераторами с термоэмиссионными модулями с газотурбинными установками с парогазовыми установками 40...42 36...40 41...45 24... 30 42...46 43 ...45 55 ...60 48 ...52 32...36 45 ...50
Теплоэлектроцентрали 66...70 72... 77
Атомные электростанции 30... 36 40...41
Двигатели внутреннего сгорания: тихоходные дизели быстроходные дизели дизели с наддувом карбюраторные двигатели 32... 39 32...41 42...45 25... 30 35...41 36...43 48...50 28...32
Газотурбинные установки 31 ...37 38...40
Установки прямого преобразования
энергии:
МГД-генераторы топливные элементы термоэлектрические генераторы термоэмиссионные преобразователи фотоэлектрические преобразователи 32... 38 60...70 20... 25 17...20 10... 15 50 ...55 80... 85 30...35 30... 35 20...25
Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло. По выходе из него газ попадает в МГД-канал, в котором происходит отвод генерируемой электрической энергии. КПД преобразования энергии пока составляет несколько процентов [13].
Электрохимические генераторы. Это устройства, преобразующие химическую энергию непосредственно в электрическую. Первые электрохимические генераторы назывались гальваническими элементами [13].
Топливные элементы (ТЭ). В ТЭ электрический ток генерируется за счет регулируемого «электрохимического сжигания» топлива. Реакция происходит в системе топливо—электролит— окислитель. ТЭ — электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества подаются извне, а материал электродов в электрохимических превращениях не расходуется.
Достоинствами ТЭ являются высокий КПД (около 60 %), отсутствие подвижных частей, бесшумность, отсутствие выделения теплоты с отработавшими продуктами (H2О иCO2), способность работать при комнатных температурах.
К недостаткам ТЭ относятся их ограниченный срок службы, относительно высокая стоимость газообразного топлива и получаемой электроэнергии (2000 долл./(кВт · ч)) [12].
Заключим обзор преобразователей энергии сводными данными [7] об их КПД (табл. 1.3).
1.4.2. Аккумулирование энергии и аккумуляторы
Аккумулирование энергии. Значение аккумулирования энергии для электроэнергетики постоянно возрастает. Существующие проблемы, например связанные с неравномерностью потребления электроэнергии в течение суток, удалось бы разрешить при наличии недорогого электрического аккумулятора большой емкости с достаточно высоким КПД.
Предоставление автомобильному транспорту малогабаритного и легкого электрического аккумулятора большой емкости с высоким КПД способствовало бы применению электромобилей, значительному снижению загрязнения воздуха и потребности в нефтяном топливе.
Рассмотрим некоторые способы аккумулирования энергии.
Аккумулирование энергии на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Это емкие аккумуляторы энергии. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее излишек используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, т.е. избыточная электрическая энергия превращается в потенциальную механическую. При повышенном спросе на электроэнергию осуществляется перепуск воды из верхнего резервуара в нижний, и гидротурбогенераторы направляют энергию в сеть. Самая мощная (1872 МВт) ГАЭС возведена в США. ГАЭС вырабатывают там 2 % всей электроэнергии страны [13].
Аккумулирование энергии в сжатых газах. Излишняя электроэнергия применяется для нагнетания воздуха под давлением в подземную полость-хранилище. Когда запасенную энергию нужно использовать, сжатый воздух направляется в газотурбинную установку, вырабатывающую электроэнергию. Общий КПД такого способа аккумулирования энергии 70 % [13].
Аккумулирование энергии с помощью маховиков. Аккумулятор представляет собой маховик, раскручиваемый до высокой частоты вращения. Этот способ аккумулирования имеет ряд достоинств: высокий КПД (до 90 %), бесшумность, отсутствие загрязнений и быстрота зарядки, однако с ростом частоты вращения маховика возможен его разрыв.
Данный принцип аккумулирования энергии удобен для реализации на автомобильном транспорте. Применение маховиковых накопителей способствует повышению экономичности автотранспортных средств (АТС) благодаря возможности использования аккумулированной энергии в нужный момент, особенно при движении АТС с частыми остановками и разгоном, когда необходимо выводить двигатель из зон его работы с низким КПД. Маховиковой накопитель позволяет осуществлять рекуперативное торможение, повышая КПД автомобиля. Этот накопитель энергии наиболее эффективен в сочетании с бесступенчатой трансмиссией.
Электрические системы аккумулирования энергии. Простейшим аккумулятором являетсяконденсатор, обеспечивающий значительную нагрузку в течение нескольких микросекунд, например, в системе зажигания ДВС.
Что касается электрохимических аккумуляторов, то при их зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую, а при разрядке происходит обратный процесс.
Основным недостатком существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (на 1 кг массы аккумулятора) запасаемой энергии. Если попытаться создать из современных материалов мощный аккумулятор для приведения в движение автомобиля с запасом хода в сотни километров, то масса аккумулятора будет соизмерима с массой перевозимого груза.
Свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергией немногим более 100 кДж/кг, дорогостоящий серебряно-кадмиевый — около 400 кДж/кг. Поэтому АТС с электрохимическими аккумуляторами находят пока ограниченное применение. Из перспективных разработок, направленных на обеспечение большой удельной энергоемкости, быстрой зарядки и возможности глубокой разрядки, известны железоникелевые, хлорно-цинковые, натрий-серные, алюминий-воздушные варианты аккумуляторов.
Тепловые аккумуляторы используют энергию Солнца: днем запасают теплоту, а ночью отдают ее. Они подразделяются на две группы:
накапливающие теплоту путем нагревания рабочего тела (вода, щебень);
запасающие теплоту в результате перехода рабочего тела (соли) из одного агрегатного состояния в другое (при этом температура тела изменяется незначительно).
Передача теплоты потребителю от аккумуляторов первой группы происходит при охлаждении рабочего тела, а от аккумуляторов второй группы — при возвращении тела в исходное агрегатное состояние.
1.5. Энергетика
Процесс энергообеспечения экономики и общества.
Энергоресурсы, энергоносители, энергия являются сырьем, продуктами энергетического комплекса. Процессы воспроизводства, доставки, преобразования, распределения, передачи и конечного потребления энергоресурсов представляют собой стадии единого процесса энергообеспечения общества.
Воспроизводство первичных энергоресурсов. Эта стадия начинается с разведки запасов. Результатом разведки является прирост запасов энергоресурсов, которые подразделяются на категории в зависимости от их изученности и подготовленности к эксплуатации: А — детально разведанные и подготовленные; В — геологически обоснованные и относительно подготовленные; С — предполагаемые и слабо разведанные; D— предполагаемые исходя из геологической изученности местности. Эти категории, вместе взятые, составляютдостоверные запасы.
Выделяют также прогнозные запасы. Сумма достоверных и прогнозных запасов представляет собойобщегеологические запасы. Та их часть, которая может быть использована для разработки в настоящее время, называетсябалансовыми запасами [21].
Стадия воспроизводства включает в себя добычу минерального топлива и привлечение нетопливных энергоресурсов: гидро, ветроэнергии и др.
Доставка энергоресурсов к установкам, преобразующим энергию. Доставка осуществляется с помощью транспортных магистралей: железных дорог, трубопроводов, водных путей и др.
Преобразование и производство вторичных энергоресурсов. На данной стадии проводятся:
переработка угля с целью получения высококачественных топливных и химических продуктов;
переработка нефти и производство из нее бензина, керосина, мазута и смазочных масел;
выработка электрической и тепловой энергии на электростанциях и в котельных;
вовлечение в хозяйственный оборот тепловых отходов — горючих или горячих газов, отработанного пара энергоустановок и др.
Распределение и передача энергии конечным энергетическим установкам. Эти процессы осуществляются с использованием транспортной инфраструктуры, и главную роль здесь играют электрические и тепловые сети.
Конечное потребление. На данной стадии энергообеспечения подведенная энергия может преобразовываться еще раз (например, энергия топлива — в механическую энергию), но может потребляться и без изменения ее формы (отопление).
Энергетика и ее отрасли. Традиционные отрасли энергетики — электро-, тепло-, гидро- и атомная энергетика. Ведущей, включающей в себя компоненты других отраслей, являетсяэлектроэнергетика, охватывающая производство, передачу и распределение электроэнергии.Теплоэнергетика занимается производством, передачей и распределением тепловой энергии.Гидроэнергетика решает проблемы преобразования потенциальной энергии водных ресурсов в электроэнергию.Атомная энергетика связана с преобразованием ядерной энергии в тепловую и электрическую энергию.
Электроэнергетика хорошо освоена за время ее существования. Основная доля электроэнергии вырабатывается на электростанциях. В традиционной энергетике в мировом масштабе преобладает теплоэнергетика: на базе нефти в мире производится 39% электроэнергии [26].
Нетрадиционная электроэнергетика оперирует традиционными методами, но первичными ресурсами здесь служат источники энергии либо местного значения (ветровые, солнечные), либо осваиваемые (например, ТЭ), либо перспективные (предназначенные для водородной и термоядерной энергетики). Отличительными признаками нетрадиционной энергетики являются экологическая чистота, большие удельные затраты на строительство и малая мощность установки.
Отдельными отраслями энергетики считают автономную энергетику (например, гелиоэнергетику), не имеющую связи с линиями электропередачи (ЛЭП), а также —малую энергетику (аккумуляторы, батареи).
Электроэнергетика и ее виды. Ключевыми элементами электроэнергетики являются электростанции. Их классифицируют по видам первичных ресурсов и преобразователей.
Для выработки электростанцией мощности 1 ГВт необходим следующий суточный расход ресурсов: угля — 6750 т при КПД 0,4; нефти — 4600 т (КПД 0,4); изотопа урана 235U— 3 кг или 430 кг природного урана (КПД 0,3); дейтерия — 1 кг или 30 м3 морской воды (КПД 0,3) [13].
В мире 90 % электроэнергии вырабатывается на ТЭС, из них, %, путем сжигания нефти — 39, угля — 27 и газа — 24. АЭС производят 7 % электроэнергии, а ГЭС — 3 % [26].
Теплоэнергетика. Основа современной энергетики — ТЭС. В энергетическом балансе России выработка электроэнергии на ТЭС составляет 69 % [13]. Их суммарная мощность достигает 4 ГВт; 60 % ТЭС работают на природном газе, 30 % — на угле и 10 % — на мазуте [12]. ТЭС преобразуют энергию топлива сначала в механическую, а затем электрическую энергию. Механическую энергию получают с помощью паровых и газовых турбин.
На тепловых конденсационных электрических станциях основные процессы теплового цикла паросиловых установок происходят в следующих элементах: в парогенераторах — подвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. Более 90 % ТЭС в России применяют паросиловые установки. Их КПД достигает 40% [13].
В газотурбинных установках (ГТУ) в качестве рабочего тела используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. Теплота газов преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Газовые турбины компактнее паровых и ДВС аналогичной мощности, и их КПД превышает 35 %. ГТУ широко применяются на транспорте.
Отработавшие в ГТУ газы имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодинамического цикла1. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов позволяет на 8... 10 % повысить топливную экономичность установки, называемой в этом случаепарогазовой (ПГУ), и снизить общую стоимость вырабатываемой энергии на 25 %.
В ПГУ часть теплоты, получаемой при сжигании топлива, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину. Отработавшие в турбине газы используются для подогрева питательной воды. ПГУ могут работать и по такой схеме, в которой отработавшие газы поступают в паровой котел. КПД ПГУ составляет 55 ...60 % [12].
1Будет рассмотрено в гл. 2 и 3.
ТЭС, вырабатывающая как электрическую, так и тепловую энергию, называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Всеми ТЭЦ производится 40 % общего количества теплоты для промышленных комплексов и городов [7].
Гидроэнергетика. Доля электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, составляет в мире 14% [13], а в России —19% [12]. ГЭС выгодно отличаются от тепловых электростанций с точки зрения возможности регулирования частоты, покрытия пиковых нагрузок и обеспечения аварийного резерва энергосистемы.
С помощью плотины создается перепад уровней воды. Вода под напором направляется в турбину, преобразующую энергию движения потока в энергию вращения вала с ротором генератора. Генератор преобразует энергию вращения вала в электроэнергию. Мощность гидротурбин достигает сотен мегаватт, а КПД — 96 %. Самая большая ГЭС (мощностью 12,6 ГВт) расположена в Бразилии. В России действуют 98 ГЭС общей мощностью 44 ГВт, самая крупная из них — Саяно-Шушенская (6,4 ГВт).
Затраты на сооружение ГЭС в несколько раз превышают аналогичные затраты на ТЭС той же мощности. Однако низкие эксплуатационные затраты обусловливают невысокую себестоимость электроэнергии. Недостаток ГЭС — влияние водохранилища на окружающую среду (затапливание земель).
Атомная энергетика. Доля АЭС в мировом производстве электроэнергии составляет около 14 %; при этом их доля в России - 12,5 %, Литве - 97 % [12, 13].
Термический КПД АЭС, имеющих в качестве теплоносителя воду, приблизительно равен 30 %. АЭС используются в системах электро- и теплоснабжения населения, в мини-АЭС — на морских судах для электропривода гребных винтов. В России действуют АЭС общей мощностью 21 ГВт.
Ветроэнергетика. Ветер — результат неравномерного превращения тепловой энергии, поступающей от Солнца, в кинетическую энергию масс воздуха. Суммарная энергия этих масс в 100 раз больше энергии рек [13]. Недостатки ветроэнергетики связаны с возможностью выработки энергии только в ветреную погоду, высокой себестоимостью электроэнергии, созданием шума и электромагнитных помех на телерадиочастотах. КПД ветроустановок не превышает 0,4.
Геотермальная энергетика. Теплота геотермальных месторождений может обеспечить получение большого количества электроэнергии. На глубине 5 км количество теплоты в тысячи раз превышает энергию всех запасов угля, нефти и газа. Пар (с температурой до 300 °С) можно извлекать из недр, пробурив скважину. В мире работают 20 геотермальных электростанций общей мощностью 1,5 ГВт. На Камчатке действует Паужетская электростанция мощностью 11 МВт [13].
Приливная энергетика. Энергия приливов еще в давнее время использовалась для приведения в действие различных механизмов, мельниц, лесопилок. Достоинство приливных электростанций (ПЭС) состоит в том, что их работа не зависит от случайных погодных условий. Недостаток ПЭС — неравномерность их работы в течение лунных суток и лунного месяца. Крупнейшая ПЭС находится во Франции; ее мощность составляет 240 МВт. В России на побережье Баренцева моря эксплуатируется Кислогубская ПЭС с суммарной мощностью турбин 800 кВт [13].
Автономные источники электрической энергии. К автономным источникам электроэнергии относятся передвижные электростанции, работающие от ДВС, гальванические элементы и аккумуляторы, а также солнечные батареи. Малогабаритные источники питания имеют важное значение для работы переносных приборов. Распространение получили элементы одноразового использования. Аккумуляторы длительного действия применяются для питания более энергоемких потребителей электрической энергии: небольших помещений, автомобилей и др.
Передача и распределение электрической энергии. Электроэнергия передается в основном с помощью ЛЭП переменного тока. Выбор напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием. Используются линии низкого (до 1 кВ), среднего (3...35 кВ), высокого (ПО...220 кВ), сверхвысокого (330... 1000 кВ) и ультравысокого (1000... 1150 кВ) напряжений. ЛЭП позволяют объединять электростанции вединую энергетическую систему (ЕЭС).
Известны ЛЭП постоянного тока. Благодаря тому, что в них отсутствуют реактивные составляющие, исключается необходимость в синхронизации работы генераторов различных электростанций. Такие линии перспективны для передачи энергии на расстояния более 3000 км. Однако повсеместное использование переменного тока, вынуждающее прибегать к преобразованию постоянного тока в переменный при подключении к ЕЭС, делает применение этих ЛЭП пока экономически не оправданным.
Распределение энергии потребителям в электрических сетях осуществляетсяподстанциями, рассчитанными на напряжение менее 650В.
Электроэнергия —энергия нашего времени. Применение электроэнергии способствовало развитию промышленности, автоматизации производства, внедрению информационных технологий (ИТ), повышению комфортности быта людей. Современная электроэнергетика основана на использовании больших энергосистем, обслуживающих регионы и страны. На выработку электроэнергии в мире направляется до трети всех энергоресурсов.
Электроэнергия может превращаться простыми способами и без больших потерь в любые виды конечной энергии. Ее применение в различных процессах позволяет легко регулировать их. Она незаменима для обеспечения электронных, электрохимических, высокотемпературных и механических процессов, освещения и связи.
Управление социально-экономическими и производственными системами немыслимо без ИТ, позволяющих обрабатывать чрезвычайно большие объемы информации, и телекоммуникаций, ускоряющих оборот информации, вместе обеспечивающих синхронизацию и оптимизацию всей системы управления.
Более широкое использование электроэнергии в сфере быта связывается с механизацией и автоматизацией труда в домашнем хозяйстве, проникновением в быт людей информационных технологий, повышением качества образования, медицины и отдыха. Рабочая сила превращается в человеческий капитал — эффективный производственный фактор [21].
Передача органических энергоносителей. Притранспортировании нефти через океан танкерами наиболее экономична перевозка крупными судами. Водоизмещение танкеров может составлять более 500 тыс. т. Проблемы, возникающие при таких перевозках, связаны с авариями танкеров.
При передаче нефти и газа трубопроводами для преодоления гидродинамического сопротивления, обусловленного вязкостью, требуется насосная перекачка. Вязкость потока особенно значительна при низких температурах.
Передача природного газа осуществляется либо по газопроводам, либо океанскими танкерами в сжиженном виде. Одним из крупнейших в мире является газонефтепровод, связывающий Уренгой с Западной Европой.
Затраты на транспортирование некоторых видов энергоносителей (в относительных единицах) таковы: метан (по трубопроводу) — 1,0; бензин (танкерами) — 3,0; электроэнергия (по высоковольтным линиям)— 6,6.
1.6. Энергетика и прогресс общества
1.6.1. Топливные эры и технологические уклады
Уровень цивилизации связан с тем, какие виды энергоресурсов используются, какими методами и в какие виды конечной энергии они преобразуются, а также какова эффективность применения конечной энергии. Показателем уровня развития общества является расход первичных энергоресурсов на душу населения. Передовые страны расходуют в год 5... 6 т у. т. на человека, отсталые — менее 2...3 т у.т. [21].
Использование топлива для выработки теплоты, приготовления пищи и изготовления орудий труда восходит к временам, отдаленным на десятки тысяч лет. Тогда началась эпоха дров {первая топливная эра).
Первоначально уголь использовался лишь при отсутствии дров. Его применение достигло больших масштабов в XVIв., что и открылоэпоху угля {вторая топливная эра), а затем привело к первой промышленной революции.
Во второй половине XIXв. началасьэпоха нефти {третья топливная эра). Появление ДВС обусловило вытеснение угля как источника для выработки механической энергии.
Природный газ стал конкурировать с нефтью в 30-х гг. XXв. В настоящее время эти два вида энергоресурсов, которыми представленоуглеводородное топливо, обеспечивают 60 % общемирового потребления энергоресурсов, а в России — более 70 %, тогда как на уголь в развитых странах приходится не более 30 % общего потребления энергоресурсов.
Экономический рост подвержен цикличности. Это вызвано изменениями как в экономическом поведении агентов, так и в существующих технологиях. Долгосрочные колебания темпов экономического роста согласуются со сменой технологических укладов — поколений применяемых технологий. Каждому укладу соответствует свой тип потребления, стиль жизни людей, уровень развития производственной инфраструктуры, а также состав и эффективность использования энергоносителей. Различают пять технологических укладов [21].
Первый соответствует расцвету текстильной промышленности и характеризуется применением дровяного топлива и энергии водяного колеса. Основной вид транспорта — водный.
Второй уклад связан с созданием парового двигателя. Бурно развиваются угольная промышленность, черная металлургия и машиностроение, распространяется железнодорожный транспорт (ЖДТ). В этот период происходит первая промышленная революция, начинается урбанизация общества.
Третий технологический уклад примечателен развитием сталелитейного производства, электроэнергетики и неорганической химии. Распространяется автомобильный транспорт, хотя преобладает железнодорожный. В рамках этого уклада наступает третья топливная эра. Начинается становление сферы услуг.
Четвертый уклад связан с широким внедрением и использованием механических транспортных средств, развитием органической химии и цветной металлургии. Распространяются новые строительные технологии и материалы. Развивается сфера услуг и бытовая техника. На транспорте начинают доминировать автомобили; становится обычным авиатранспорт.
Пятый технологический уклад отмечен революциями в сферах информатики и управления. Развиваются телекоммуникации, ИТ, роботостроение, сервис (бизнес информационных услуг и развлечений). Осваиваются новые материалы: керамика, композиты и др.
В каждый период в данной экономической системе, как правило, сосуществуют три технологических уклада: доминирующий, предыдущий (приходящий в упадок) и новый, находящийся в стадии становления. В экономически развитых странах в настоящее время происходит процесс смены четвертого технологического уклада пятым. В России третий технологический уклад, достигнув зрелости к концу 1960-х гг., продолжает доминировать и сейчас. Существует острая необходимость в преодолении этого отставания [21].
1.6.2. Изменение структуры потребления энергии в XXв.
Изменение структуры топливно-энергетического баланса. ВXXв. в мире произошло 20-кратное повышение уровня использования коммерческих энергоресурсов, составившего в 2000 г. 12 млрд т у. т. (общее мировое потребление энергии 14,3 млрд т у. т. [26]).
Динамика изменения долей первичных источников энергии в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) приведена в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Доли первичных источников энергии в мировом топливно энергетическом балансе, %
Период Мускульная энергия Органические вещества Древесина Уголь
500000 лет до н.э. 100 — — —
2000 г. до н.э. 70 25 5 —
Около 1500 г. 10 20 70 —
1910 г. — 16 16 65
1935 г. — 13 9 55
1972 г. — — 10 32
1990 г. — — 1 25
Окончание табл. 1.4
Период Нефть Природный газ Водная энергия Атомная энергия
500000 лет до н.э. — — — —
2000 г. до н.э. — — — —
Около 1500 г. — — — —
1910 г. 3 — — —
1935 г. 15 3 5 —
1972 г. 34 18 5 1
1990 г. 38 24 4 8
Россия занимает передовые позиции по применению газа, которое составляет в ее энергобалансе 53 % (18 % общемирового использования). Китай, наоборот, лишь 2 % своих потребностей в энергии покрывает за счет природного газа, тогда как на 80 % они удовлетворяются посредством применения угля [21].
Геополитическое распределение потребителей энергии.
В последние десятилетия развитые страны увеличивали как количество потребляемой энергии, так и эффективность ее использования. В настоящее время 78 % мирового энергопотребления приходится на Северную Америку, Азиатско-Тихоокеанский регион (АТР) и Европу.
В 20 странах расходуется более 80 % всей энергии. Крупнейшими потребителями энергии, млрд т у.т., являются США (3,1), Китай (1,2) и Россия (1,0). Потребление энергии на душу населения также неравномерно: 12 % населения Земли потребляет более 48 % производимой энергии, а 68 % — только 19 %. Неравномерность энергопотребления — это подтверждение полярности мира, его социальной несправедливости, причина неустойчивости в будущем.
Дифференциация стран и регионов по удельным показателям энергопотребления. Данные по использованию энергии в странах и регионах мира приведены в табл. 1.5. В богатых странах на душу населения приходится 10... 14 т у.т./год, в беднейших — 0,3... 0,4 т у.т./год [26]. Существует следующая закономерность: чем выше средний доход жителей, тем больше потребление электроэнергии. Среднемировой удельный показатель, кВт-ч/чел., равен 2300, в США — 12 800, а в России — 5660. Африканские государства отстают по этому показателю от США в 25 раз [21].
Роль природно-территориальных факторов в межрегиональной дифференциации энергопотребления. Северные страны вынуждены расходовать много энергии на отопление.
Таблица 1.5
Уровень использования энергии, %, в странах и регионах мира по отношению к США
Страна, регион ВВП
надушу населения Энергоемкость ВВП Электроемкость ВВП Расход
энергаи
надушу
населения Расход
электро- .
энергии
надушу
населения
Северная 98,0 102,1 106,8 99,7 103,4
Америка Япония 83,5 54,0 74,9 45,1 62,5
Западная 71,1 61,9 72,0 44,3 51,8
Европа Россия 20,4 293,2 219,1 59,8 44,7
Китай 8,6 100,3 77,0 8,6 6,6
Остальные 18,0 195,2 166,2 32,7 28,5
страны бывшего соцлагеря Индия 5,0 68,2 70,8 3,4 3,5
Остальной 16,1 40,7 38,6 9,1 8,6
мир Мир в целом 23,1 78,2 70,8 19,1 19Д
Россия, например, затрачивает на производство единицы ВВП на 40 % энергии больше, чем страны Центральной Европы [26].
В то же время в южных странах часть энергии используется для кондиционирования помещений, транспортных средств и пр. Так, в США только на кондиционирование расходуется 1,5 % потребляемой в стране энергии [26].
Потребность в энергии возрастает также, когда площадь территории государства превосходит «критическое» значение в 500 тыс. км2. Закон неэффективности большого государства объясняет, почему японцу необходимо в среднем 4,5 т у.т./год, в то время как американцу — 11 т у.т./год (при равной среднегодовой температуре воздуха 11,2 °С) [26].
Природно-территориальные условия сказываются и на транспортной составляющей энергозатрат на единицу ВВП и душу населения: кроме температурных условий на экономику перевозок влияют осадки и состояние дорог, атмосферное давление, влажность, освещенность и другие факторы.
В России годовой объем производства энергоресурсов на душу населения достигает 6,3 т у. т. Однако поскольку около трети всех добываемых энергоресурсов Россия экспортирует, потребление внутри страны составляет 4,2 т у.т., тогда как уровень потребления в Европе — 4,7 т у.т., а мировой — 2,3 т у.т.
Структура, %, производства энергоресурсов в России в конце XXв. была такова [18]:
1997 г. 1999 г.
Газ 38 50
Уголь 15 11
Нефть 41 30
АЭС и ГЭС 5 7
Прочие 1 2
Что касается потребления энергоресурсов, то в 1999 г. в России их экспорт составил 32 % общего объема потребления, на долю тепло- и электроэнергетики приходилось соответственно 27 и 20 %, транспорта — 8 %.
Прогноз энергопотребления в XXIв. Обеспеченность текущей добычи разведанными запасами составляла в мире в 2000 г. для нефти — 37 лет, газа — 63 года, угля — более 250 лет (данные СО РАН РФ). Запасы сырья для атомной энергетики значительны.
Прогнозируется замедление темпов роста энергопотребления, что обусловлено демографическими и ресурсными факторами.
В первые десятилетия XXIв. роль нефти в мировом ТЭБ будет определяющей. Во второй половине века снизится доля углеводородных энергоносителей и возрастет роль угля. Будет наблюдаться устойчивое увеличение объемов выработки и применения атомной, солнечной, ветровой и геотермальной энергии, а также энергии биомассы. Доля энергии, вырабатываемой ГЭС, будет возрастать благодаря использованию потенциала крупных равнинных рек Южной Америки, АТР и Сибири, а также горных рек.
1.6.3. Формирование цен на энергоресурсы
Два подхода к проблеме формирования цен на энергоресурсы. При рассмотрении проблемы ценообразования применяют два подхода: долго- и краткосрочный. Долгосрочный подход характерен для устойчивых условий экономики и долговременных изменений условий производства (обеспеченность энергоресурсами, система технологий энергопотребителей, ценность выпускаемой продукции, возможности ее сбыта и др.).
При реализации краткосрочного подхода добавляются факторы, связанные с текущими ожиданиями, рыночной конъюнктурой и др.
В долгосрочном варианте технологии рассматриваются как гибкие, а производственные ресурсы — как мобильные; при использовании краткосрочного подхода возможность изменения технологий и перераспределения ресурсов отсутствует. Это означает, что «шоки предложения», т. е. изменения в условиях производства, в краткосрочной перспективе оказывают более сильное воздействие на цены, чем в долгосрочной, поскольку в последнем случае потребители успевают адаптироваться к новым условиям.
Рост цен на энергоресурсы в краткосрочном периоде приводит к некоторому снижению спроса на них и в силу негибкости технологий — к такому же уменьшению спроса на все остальные ресурсы. Следовательно, объем выпуска, обеспечиваемый использованием этих энергоресурсов, настолько же чувствителен к изменению цен, насколько и спрос на энергоносители. Ясно, что чем выше доля издержек на энергию в общих производственных расходах, тем значительнее будет сокращение уровня производства, вызванное удорожанием энергоресурсов.
В долгосрочном периоде рост цен на энергоресурсы служит стимулом к энергосбережению и вложению инвестиций в изменение технологии. Более дорогостоящая энергия будет замещаться другими факторами производства, и прежде всего основным капиталом. Это приведет сначала к дополнительному падению спроса на энергию, уменьшению энергоиздержек, а затем к росту производства и некоторому восстановлению спроса на энергию. Результат будет зависеть от возможности замены энергии другими факторами производства. Если такое замещение обеспечивается, то в долгосрочной перспективе можно ожидать восстановления выпуска и такого сокращения энергозатрат, которое приведет к прежним издержкам на закупку энергоресурсов.
Другой крайний случай — замещение энергии другими факторами невозможно. Тогда как в кратко-, так и долгосрочной перспективе сохранится значительное падение производства. В промежуточном случае (замена возможна, но затруднительна) рост цен на энергоресурсы в долгосрочной перспективе вызовет некоторый спад производства и сокращение спроса на энергию.
Таким образом, спрос на энергоресурсы при изменении их цен более эластичен в долгосрочной перспективе, чем в краткосрочной. И напротив, уровень производства энергопотребителей более чувствителен к изменению цен в краткосрочной перспективе, нежели в долгосрочной [21]. В долгосрочной перспективе цены на энергетические ресурсы тем больше, чем выше их энергосодержание и качество. На мировых рынках наибольшую цену имеет нефть (в расчете на 1 т у.т.), на втором месте — природный газ, цена которого за 1 т у. т. меньше цены нефти на 15... 20 %. Уголь ценится ниже, чем нефть и газ. Электростанции, использующие уголь, расходуют на 15...20 % больше условного топлива (на единицу вырабатываемой электроэнергии), чем применяющие газ. Кроме того, сжигание газа практически не дает выбросов в атмосферу оксидов серы и азота, твердых частиц и фтористых соединений, Что обусловливает ценность газа. Самый дорогостоящий вид энергии — электроэнергия. Тариф на нее (цена за сравнимое количество) вдвое- втрое выше, чем на высококачественный бензин.
Влияние цен энергоресурсов на экономику. Цены энергоресурсов зависят от затрат на их производство. Однако в рыночной экономике более существенное влияние на цены оказывает спрос. Большинство факторов, определяющих цены энергоресурсов в долгосрочном периоде, воздействуют именно на спрос. Главную роль среди них играет технологическая структура энергопотребителей, от которой зависит эффективность использования топлива. Согласно экономической теории объем реализации товара на рынке пропорционален предельно высокой цене, которую покупатели еще готовы заплатить за дополнительную единицу товара. Эта цена реализуется в условиях конкуренции между покупателями.
Чем выше эффективность производства в экономической системе, тем с большим эффектом можно использовать энергоресурс. Долгосрочные цены на разные виды энергоресурсов устанавливаются примерно пропорционально качеству ресурсов. В краткосрочной перспективе при ухудшении условий добычи энергоресурсов потребители, применяющие их наименее эффективно, вынуждены сворачивать производство (из-за нерентабельности). В результате предельно высокая цена на энергоресурсы возрастает, поскольку для оставшихся на рынке она выше. В долгосрочной перспективе производство приспосабливается к новым ценам на энергоносители: дополнительные инвестиции в энергосбережение повышают эффективность использования топлива и энергии.
Тот факт, что в историческом плане цены на энергоресурсы постоянно возрастали, малоинформативен для анализа реальных экономических отношений. Важен их рост по отношению к ценам на другие товары.
Относительные цены на энергоресурсы возрастали в течение всего XXв. В 1970-х гг. в развитых странах начал доминировать четвертый технологический уклад. Этот процесс совпал с энергетическим кризисом, вызванным образованием картеля стран — экспортеров нефти. Относительные цены на энергоресурсы повысились за десятилетие в 4 —5 раз.
Однако начиная с 1982 г. отмечалось снижение относительных цен на энергоресурсы. Их удорожание оказало стимулирующее воздействие на энергосбережение. Правительствами стран и фирмами были приняты программы, предусматривающие компенсацию затрат на инвестиции в энергосбережение и создание энергосберегающего оборудования, штрафные санкции за перерасход энергии и ужесточение мер по охране окружающей среды. В результате через 20 лет энергоемкость ВВП ведущих стран сократилась на 30 %.
1.7. Энергетика и экология
Биосфера и ее развитие. Часть оболочки Земли, состав и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов (живым веществом), носит названиебиосферы. Она охватывает тропосферную часть атмосферы, почвенный слой литосферы и гидросферу Земли, которые взаимосвязаны из-за наличия сложных биогеохимических циклов миграции веществ и энергии.
Начальные этапы биогенных циклов превращений вещества и энергии в биосфере обусловлены преобразованием солнечной энергии гелиотрофными организмами, а превращений энергии окислительно-восстановительных процессов в энергонасыщенные органические вещества — хемотрофными организмами.
В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Живое вещество, преобразуя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот в биосфере. Газы атмосферы, природные воды, нефти, угли, известняки, глины созданы живым веществом. В разработке учения о биосфере Земли ведущая роль принадлежит академику В.И.Вернадскому.
В результате развития цивилизации в биосфере возникла техносфера. Биосфера, включая техносферу, под влиянием научных достижений и человеческого труда постепенно переходит в новое состояние —ноосферу — сферу разума (мыслящую оболочку Земли).
Ноосфера — высшая стадия развития биосферы, связанная с деятельностью человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, становится мощной планетарной геохимической силой, оказывающей определяющее влияние на ход биосферных процессов Земли. Человечество должно разумно управлять развитием жизни в единстве с геохимической средой с целью максимального использования богатств биосферы без ущерба для ее экосистем.
Интерес к изучению биосферы вызван тем, что локальное воздействие на нее человека сменилось в XXв. его глобальным влиянием на состав и ресурсы биосферы. На планете нет участка, гдебы не были обнаружены следы деятельности человека. В атмосфере, океане и на суше повсеместно присутствуют продукты сгорания топлива и отходы химической индустрии. Интенсивное и нерациональное использование ресурсов биосферы развеяло миф о неисчерпаемости этих ресурсов.
Информация как геохимическая сила. В.И.Вернадский писал: «Все человечество представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. ...Разум вводит в механизм земной коры новые мощные процессы, аналогичных которым не было до появления человека. Он изменил течение всех геохимических реакций». Вместе с тем В.И.Вернадский отмечает пределы вмешательства человека в природные процессы, доказывает неизбежность исчерпания запасов энергии и распространенных веществ земной коры.
Рассматривая деятельность человечества в истории каждого химического элемента, ученый вскрыл новый факт: глобальный природный процесс, связанный с работой человечества, нельзя свести лишь к материи и энергии. Идея о несводимости мысли человека только к материально-энергетическому субстрату привела к предвидению В. И. Вернадским существования некой особой субстанции. Теперь мы знаем, что этой субстанцией является информация. Теория информации и кибернетика сформировались уже после ухода В. И. Вернадского благодаря усилиям многих ученых, в том числе Н.Винера, К.Шеннона, Дж. фон Неймана. Кибернетика, уточняя интуитивное представление об информации, изучает живые организмы и машины с точки зрения их способности воспринимать определенную информацию, сохранять ее в памяти, передавать по каналам связи и перерабатывать в сигналы, направляющие их деятельность.
Информация в той или иной степени используется отдельным человеком как обобщенный, а не его личный опыт с целью оптимизации взаимоотношений с окружающей средой [18]. Владение же и управление информацией о глобальных природных процессах и преобразовательной деятельности всего общества становится мощной геохимической силой.
Двойственный характер энергетики и устойчивое развитие биосферы. Достигнутый уровень развития производительных сил стал результатом освоения гигантских энергетических массивов. Перспективы развития науки и техники предполагают в будущем более значительные потребности в энергии. Вместе с тем уже сейчас человечество находится в зоне экологического кризиса, вызванного деятельностью мирового энергетического комплекса. Этот кризис отличается не только дефицитом ресурсов жизнеобеспечения, но и избытком продуктов жизнедеятельности.
Возникшая коллизия обусловлена двойственным характером развития энергетики: с одной стороны, она вносит колоссальный позитивный вклад в развитие человечества и новые, все возрастающие потребности в энергии вызывают увеличение ее дефицита, а с другой — в соответствии с объемами преобразования, потребления и утилизации энергии растет ущерб, причиняемый среде обитания.
Основные источники выбросов в атмосферу — производство и потребление энергии. Среди производителей наиболее существенное отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают ТЭС, а среди потребителей — автотранспорт. К концу XXв. на территории России двигатели ежегодно выбрасывали в атмосферу 8,41 • 106т СО, 1,5 • 106тN02, 4,4 • 104т С, 2,1 • 105тSOи 3,2-103т РЬ [18]. Главные загрязнители водных объектов — промышленные предприятия, особенно цветной металлургии, и водный транспорт. Ресурсы почвы сокращаются не только вследствие ее загрязнения, но и в результате сооружения магистралей и предприятий.
Человечество, оценив последствия своих действий, должно выбрать рациональный путь.
В биосфере гармония развития обусловлена гомеостазом1 между компонентами этой сферы и факторами ОС. Согласно закону природной зональности на определенном участке биосферы поддерживается некая стабильность сочетания факторов среды, которая, в свою очередь, обеспечивает стабильность состава и активностибиоты2, от которых зависит емкость и скоростьметаболизма3, данного участка биосферы.
Биота специализирована по функциям. Продуценты с помощью солнечной энергии из минеральной массы синтезируют фитомассу.Консументы трансформируют первичную биологическую продукцию в зоомассу и микробиомассу, включая и ан-тропомассу.Редуценты разрушают, минерализуют отмершую биомассу до конечных минеральных элементов, вступающих в новый цикл круговорота вещества.
Совокупность продуцентов, консументов и редуцентов, взаимодействующих друг с другом и с ОС в условиях гомеостаза, представляет собой экосистему. Экосистема функционирует в режиме, который контролируется сочетанием внешних условий: свет, теплота и влага.
Разум человека позволил создать систему технических средств для активной адаптации к среде обитания с широкими
'Гомеостаз — динамическое равновесие.
2Биота — исторически сложившаяся совокупность растений и животных, объединенных общей областью распространения.
3Метаболизм — биологический круговорот.
пределами экстремальных условий, добывать недоступные ранее ресурсы. Человек стал единственным биологическим видом, сумевшим преодолеть естественный лимит численности популяции, и зоомасса консументов перестала подчиняться закону регулирования численности.
Неограниченный рост популяции человека создал критическую ситуацию в среде его обитания. Прежде всего, возник дефицит ресурсов жизнеобеспечения. А в последние годы проявился избыток продуктов жизнедеятельности, который сформировал новый вид третичной (антропогенной) продукции, включающей в себя всевозможные отходы, искусственные вещества, отработавшие машины и сооружения. Третичная продукция накапливается в биосфере, нарушая цикл круговорота, поскольку природные редуценты не справляются с большой массой неестественных веществ. Неутилизированная масса третичной продукции оказывает негативное влияние на функции естественных продуцентов и редуцентов. Биосфера вынуждена отдавать прожорливым консументам все более значительный объем фитомассы и принимать в свой отрегулированный ранее цикл метаболизма возросший объем отработавшего вещества нового, ранее неизвестного ей состава и свойств. В результате роста потребностей уменьшился общий запас фитомассы, а затем стал нарастать дефицит растительной пищи, кислорода и пресной воды. Избыток отходов жизнедеятельности человека еще более усилил дефицит фитомассы вследствие сокращения площади естественных экосистем и снижения их продуктивности из-за загрязнения среды.
В этой ситуации человек должен взять на себя кроме функции консумента выполнение еще двух функций: продуцента и редуцента. Ему следует создать индустрию первичной биологической продукции — фитомассы для обеспечения роста численности популяции. Кроме того, он должен создать индустрию рециклирования отработавшей третичной продукции, чтобы ликвидировать тромб, образованный этой продукцией в биологическом круговороте.
Принципы обеспечения устойчивого развития, связанные с потреблением ресурсов, таковы [19]:
темпы потребления возобновляемых ресурсов (почва, вода, древесина, биоресурсы) не должны превышать темпов их регенерации;
темпы потребления невозобновляемых ресурсов не должны превышать темпов их замены возобновляемыми или неисчерпаемыми ресурсами;
интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать темпов, с которыми эти вещества перерабатываются, поглощаются или теряют вредные для среды обитания свойства.
1.8. Энергетика и транспорт
1.8.1. Энергетическая инфраструктура транспорта
Транспорт — существенный фактор экономического и социального развития, однако он является, с одной стороны, весьма энергоемкой отраслью, требующей значительных людских и материальных ресурсов, а с другой — одним из основных источников загрязнения среды обитания.
Энергетическая инфраструктура транспорта включает в себя топливно-энергетическую базу и множество энергетических объектов, с которыми он взаимодействует.
Общую структуру энергетики представим в виде диаграммы классов UML1(рис. 1.2). На диаграмме 02— кислород, являющийся элементом атмосферы (стрелка с ромбиком) и одновременно сырьем (окислителем) для множества производственных процессов и жизнедеятельности (стрелки с наконечником); Н20 — вода гидросферы, используемая в реакциях процессов получения топлива, в качестве носителя теплоты в коммуникациях либо как элемент различных производственных процессов и жизнедеятельности (вода рек как носитель механической энергии, а также вода геотермальных источников выделены в отдельные энергоресурсы); СnНm, — множество углеводородных топлив и материалов; С — топлива на основе углерода; Н2— технический водород;Производство — все множество производственных отраслей, кроме энергетики и транспорта;Быт — сфера непроизводственной деятельности.
Излучение Солнца, достигающее Земли, — это поток энергии мощностью 1,78 • 1017Вт (сечениеА—А). Около трети этого потока (6 • 1016Вт) поглощает атмосфера; 71 % потока, прошедшего через атмосферу (8,4-1016Вт), поглощает гидросфера, а остальные 3,4 • 1016Вт — литосфера [13].
Отметим, что энергия ветра 6,12 • 1021Дж эквивалентна энергии, поступающей на Землю с потоком солнечного излучения в течение 6,12 • 1021/(1,78 • 1017) = 34 382 с = 10 ч, энергия рек — в течение 0,1 ч, энергия горючих веществ (1,98 • 1023Дж) — 12 сут. Последнее значение заставляет подумать о мизерности природных ресурсов, накопленных Землей за миллиард лет геохимической эволюции.
Мировое потребление энергии соответствует срезу В—В. Извлечение ресурсов и их переработка требуют затрат энергии. Завершению подготовки энергии к конечному использованию
1Диаграмма классов позволяет отображать как ассоциативные связи (стрелки с наконечниками), так и агрегации — отношения типа «часть —целое» физического характера, когда часть может существовать без целого (стрелки со светлым ромбиком).

D— —D
Рис. 1.2. Общая структура энергетики:

Таблица 1.6
Структура конечного потребления энергоносителей
Сфера потребления Годы 1980 1990 1995 2010 2020
США Производственная
сфера
Непроизводственная
сфера
Транспорт 40,3
3,9
25,9 38,1
35,0
26,9 38,0
35,4
26,6 35,6
34,6
29,8 35,1
34,2
30,7
Окончание табл. 1.6
Сфера потребления Годы 1980 1990 1995 2010 2020
Западная Европа Производственная 41,7 31,0 29,6 29,7 29,8
сфера Непроизводственная 37,5 39,6 40,1 38,1 37,3
сфера Транспорт 20,8 29,4 30,3 32,2 32,9
Япония Производственная 56,2 48,3 48,3 48,7 ,—
сфера Непроизводственная 23,1 25,1 26,5 29,9 —
сфера Транспорт 20,7 26,6 25,2 21,4 —
Россия Производственная — 65,0 58,8 52,0 52,0
сфера Непроизводственная — 24,0 31,0 35,0 33,0
сфера Транспорт — 11,0 10,0 13,0 15,0
соответствует сечение С—С. Конечному потреблению энергии отвечает зона междуС— С иD — D.
Структура конечного потребления энергоносителей (с прогнозом до 2020 г.) в нескольких странах приведена в табл. 1.6 [10].

47
Отметим диспаритет с ущербом для транспорта в структуре потребления энергии в России.
Чрезвычайно важное значение для экономики имеет КПД извлеченных из недр материалов (зона между сечениями В—В иD—D). Энергия, заключенная в добытом топливе, используется лишь на одну четверть.
Транспорт, применяя энергоносители и компоненты для их утилизации, полученные из трех природных сфер, возвращает в эти сферы загрязнения разных типов, что отражено на рис. 1.3. Четыре типа загрязнений — ингредиентные, параметрические, биоценотические и ландшафтные — соответствуют классификации, принятой в экологии (см., например, [12]).
Транспорт является основным потребителем жидкого топлива, расходующим 48 % добываемой в мире нефти [10].
1.8.2. Энергозатраты компонентов транспорта
Целенаправленное взаимодействие множества объектов транспорта обусловлено функционированием пяти подсистем, представленных на диаграмме классов «Транспорт» (рис. 1.4) [14].
Транспортное пространство — носитель энергоемкого транспортного производства. Структура модели этого пространства представлена диаграммой классовUML1на рис. 1.5. В физической среде пространства (субстанционально разделяющейся на четыре подкласса —Космос, Воздух, Вода иЗемля) переносятся газы, распространяются звуковые, электромагнитные и сейсмические волны.
Транспортное пространство имеет границы, обусловленные естественными (в модели — класс Физическая Оболочка) или искусственными, организационно-правовыми(ПравовыеОгра-ничения),факторами. Через границы происходит энергообмен сОС (звук, утечка нефтепродуктов и др.). Пространство характеризуется определенным режимом: температурой воздуха, наличием освещения, фазой пешеходного перехода и др.
Топология связей транспортного пространства (представляемая классом Сеть) существенно влияет на энергетику транспорта и движение транспортных потоков. Сеть представляется графом. Элементами-примитивами сети являются два класса —Ребро иВершина, а облик сети характеризуется классом-компонентомКонфигурация, композиционно обусловленным классами понятийМетрика, Топология иГеометрия.
К наиболее важным факторам, определяющим энергозатраты на перевозки, можно отнести энергетические показатели

1Стрелка с затемненным ромбиком — «композиция» — означает отношение «часть—целое» логического характера, когда часть не существует без целого.
Субстанция
транспортных средств (ТС) и энергозатраты на проводку транспортных потоков.
Транспортная техника (см. рис. 1.4) — механизмы, машины, сооружения — наиболее энергозатратная подсистема.Персонал занят трудовой деятельностью; создание ему рабочих условий сопряжено с энергозатратами.Объекты перевозок — пассажиры и грузы. Обеспечение комфорта пассажирам и сохранности грузов также требует энергозатрат, равно как и функционированиесистемы управления — совокупности элементов, осуществляющих управление процессами и информационное взаимодействие с инфраструктурой.
1.8.3. Факторы формирования энергозатрат на перевозки
Процесс перевозки состоит из совокупности различающихся по энергоемкости операций: складирования, комплектации, накопления, упаковки, погрузки, транспортирования, разгрузки и др. При выполнении этих операций используется множество разнообразных технических средств.
Энергозатраты на перевозку зависят от технических характеристик средств труда и организации работ в каждом элементе процесса продвижения груза, что будет рассмотрено в гл. 5. Здесь же мы затронем вопросы формирования и оценки энергозатрат на осуществление определенного процесса — транспортирования, эффективность которого в первую очередь зависит от характеристик ТС.
К основным характеристикам, определяющим эффективность ТС, относятся производительность и экономичность.
Часовая производительность ТС

где— рейсовая скорость движения ТС, км/ч;тт — масса груза, т.
Экономичность ТС характеризуется параметром

где GT — часовой расход топлива, кг/ч.
В табл. 1.7 приведены данные дляпо видам транспорта.
Транспортирование грузов осуществляется по маршруту, состоящему из участков транспортной сети, при наличии помех и определенной организации движения. Поэтому энергозатраты единичного ТС зависят не только от его свойств, но и от названных факторов, а также умения водителя управлять ТС в оптимальном режиме в разных ситуациях.
Энергозатраты транспортного потока складываются из затрат единичных ТС. Энергозатраты же, связанные с движением мно жества ТС по сети, представляют собой сумму затрат потоков, движущихся по элементам сети: ребрам (магистралям) и вершинам (развязкам, станциям). Таблица 1.7
Сравнение основных характеристик видов транспорта
Вид транспорта Производительность Пт, т-км/ч Параметр экономичности &, кгДт-ч)
Автомобильный Железнодорожный Водный
Воздушный 100...1500 4000... 6000 2000...3000 5000...25000 0,5...1,0 1,2...1,6 1,7-2,3 2,3...2,9
С точки зрения эффективности движения потоков и энергозатрат основой для транспортной сети являются ее топологические свойства (направленность, связность, цикличность) и организация движения. Топологические свойства по-разному влияют на эффективность транспортной сети: например, по признаку цикличности для мегаполиса нужна ячеистая сеть, а для транспортного коридора — древовидная структура с высоким значением так называемого показателя ствольности [14].
1.8.4. Статистика энергетики автомобильного транспорта
Автомобиль. Число АТС в мире превысило 6 • 108ед. что составляет 100 ед. на 1000 чел., при этом в США, например, — 798, а в России — 190 ед./ЮОО чел. Уровень автомобилизации населения в мире растет быстрее самого населения (27 % против 4 % в период с 1996 по 1999 г.) [3, 18].
Суммарная мощность автомобильных двигателей составляет 20...25 млрд кВт, а вырабатываемая ими энергия — 30 трлн кВт • ч/год (3,7 Гт у.т./год, т. е. ¼ всего объема энергии, осваиваемого человечеством).
По объему отдельных потребляемых жизненно важных ресурсов автомобиль существенно превосходит человека. Так легковой автомобиль, годовой пробег которого составляет 15 тыс. км, потребляет кислорода столько же, сколько его необходимо в течение этого времени 15 чел. [18].
Автомобильный транспорт. Мировой автопарк насчитывает более 140 млн грузовых АТС и 460 млн легковых автомобилей и автобусов. Потребности в автоперевозках возрастают. Увеличивается парк, протяженность автодорог, объем перевозок и грузооборот. Ежегодный объем перевозок оценивается в 21 млрд т грузов. Общая протяженность дорог превысила 13 млн км.
Плотность распределения АТС, равная отношению числа АТС к площади территории, является показателем моторизации территории. На рис. 1.6 приведены результаты выполненного в МАДИ (ГТУ) анализа соотношения между плотностью улично-дорожной сети (УДС) и плотностью распределения АТС. Видим, что Россия уступает странам Европы. Предельно высокой моторизацией отличаются мегаполисы. В табл. 1.8 представлены показатели моторизации и УДС крупнейших из них [18].
Автомобильный транспорт России. В России зарегистрировано более 30 млн АТС. Наряду с российскими перевозчиками транспортные услуги предоставляют зарубежные фирмы.

Рис. 1.6. Соотношение между плотностью улично-дорожной сети и плотностью распределения АТС
Общий объем перевозок 19 млн т. Совокупный доход всех автотранспортных организаций от перевозок российских грузов оценивается в 5 млрд долл., на долю российских перевозчиков приходится 0,9 млрд долл. [18].
Протяженность автодорог превышает 900 тыс. км. Треть из них имеет гравийное, шлаковое или булыжное покрытие; 10 % представляют собой грунтовые дороги. Плотность автодорог общего пользования составляет 25 км на 1000 км2, в то время как в Западной Европе — 1000 км, а в США — 800 км. Большая часть дорог не справляется с грузопотоком, однако темп строительства дорог недостаточно высок [18].
На внутреннем рынке грузовых автоперевозок функционируют свыше 400 тыс. субъектов, имеющих около 2 млн АТС. В среднем объем перевозок одного грузового автомобиля равен
Таблица 1.8
Показатели улично-дорожной сети крупнейших городов мира
Мегаполис Плотность
населения,
тыс. чел./км2 Число АТС на 1000 чел. Плотность
УДС,
км/км2 Плотность
распределения
АТС, ед./км2
Нью-Йорк 9,2 345 13,3 3174
Монреаль 3,5 337 4,4 1180
Лондон 4,2 253 8,0 1063
Гамбург 2Д 400 5,2 840
Париж 5,2 350 4,7 1820
Москва 8,5 163 4,0 1386
Таблица 1.9 Фактические и прогнозируемые показатели потребления энергоресурсов в России
Показатель Годы
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Потребление первичных энергоресурсов, млн т у.т. В том числе:
промышленность и строительство
Транспорт
сельское хозяйство
коммунально-бытовой сектор 1257
548
217
62
257 937
355
161
41
249 898
318
154
30
268 910 ...955
331 ...347
159... 165
32... 34
272 ...278 925... 1000
335...365
191... 172
35... 39
276... 285 940... 1055
340...387
163... 185
37... 45
278... 295 970... 1160
350... 420
167... 202
39... 50
286... 310
Потребление электроэнергии, млрд кВт • ч
В том числе:
промышленность и строительство
Транспорт
сельское хозяйство
коммунально-бытовой сектор 560
89
67
182 394
65
53
186 383
63
41
295 948
406...426
66... 71
44... 48
217 ...229 1079
444... 492
73...82
49 ...56
217... 263 1253
484 ...577
80 ...93
55 ...68
259 ...307 1509
529 ...700
87... 109
60... 81
287... 376
Таблица 1.10
Прогноз развития транспорта в России и его энергопотребления
Показатель Годы
2000 2010 2020
Пассажирский транспорт
Мобильность населения, 1000 км/чел. 4,8 5,6 6,5
Пассажирооборот, млрд пасс.-км: местный дальний 700 205 800 360 930 590
Доля легковых автомобилей в местных перевозках, % 43 52 71
Доля автотранспорта в дальних перевозках, % 38 43 50
Потребление моторного топлива, млнт 19 24 37
Потребление электроэнергии, млрд кВт • ч 7,4 7,9 6,9
Грузовой транспорт
Грузооборот, млрд т • км:
железнодорожный транспорт водный транспорт автомобили 1225 330 190 1715 500 245 2645 760
375
Потребление моторного топлива, млнт 48 58 83
Потребление электроэнергии, млрд кВт • ч 55 63 76
2,2 тыс. т в год при грузообороте 53 тыс. т • км. Среднесуточный пробег 24 км.
Городской наземный электрический транспорт функционирует в 113 городах России. Объем учтенных перевозок составляет 16 млрд пасс, пассажирооборот — 53 млрд пасс.-км.
Улично-дорожная сеть страны не соответствует фактической интенсивности транспортных потоков. Плотность УДС в крупных городах составляет 1,5... 1,6 км/км2(оптимальная — 2,2... 2,4 км/км2). Техническое состояние дорог неудовлетворительное [18].
Возможная динамика развития транспорта страны и прогноз энергопотребления до 2020 г. приведены в табл. 1.9 и 1.10 [10].
1.8.5. Логистический и геоинформационный подходы к транспортной энергетике
Логистика — дисциплина, целью которой является оптимальное управление материальными, а также совокупными информационными и финансовыми потоками от их возникновения в виде сырья до поглощения в виде конечного продукта. Между возникновением и поглощением потоков звенья логистической системы производят над ними множество операций (логистическихактивностей): преобразование, перемещение, сортировку, ветвление, слияние, консолидацию, хранение, складирование и др. Критериями оптимизации могут быть минимум суммарных затрат по логистической системе, максимум корпоративной прибыли и другие показатели. Важную роль в логистике играет транспорт.
Энергетика — это суперсложная система, а ее компонент — транспортная энергетика представляет собой сложную распределенную динамическую систему с множеством элементов, а также перекрестных связей как между элементами, так и с хозяйственным комплексом в целом. Эти связи образуют сети с реализацией множества потоков разной природы. Транспортная энергетика, обладающая перечисленными особенностями, несомненно, является логистической системой.
Представим процесс продвижения энергопотока по логистическому каналу в виде диаграммы активностей UML(рис. 1.7) [5].

Рис. 1.7. Диаграмма активностей (в формате UML), приложенных к энергетическому потоку (применительно к нефтяному топливу) на пути от его возникновения до утилизации в процессе перевозок
Вся сфера деятельности делится на пять полос ответственности хозяйственных комплексов: выработка (месторождения),первичная обработка, переработка (нефтеперерабатывающимкомплексом), распределение (топлива) на пути от нефтеперерабатывающего завода до автозаправочной станции,утилизация (поглощение энергии топлива) в процессе движения АТС. Последовательность активностей может видоизменяться и приобретать сетевую форму.
Геоинформационные системы (ГИС) служат целям интегрированного представления и использования информации о множестве сфер деятельности в регионе (мире) с привязкой к геодезической сети. Информация о сферах деятельности располагается «послойно».
В настоящее время логистический, геоинформационный и объектно-ориентированный подходы интегрируются для решения общей проблемы моделирования, проектирования, анализа и сопровождения сложных распределенных динамических систем.
В завершение мысленно представим, что множество потоков энергии (1-й слой), ассоциированных с потоками энергоносителей (2-й слой), продвигаются к своему конечному потребителю — потокам АТС (3-й слой), осуществляющим продвижение грузопотоков (4-й слой) и пассажиропотоков (5-й слой) на сети дорог (6-й слой), и все они привязаны к геодезической сети (7-й слой).
1.9. Научно-технические проблемы и задачи транспортной энергетики
Развитие теоретических основ рабочих процессов. Эффективность реализации энергии существенно отражается на эффективности перевозок и именно с ней связаны основные проблемы транспортной энергетики: дальнейшее развитие теоретических основ организации сгорания жидкого и газообразного топлива в традиционных двигателях; развитие водородной энергетики; разработка альтернативных моторных топлив; совершенствование методов снижения уровня загрязнения ОС.
Конструктивное совершенствование традиционных видов транспорта. Проблемы в этой области включают в себя снижение удельной массы элементов, повышение удельной мощности ДВС, КПД энергосиловых элементов, уменьшение сопротивления движению, осуществление рекуперативного торможения, увеличение запаса хода.
Развитие новых видов транспорта. К новым видам транспорта относятся электромобили с индуктивным подводом энергии, бесколесный рельсовый транспорт и гелиотранспорт.
Конструктивное совершенствование систем обеспечения работы транспортных энергоустановок. Эта тема детально рассмотрена в гл. 3.
Оптимизация и автоматизация управления транспортным средством и его энергосиловыми элементами. Специализированное ТС может быть совершенным только для определенных эксплуатационных условий. АТС общего назначения можно сконструировать и настроить на преобладающий режим движения. Однако сколь совершенной ни была бы конструкция, без умелого управления автомобилем высокой эффективности АТС не добиться.
Развитие дорожной сети. Кроме экстенсивного наращивания суммарной длины дорог с усовершенствованным покрытием необходимо развитие и применение методов оптимизации топологии дорожной сети.
Оптимизация управления автотранспортными потоками (AT-потоками). Без оптимального управления АТ-потоками высокая энергоэффективность парка машин недостижима. Цепь исследовательских действий в этой области включает в себя решение ряда задач по следующим элементам: одиночное движение АТС—движение АТС в цепочке—движение АТС в потоке — установившееся движение однородногоAT-потока — установившееся движение смешанного АТ-потока—движение пачек АТС и их взаимодействие вAT-потоке — нестационарные АТ-потоки — взаимодействие потоков на фрагменте УДС —АТ-потоки на сети.
Энергоснабжение подвижного состава, транспортных систем и предприятий. Это задачи слоя деятельности между сечениямиВ—В иС—С структурной схемы энергетики (см. рис. 1.2) или первые четыре зоны деятельности диаграммы активностей (см. рис. 1.7). Решение этих задач должно осуществляться с применением распределительной логистики и ГИС.
Оценка энергоемкости транспортной продукции. Это проблема совершенствования методологии измерения и развития системы показателей. Упомянем измеритель«тран» [4], предлагаемый исследователями для оценки энергоемкости транспортного процесса.
Снижение издержек на топливно-энергетическую составляющую транспортного процесса. Разработка и применение методов снижения энергозатрат. Технические методы снижения энергозатрат включают в себя совершенствование конструкций машин, используемых в транспортном процессе, правильный выбор специализированных средств, поддержание технического состояния машин и дороги на высоком уровне.
Технологические методы — оптимальное управление транспортным средством, использование влияния технологии погру зочно-разгрузочных работ на энергоемкость функционирования транспортного комплекса.
Организационно-управленческие методы связаны с иссле-дованием и использованием влияния организации движения и логистических методов организации перевозок на энергоемкость перевозок.
Применение энергосберегающих технологий как способа защиты окружающей среды и общества. Наиболее важными аспектами этой проблемы являются совершенствование систем снижения дымности и токсичности транспортных ДВС, обеспечение экологической безопасности моторных топлив, контроль их качества и расходования.
Контрольные вопросы
Каково содержание понятий энергетики и энергии?
Какие виды и формы энергии вам известны?
Охарактеризуйте общие ресурсы энергии и их иерархию.
Назовите методы и устройства преобразования энергии.
Как осуществляется аккумулирование энергии?
Перечислите топливные эры и технологические уклады.
В чем состоят единство и противоположность энергетики и экологии?
Назовите особенности энергетической инфраструктуры транспорта.
Приведите основные показатели мирового автопарка.
Перечислите основные показатели автопарка России.
В чем состоит суть логистического и геоинформационного подходов к транспортной энергетике?
Каковы проблемы и задачи транспортной энергетики?
Глава 2
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ
2.1. История теплоэнергетики
Современная теплоэнергетика базируется на результатах практического опыта и научно-технического поиска многих поколений талантливых изобретателей, конструкторов, испытателей и ученых, внесших значительный вклад в совершенствование производительных сил общества [22].
Глубокому пониманию теоретических положений теплотехники, изначально сугубо прикладной науки, должно способствовать ознакомление с ее основами.
Развитие учения о теплоте началось с практической термометрии. Первый термометр был продемонстрирован Г. Галилеем на лекции в Падуе в 1597 г. Г. Амонтон впервые высказал мысль о том, что термометр измеряет не количество теплоты, а степень нагретости тел. В 1724 г. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с нулевой отметкой при температуре смеси льда, воды и нашатырного спирта; позднее он ввел точку кипения воды, обозначив ее 212°. М.В.Ломоносов при проведении исследований часто пользовался своей шкалой, у которой 0° соответствовал замерзанию, а 150° — кипению воды. Наконец, в 1742 г. А.Цельсий ввел стоградусную шкалу с 0° при замерзании и 100° при кипении воды.
Развитие калориметрии, связанное с исследованиями по определению теплоты плавления и парообразования веществ, привело к появлению первой научной абстракции — понятиятеплородакак особой невесомой формы текучей материи и способствовало становлениюкинетической теории теплоты. М.В.Ломоносов, отвергая флюидную теорию теплоты, в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744 г.) утверждал, что «достаточное основание теплоты заключается в движении. А так как движение не может происходить без материи..., теплота состоит во внутреннем движении материи». В работе 1748 г. «Опыт теории упругости воздуха» М. В.Ломоносов развил свою теорию теплоты и основымолекулярно-кинетической теории газов, получившей всеобщее признание ученых только в серединеXIXв.
Начало XIXв. ознаменовалось переворотом в экономике отдельных стран — началом развития крупной промышленности и машиностроения, пришедших на смену кустарному производству. К этому времени в различных областях хозяйственной деятельности уже получила широкое распространение паровая машина Дж. Уатта, созданная им в 1769 г. на основе коренного усовершенствования конструкции комбинированного двигателя, изобретенного в началеXVIIIв. англичанами Т.Ньюкоменом и Н. Коули, который можно было использовать и в качестве насоса.
Следует отметить, что необходимая для транспортных потребителей возможность непрерывного действия паровой машины, по мнению отечественных ученых [22], была впервые в мире обоснована русским механиком И.И.Ползуновым. В 1763 г. он передал начальнику Колывано-Воскресенского завода докладную записку и проект изобретенного им «огнедействующего» двигателя. Непрерывное действие машины обеспечивалось применением двух цилиндров, поршни которых поочередно приводили в действие общий вал.
Использование И.И.Ползуновым принципа суммирования энергии, получаемой в разных рабочих полостях двигателя, в отличие от чисто механического аккумулирования потенциальной (груз-балансир) или кинетической (маховик) энергии было для того времени новаторским шагом, открывшим возможность создания быстроходных тепловых машин.
На протяжении XIXв. одновременно с повышением мощно-стных и топливно-экономических показателей паросиловой техники (агрегатная мощность увеличилась с 7,4... 14,7 кВт до 7,4... 11,0 МВт, степень использования тепловой энергии топлива возросла в среднем с 5 до 15 %) происходила ее глубокая специализация: создавались паровые молоты и прокатные станы, водо- и шахтоподъемные установки, воздуходувные агрегаты и т.д.
В это время наряду с традиционными конструкциями тепловых двигателей разрабатывались реверсивные, роторные и коловратные паровые установки, для приведения в действие которых использовалось природное ископаемое топливо.
Создание теплового двигателя стимулировало развитие транспорта. Паровая самодвижущаяся повозка французского инженера Ж. Кюньо, построенная в 1769 г. для перевозки пушек, считается первым транспортным средством на нашей планете [22]. С середины XIXв. сначала в Англии, а позднее на европейском континенте стали появляться промышленные передвижные паросиловые установки — локомобили, первые образцы которых имели небольшую мощность (2,9...5,9 кВт при давлении пара 300... 400 кПа и частоте вращения вала до 150 мин-1).
В России первыми конструкторами паровозов были отец и сын Черепановы. Паровоз, построенный ими в 1834 г., мог перевозить 3,5 т груза со скоростью 15 км/ч.
Первые паровые суда А. Эванса были оснащены двигателем с избыточным давлением 0,6... 1 МПа и лопастными гребными устройствами. Первый русский пароход «Елизавета» (1815 г.) совершал рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом. Он был полностью изготовлен из дерева (железные, а позднее стальные суда начали строить с середины XIXв.), а дымовая труба была выложена из камня.
Массовое внедрение тепловых двигателей на транспорте и в промышленности резко изменило общий уклад жизни в наиболее передовых странах и способствовало их интенсивному развитию, но в то же время оказалось причиной быстрого истощения невозобновляемых природных энергетических ресурсов, прежде всего каменного угля и нефти.
Теоретическая база теплоэнергетики начала развиваться и оформляться в самостоятельную область научных знаний (термодинамику) в XIXв. на основе «воскрешения» идей броуновской кинетической теории газов и механической теории теплоты М.В.Ломоносова после того, как паровой двигатель успешно зарекомендовал себя в промышленности и на транспорте.
Научные сведения о свойствах водяного пара были получены в первой четверти XIXв. Дж. Дальтоном, Ж. Гей-Люссаком, П.Дюлонгом, А. Пти и Д. Араго. В 40-х гг.XIXв. А.Реньо начал обстоятельно исследовать отклонения от законов Бойля — Ма-риотта и Гей-Люссака для реальных газов, а также свойства насыщенного и перегретого пара. Р. Клаузиус вывел уравнение, связывающее изменение объема при парообразовании с теплотой парообразования, согласующееся с теоретическими выводами Б. Клапейрона. Это уравнение в теплотехнической науке получило название уравнения Клапейрона —Клаузиуса. На основе обобщения выводов теории парообразования А. Реньо предложил таблицы термодинамических параметров водяного пара.
К первым фундаментальным изысканиям в теплоэнергетической науке относят труды Ж. Фурье, С. Карно. В работе «Аналитическая теория тепла» (1822 г.) Ж.Фурье излагает теорию теплопроводности. Непосредственно с задачами практики связана теоретическая работа С. Карно «Размышления о движущей силе огня» (1824 г.), которому принадлежат исключительно важные для естествознания обобщения. В частности, в указанной работе он пишет: «...недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезна... Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы».
Открытие закона сохранения и превращения энергии ускорило формирование термодинамических научных положений, поскольку первый закон термодинамики, устанавливающий эквивалентность теплоты и механической работы, является одним из его проявлений при переходе энергии из одного вида в другой.
Следует отметить, что со вторым законом термодинамики, в частности с распространением механистического понятия энтропии на всю Вселенную, не обошлось без научных казусов («апокалипсических» выводов), разрешение которых произошло лишь в первой половинеXXв. Так, на основании этого закона, в 1857 г. У. Томсон, а позднее Р. Клаузиус в работе «О движущей силе теплоты» пришли к теоретическому заключению о всеобщей тенденции рассеяния энергии в окружающей среде и неизбежности «тепловой смерти» Вселенной. Этот пример демонстрирует несостоятельность распространения частных теоретических обобщений, хотя и чрезвычайно полезных для теплотехнической практики, на все бесконечно многообразные явления природы.
Современная теплотехника базируется на фундаментальных представлениях об ограниченности реального человеческого знания (И. Гете) и неиссякаемости в масштабах бесконечного мироздания (Вселенной) материи, энергии, движения, жизни и информации (В.И.Вернадский).
В России во второй половине XIXв. складывается самобытная школа физики процессов, происходящих в паровых котлах [22], представителями которой являются Н.Н.Божерянов, И.П.Алымов, И.В.Вышнеградский, Н.П.Петеров, И.А.Тиме, Г.Ф.Депп, В.Г.Шухов (создатель самого распространенного котла в России), позднее В.И.Гриневецкий, М.В.Кирпичев и многие другие.
Важное значение для мировой науки и практики имели труды Д. И. Менделеева, в частности вывод уравнения состояния для идеальных газов, открытие критического состояния вещества и обоснование его термодинамических параметров.
Требования к повышению быстроходности и мощности тепловых машин, а также развитие электротехники, в частности ге-нераторостроения, создали предпосылки для разработки паровых турбин. Г. Лаваль разработал первые конструкции паровых турбин, а Т. Парсон объединил турбину с электрогенератором.
На примере творчества шведского инженера Г. Лаваля можно увидеть характерную черту развития теплотехники в XIXв.: он создавал работоспособные конструкции паровых турбин, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теория гибкого вала, впервые примененного Г.Лавалем, была разработана затем чешским ученым А. Стодолой, а исследования закономерностей работы сопел Лаваля продолжаются и в настоящее время. Потребность в создании экономичного, малогабаритного и быстроходного транспортного двигателя внутреннего сгорания вместо громоздких паровых машин смогла реализоваться в серединеXIXв. благодаря трем достижениям науки и практики теплотехники и электротехники, а именно:
освоению промышленного производства светильного газа (предназначавшегося в основном для освещения улиц и домов в крупных городах);
созданию катушки индуктивности, позволявшей легко осуществлять зажигание газовой смеси в полости цилиндра с помощью электрической искры;
накоплению значительного опыта создания паровых поршневых двигателей, что позволило при разработке ДВС (также поршневого типа) применить целый ряд проверенных в эксплуатации конструктивных решений.
В результате в январе 1860 г. французским инженером Э. Ле-нуаром была запатентована конструкция первого ДВС. Позднее, на парижской выставке 1867 г., немецкими инженерами был продемонстрирован ДВС, который привлек всеобщее внимание благодаря малому расходу топлива, что обеспечивалось глубоким расширением газов до достижения вакуума. В 1870-х гг. появились первые заводы по производству газовых ДВС.
Считается [22], что первый ДВС, работающий на легком жидком топливе — бензине, создан в Германии инженером Г.Даймлером (патенты 1883 и 1885 гг.). Почти одновременно с Г.Даймлером получил.патент на автомобиль К. Бенц, впоследствии организовавший их производство во Франции.
Вместе с тем в отечественной литературе по истории автомобилестроения [22] можно найти упоминания о том, что в 1879 г. капитаном русского флота И.С.Костовичем (ранее, чем Г.Даймлером) был сконструирован легкий бензиновый двигатель, предназначенный для воздухоплавательного аппарата — дирижабля. Об этом изобретении им было доложено в том же году на заседании Первого русского общества воздухоплавателей. Двигатель И. С. Костовича был изготовлен на Охтинской судостроительной верфи в Санкт-Петербурге. В 1896 г. на Нижегородской выставке (ярмарке) демонстрировался ряд оригинальных конструкций ДВС русских изобретателей.
В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент на двигатель, в котором предполагалось, следуя параметрам цикла Карно, реализовать сжатие газа до высокого давления с последующим расширением при постоянной температуре [22], а в качестве топлива использовать каменноугольную пыль. Такое смелое, с теоретических позиций, и многообещающее, с точки зрения топливной экономичности, предложение дало основание концерну «Крупп» (Германия) профинансировать изготовление экспериментальных образцов двигателя. Последовавшие опыты не оправдали ожиданий изобретателя. Предполагаемые свойства двигателя удалось реализовать лишь в части сильного сжатия всасываемого воздуха с постепенным сгоранием почти при постоянном давлении не угольной пыли, а керосина.
Новый рабочий цикл с достигнутыми термодинамическими параметрами вошел в мировую теплотехнику под названием цикла Дизеля, а опытное подтверждение в 1897 г. самого высокого (в ряду тепловых машин) КПД этого цикла предопределило широкое распространение дизелей. Любопытно заметить, что изобретенные Р. Дизелем двигатели, выпускавшиеся с 1899 г. по лицензии на заводе Э. Нобеля в Санкт-Петербурге, за границей называли русскими [22].
Первое упоминание о газовой турбине, относящееся к 1791 г., связано с получением английским изобретателем Дж. Барбером патента на тепловой двигатель, по принципу действия аналогичный современной газовой турбине. Горючая смесь воздуха и газа нагнеталась компрессором в камеру сгорания, а образовавшиеся после воспламенения и сгорания смеси газы непрерывным потоком поступали с большой скоростью на лопатки рабочего колеса турбины.
Конструкцию комбинированной газопаровой турбинной установки предложил в 1850 г. англичанин В. Фернихоу. Но изобретения Дж.Барбера и В. Фернихоу опередили потребность в таких дорогостоящих машинах и технические возможности их создания в конце XVIII— началеXIXв. Тем не менее их работы послужили толчком к дальнейшим изобретениям в данной области теплотехники.
Только при расширении применения электричества в бурно развивающейся промышленности конца XIXв. вместо громоздких поршневых паровых машин потребовались быстроходные приводные агрегаты.
Первая опытная газовая турбина была построена в 1893 — 1897 гг. морским инженером П.Д. Кузьминским. В феврале 1893 г. он сделал доклад в Русском техническом обществе о результатах испытания реверсивной судовой турбины с частотой вращения 800 мин-1. Это был прообраз конструкции радиальной турбины, которая в последующие годы нашла широкое применение в паротурбостроении. В 1897 г. газотурбинная установка была построена, однако работы по ее практическому совершенствованию не были завершены, так как в мае 1900 г. П. Д. Кузьминский скончался.
С 1900 г. в Германии началось конструирование газовых турбин постоянного давления. Первые опыты с газовыми турбинами в США относятся к 1902 г. Во Франции инженер Р. Арменго в 1904 г. создал оригинальный образец газовой турбины постоянного давления.
До Второй мировой войны газовые турбины находили применение в основном в крупных турбогенераторных установках и дизелях в качестве агрегата турбонаддува. В послевоенные годы их стали использовать в авиации (так как поршневые двигатели не могли обеспечить близкие к звуковым, а тем более сверхзвуковые скорости полета) и на судах морского флота. Кроме того, они нашли весьма ограниченное применение в автотракторной технике.
Основным видом тепловых машин в современной транспортной энергетике являются поршневые ДВС, в развитие которых значительный вклад внесли отечественные ученые. Перечислим их основные теоретические разработки.
Выдающийся русский теплотехник В. И. Гриневецкий (1871 — 1919) исследовал рабочие процессы, происходящие в паровых машинах, котельных агрегатах и ДВС. В труде «Тепловой расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания» он изложил основы теории двигателей и впервые предложил метод теплового расчета, которым широко пользуются и в наши дни. Примером смелого инженерного решения служит предложенная им поршневая машина с двухступенчатым сжатием и расширением рабочей смеси — прообраз комбинированного ДВС.
Член-корреспондент АН СССР, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Н. Р. Брилинг (1876—1961) — основоположник теории автотракторных двигателей. Под его руководством сконструирован ряд оригинальных авиационных и быстроходных автомобильных двигателей. Он автор первого учебника на русском языке по ДВС. Им получена известная формула для расчета коэффициента теплоотдачи.
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Е.К.Мазинг (1880—1944), развивая идеи своего учителя В. И. Гриневецкого, усовершенствовал методику теплового расчета двигателей, исследовал вопросы генерирования газа и его использования в двигателях. Его труды по вопросам сгорания твердого и жидкого топлива находят применение при проектировании современных двигателей.
Академик АН СССР, профессор, лауреат Государственной и Ленинской премий СССР Б. С. Стечкин (1891 — 1969) — выдающийся ученый в области гидроаэромеханики и теплотехники, ученик Н.Е.Жуковского. Его труды в области термодинамики и газовой динамики лопаточных машин широко используются в теории и практике поршневых и комбинированных ДВС.
Б. С. Стечкин внес весомый вклад в исследование индикаторного процесса двигателей, разработал основы теории воздушно-реактивных двигателей.
Профессор Е.Д.Львов (1888 — 1974), конструктор и организатор производства первых отечественных тракторов, в 1927 г. опубликовал капитальный труд по теории, конструкции и расчету тракторных двигателей.
Основополагающие исследования в области неустановившихся режимов работы тракторных двигателей выполнены академиком В.Н.Болтинским (1904— 1977). В 1951 г. был издан его учебник по теории, конструкции и расчету автотракторных двигателей для подготовки инженеров-механиков в области сельского хозяйства.
Лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н.Семенов (1896—1986), изучая процесс сгорания топливовоздушных смесей, создал новую теорию цепного воспламенения, наиболее полно и адекватно описывающую кинетику окисления топлива в ДВС.
В изучение физико-химических явлений при сгорании топ-ливовоздушной смеси и рабочих процессов карбюраторных двигателей значительный вклад внесли профессора А. С. Соколик, А.Н.Воинов, В.И.Сороко-Новицкий и П.М.Ленин. Теория и практика разработки современных дизелей обогащены трудами профессоров Н.В.Иноземцева, В.В.Кошкина, К.С.Орлина, Д.Н.Вырубова, В.И.Крутова, М.С.Ховаха, Н.Х.Дьяченко, В.Н.Луканина, А.В.Николаенко, С.А.Батурина, а также многих других конструкторов и ученых.
2.2. Энергия как мера работоспособности физических тел
Рассмотрим основные понятия, положения и явления, исследуемые современной теплотехникой.
Наблюдая явления, происходящие вокруг нас, изучая процессы изменения тел или систем тел, можно заметить, что одни тела или системы производят ту или иную работу, тогда как другие эту работу воспринимают. Каждое тело в любом состоянии обладает определенным запасом работоспособности. Она измеряется количеством работы, которую может совершить тело. Наибольшую работоспособность тела в данном состоянии в технике принято называть его энергией [16].
Любое тело в зависимости от явлений, происходящих в нем, может обладать энергией нескольких видов: тепловой, химической, электрической и др. В нем как бы заключен неопределенный запас разных видов энергии, причем каждый из них может быть превращен в механическую энергию, хотя полностью исчерпать всю энергию тела невозможно.
Таким образом, справедливы следующие положения:
энергия любого тела неотделима от его вещества;
все тела обладают неопределенным количеством разных видов энергии.
Однако современная техника не в состоянии использовать полностью этот запас энергии.
Исследования энергии тел показали, что она может преобразовываться, или переходить, из одного вида в другой. Процесс преобразования энергии протекает таким образом, что если какое-либо тело обладает некоторым запасом энергии и производит работу, то запас его энергии уменьшается; если же какая-либо внешняя сила, приложенная к телу, производит работу, то ее результатом является приращение энергии тела.
Следовательно, энергия представляет собой источник работы. Увеличение запаса энергии является результатом произведенной работы. На основании этого вывода можно оценивать количество энергии, которым обладают тела, и работу, совершаемую ими, пользуясь одинаковой единицей измерения, т. е. измерять энергию работой.
Все известные виды энергии можно отнести к одной из двух форм: потенциальной и кинетической энергии.
Потенциальной энергией, или энергией покоя, обусловливаемой взаимным расположением тел или составляющих их частиц, являются следующие виды энергии:
химическая;
энергия притяжения масс;
энергия упругого тела;
энергия электрического и магнитного полей и др.
К кинетической энергии, или энергии движения, которой обладают все движущиеся тела, можно отнести:
энергию движения масс, или механическую энергию;
лучистую энергию, или энергию электромагнитного излучения;
энергию электрического тока;
тепловую энергию и др.
Если разные виды энергии обусловливают одно и то же термодинамическое состояние закрытой системы, то они эквивалентны. Количественные соотношения между разными видами энергии называются эквивалентами.
Всеобщий закон сохранения и превращения энергии в термодинамике трансформируется впервое начало, илипервый закон, термодинамики. Его основные положения будут рассмотрены далее.
Универсальный закон, устанавливающий взаимосвязь между полной энергией и массой, был обобщен А.Эйнштейном в теории относительности (см. гл. 1).
В термодинамике полная энергия Е макросистемы1
E=EK+En+U,
где Ек — кинетическая энергия системы;Еп — ее потенциальная энергия во внешних силовых полях;U — внутренняя энергия. Кинетическая энергия системы, имеющей массут и скоростьи, определяется по формуле
Ек=mv2/2.
Изменение потенциальной энергии системы равно работе, совершаемой над системой при ее перемещении из одной точки силового поля в другое.
Внутренняя энергия — это энергия, содержащаяся в системе. Она включает в себя кинетическую энергию поступательного, вращательного и колебательного движений молекул, потенциальную энергию взаимодействия молекул, энергию внутриатомных и внутриядерных движений частиц и др.
Внутренняя энергия является однозначной функцией внутренних параметров состояния (температура, давление) и состава системы. Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, ее изменениене зависит от направления (формы пути) процесса, а определяется лишь ее значениями в конечном и начальном состояниях системы, т. е.

Внутренняя энергия — аддитивная величина. Это означает, что для сложной системы она определяется как сумма внутренних энергий составляющих частей этой системы:
где i— номер части.
2.3. Топливо — источник тепловой энергии. Виды, физико-химические и эксплуатационные свойства топлива
Источником энергии для тепловых машин является топливо (естественные или искусственные горючие вещества), каждый
1В настоящей книге мы будем придерживаться обозначений теплотехнических параметров, принятых в большинстве учебников по термодинамике.
вид которого обладает специфическими и весьма важными для практики термодинамическими свойствами.
Почти все виды топлива представляют собой разновидности «природных хранилищ» солнечной энергии, накопленных биосферой Земли за многие миллионы лет вследствие превращения под действием солнечного излучения воды и углекислоты в органические вещества, составляющие основу всего растительного мира на Земле [16]. Углекислота воздуха, проникая в растительный покров, вступает в химическое взаимодействие с водой, образуя крахмал, который затем в самом растении превращается в клетчатку и далее в древесину. Образовавшаяся таким образом клетчатка является веществом, способным гореть в кислороде, причем при ее окислении или сгорании вновь образуется углекислота и вода с выделением того количества теплоты, которое когда-то было заимствовано у солнечных лучей.
Из клетчатки в результате весьма сложных химических и физических биосферных процессов сформировались почти все природные, или естественные, виды твердого топлива, которые могут быть представлены следующим рядом [16]: клетчатка — торф — бурый уголь — каменный уголь — антрацит, где клетчатка (древесина) — наиболее молодое биосферное вещество, тогда как антрацит — наиболее древнее образование. При сжигании всех видов топлива, как состоящих непосредственно из клетчатки (дрова, солома и др.), так и образовавшихся в результате ее разложения (торф, бурый и каменный уголь, антрацит и др.), аккумулированная в них солнечная энергия высвобождается в виде теплоты.
Природным видом жидкого топлива является нефть1. Она не только содержит большое количество химически связанной теплоты, но и служит продуктом, из которого путем дальнейшей переработки получают такие ценные искусственные сорта топлива, как бензин, лигроин, соляровое масло и керосин, а также смазочные масла. К природным видам жидкого топлива относятся и остатки перегонки сырой нефти — мазут, а также спирт,
'Нефть — горючее ископаемое, маслянистая жидкость от черного до бурого цвета, иногда с красноватым, зеленоватым или оранжевым оттенком. Плотность 750...970 (обычно 800...900) кг/м3. Удельная теплота сгорания 43,7...46,2 МДж/кг. По составу нефть — сложная смесь парафиновых (метановых), нафтеновых и реже ароматических углеводородов; содержание, %, углерода — 82... 87, водорода — 11,5... 14,5. В качестве примесей (4...5 %) в нефти находятся соединения, содержащие кислород (главным образом нафтеновые кислоты), серу, азот, смолистые и асфальтовые вещества. Компонентный состав, %: масел — 65... 100; смол — 0... 30; асфальтенов — 0... 5. Спутниками нефти часто являются нефтяной газ и вода. Нефть обычно залегает в пористых или трещиноватых горных породах (пески, песчаники, известняки) и тяготеет к куполам. Ее добывают скважинным, редко — шахтным способами [24].
каменноугольные и буроугольные смолы и некоторые растительные масла.
Природным газообразным топливом является природный, или натуральный, газ, искусственным топливом — доменный, или колошниковый, и генераторный газы, газ коксовых печей, светильный газ (смесь таких горючих газов, как метан, оксид углерода и водород, образующаяся при термической переработке каменного угля или пиролизе тяжелых фракций нефти), сжиженный нефтяной и другие газы.
У всех видов твердого топлива необходимо различать органическую часть, содержащую углерод, водород, кислород и азот, иминеральную, в состав которой входят сера, оксиды железа, алюминия и других металлов, дающие при сгорании топлива твердый остаток, называемый золой. Кроме этих элементов любое природное топливо содержит большее или меньшее количество влаги.
В органической части топлива массовое соотношение углерода, водорода, кислорода и азота примерно одинаково для каждого вида топлива и зависит исключительно от условий его образования. В то же время содержание и массовое соотношение золы и влаги в топливе могут значительно колебаться в зависимости от условий его добычи и способа хранения, причем чем меньше содержится в топливе этих элементов, составляющих вместе с серой так называемый балласт, тем оно считается более ценным в тепловом отношении.
Таким образом, влага, зола и сера являются для любого топлива нежелательным балластом, содержание которого необходимо стремиться снизить до минимально возможного уровня. Хотя сера и выделяет теплоту при сгорании, ее присутствие в топливе особенно нежелательно. Образующийся при ее сгорании сернистый газ S02, а также наличие в виде примеси несгоревшей серы в золе разрушающе действуют на металлические части огневых поверхностей камер сгорания ДВС, топок и котлов. Кроме того, отработавшие дымовые газы, образующиеся при сжигании сернистых сортов топлива и содержащиеS02, губительно воздействуют на окружающую растительность и отравляют воздух.
Жидкие моторные топлива [23] обычно представляют собой смеси различных углеводородов следующих гомологических рядов:
парафиновые углеводороды — алканы, имеющие элемен-

Таблица 2.1 Характеристики жидких топлив для двигателей внутреннего
сгорания
Виды топлива Массовая доля элементов Молярная
масса, кг/кмоль Чистая
теплота
сгорания,
ккал/кг
С Н О Автомобильные бензины
Дизельное топливо
Топливо для тихоходных дизелей 0,855
0,870
0,870 0,145
0,126
0,125 _
0,004
0,005 110... 120
180... 200
220... 280 10 500
10150
10000
В состав жидких моторных топлив входят углеводороды, в молекулах которых содержится от 5 до 30 атомов углерода1. В бензинах встречаются углеводороды с числом атомов углерода до 12, в дизельных топливах — примерно до 30.
Если содержание отдельных элементов в жидком топливе выразить в массовых долях и обозначить символами соответствующих химических элементов, то его элементарный состав будет определяться следующим соотношением:
C+H+ 0 +S+N=l.
Содержание О, Sи N в нефтяных топливах обычно незначительно, и им часто пренебрегают. Элементарный состав жидкихтоплив для ДВС приведен в табл. 2.1. \
Водород обладает большей (приблизительно в 3,5 раза) теплотой сгорания, чем углерод, поэтому углеводородные топлива с повышенным содержанием водорода обладают более значительной теплотой сгорания.
Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально путем его сжигания в среде сжатого кислорода в калориметрической бомбе. При этом получают высшую теплоту сгорания Н0 топлива, учитывающую выделение теплоты при охлаждении калориметрической бомбы до начальной температуры в результате конденсации паров воды, образовавшихся при сгорании водорода топлива. В ДВС продукты сгорания выпускаются в окружающую среду при температуре более высокой, чем температура конденсации водяных паров, и, следовательно, в расчетах полная теплота сгорания не может быть применена.
' В бензинах могут содержаться растворенные газообразные углеводороды с числом атомов углерода в молекуле менее пяти, которые специально добавляют для улучшения пусковых свойств двигателей при низкой температуре окружающего воздуха [1].
70
При тепловом расчете ДВС пользуются низшей теплотой сгорания Ни.
Между значениями чистой и полной теплоты сгорания топлива существует следующая связь:

где т — масса водяных паров в продуктах сгорания, полученных при сжигании 1 кг или 1 м3топлива, кг; 600 — приближенное значение теплоты парообразования воды, ккал/кг.
Разница между значениями полной и чистой теплоты сгорания для жидких моторных топлив нефтяного происхождения составляет 5... 10 %. Жидкие углеводородные топлива по значениям чистой теплоты сгорания мало отличаются друг от друга (10000... 10500 ккал/кг).
Газообразные топлива по чистой теплоте сгорания, ккал/м3, подразделяются на высококалорийные{Ни > 5500), среднекало-рийные(Ни = 3500...5500) и низкокалорийные(Ни < 3500).
К высококалорийным относятся природные газы и газы, сопутствующие добыче и переработке нефти. Основной компонент высококалорийных газов — метан.Среднекалорийными являются газы, получаемые как побочные продукты при различных технологических процессах, например коксовый газ и др. В их состав входит больше водорода, чем метана.Низкокалорийные газы, получаемые в основном газификацией твердых топлив, наряду с основным горючим компонентом — оксидом

ния в цилиндре двигателя при повороте коленчатого вала. Это явление приводит к быстрому разрушению деталей цилиндро-поршневой группы ДВС и, следовательно, уменьшению моторесурса.
Из углеводородов наивысшей детонационной стойкостью (ее принимают равной 100) обладает изооктан, а наименьшей — нормальный гептан (считают, что его стойкость равна нулю).
Международными стандартами DIN51 756,ASTMD2699 иASTMD2700 [1] предусмотрены два метода определения октанового числа бензина: моторный (MON) и исследовательский (RON). Октановое число, полученноемоторным методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при их использовании в двигателях, длительно работающих на номинальных нагрузочных и тепловых режимах. Октановое число, определенноеисследовательским методом, служит характеристикой детонационной стойкости бензинов при неустановившихся режимах работы двигателей (движение автомобилей в городских условиях).
Октановое число бензина, найденное исследовательским методом, выше октанового числа, установленного моторным методом. Разность значений октановых чисел, называемая чувствительностью бензина, представляет собой дополнительный показатель его детонационной стойкости в случае проведения испытаний двигателей при различных режимах эксплуатации. Чем выше чувствительность бензина, тем лучше его детонационная стойкость при работе двигателя на неустановившихся режимах.
Наибольшей чувствительностью обладают олефиновые и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые; нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. Чувствительность автомобильных бензинов изменяется в пределах 2... 12. Для повышения детонационной стойкости в них вводят соответствующие присадки. Наиболее эффективнымиантидетонаторами являются органические соединения свинца — тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец, применение которых вследствие их высокой токсичности почти повсеместно запрещено.
Неэтилированное топливо представляет собой специальную смесь высококачественных высокооктановых компонентов (преимущественно алкилатов и их изомеров). Его антидетонационные свойства значительно улучшаются благодаря введению неметаллических добавок, таких, как метилбутиловые эфиры в концентрации 3... 15 % и (или) спиртовые смеси (2...3 % метанола и высших спиртов). Максимальное содержание свинца в неэтилированных топливах, как правило, ограничивается 13 мг/л.
Неэтилированные бензины пригодны для автомобилей, оборудованных каталитическими нейтрализаторами отработавших газов, так как свинец ослабляет каталитическое действие платины, родия, палладия и других благородных металлов. Он также нарушает работу кислородных датчиков (Х-зондов), без которых невозможно одновременное обезвреживание оксида углерода, углеводородов и оксидов азота в составе отработавших газов.
Важной термодинамической характеристикой, определяющей период задержки воспламенения горючего в цилиндрах дизелей, являетсяцетановое число, зависящее от химического состава топлива. Цетановое число, равное 100, соответствует легковоспламеняющемуся нормальному гексадекану (цетану); цетановое число, равное нулю, отвечает медленновоспламеня-ющемуся альфаметилнафталину. Этот показатель топлива определяется лабораторным путем с использованием экспериментального двигателя.
При отклонении цетанового числа в область меньших (относительно оптимального диапазона) значений возрастает период задержки воспламенения, в течение которого происходит подготовка топливовоздушной смеси к сгоранию. Увеличение по этой причине количества подготовленной рабочей смеси может вызвать, как и в случае «облегчения» фракционного состава топлива, нежелательное повышение скорости нарастания давления в цилиндре, приводящее к возрастанию нагрузки на детали и шумности работы двигателя.
Чрезмерное уменьшение периода задержки воспламенения путем увеличения значения цетанового числа топлива относительно оптимального диапазона также нецелесообразно, поскольку в этом случае воспламенение происходит до достижения относительно однородного распределения капель топлива в воздушном заряде, что приводит к его неполному сгоранию. С учетом данных соображений и в зависимости от уровня форсирования двигателей по быстроходности и нагрузке значения цетанового числа дизельных топлив выбирают в диапазоне 40... 55 [1]. В табл. 2.2 приведены пределы изменения основных показателей жидких моторных топлив для ДВС [23].
В последнее время получают распространение двигатели, в которых используются жидкие топлива различных сортов, например бензин, керосин или дизельное топливо. Такие двигатели получили наименование многотопливных.
Из альтернативных видов топлива для ДВС находят применение сжатый природный и сжиженный нефтяной газы, спирты (метанол, этанол), биологический и другие газы. В ближайшее время топливо нефтяного происхождения может быть заменено водородом.
В тепловых машинах потенциальная энергия топлива (горючего вещества) реализуется как механическая работа в процес
Таблица 2.2
Предельные значения основных показателей жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания
Показатель Автомобильные бензины Топливо для автотракторных и быстроходных дизелей Топливо для транспортных (тепловозных и судовых) дизелей Моторное топливо для средне- и малооборотных дизелей
Октановое число, определяемое:
1моторным методом
исследовательским методом 72...89
76 ...98 —
__ —
__ —
__
Цетановое число — 40... 50 45 —
Температура кипения, "С 185 ...205 — — —
Кинематическая вязкость, сСт, при температуре, "С:
20
50 —
__ 1,5...8,0
__ 2,2...6,5
__ —
36 ..150
се преобразования и передачи энергии через парогазовую систему. Термодинамические свойства парогазовых систем являются предметом исследования современной теплотехники.
2.4. Основные термодинамические характеристики и уравнения состояния парогазовых систем
В основе современной термодинамики лежит понятие термодинамической системы — совокупности материальных тел, являющихся объектами изучения, которые могут взаимодействовать с окружающей средой [16].
Характерным примером термодинамической системы является газ, находящийся в цилиндре поршневой машины (насос, компрессор, ДВС). Окружающей средой здесь следует считать цилиндр с поршнем, атмосферный воздух, который их окружает, и т.д.
Термодинамическая система называется изолированной, если она не допускает обмена с окружающей средой как теплотой, так и работой. Система называетсяполуизолированной, если
возможен обмен либо теплотой, либо работой. Система называется неизолированной, если допустим обмен со средой и теплотой, и работой.
Система, все части которой имеют одинаковый состав и физические свойства, называется физически однородной. Однородная термодинамическая система, внутри которой нет поверхности раздела фаз, называетсягомогенной (лед, вода, пар, газ), в противном случае этогетерогенная система (лед и вода, вода и пар, твердый катализатор и газообразное окружение и т.д.).
Рабочим телом называют ту материальную субстанцию термодинамической системы, с помощью которой осуществляется взаимное превращение теплоты и работы. Например, в паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, в газовых турбинах и ДВС — газовые продукты окисления топлива, в холодильных установках — фреоны, аммиак и др.
Состояние термодинамической системы может быть равновесным или неравновесным. Равновесным называют такое состояние системы, при котором во всех точках ее объема все термодинамические параметры состояния (физические свойства) одинаковы. В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда не может самопроизвольно выйти из него.
Таким образом, любое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется определенными физическими величинами — равновесными параметрами состояния. Внутренниепараметры описывают внутреннее состояние системы. К ним относятся давление, температура, объем и др.Внешние параметры характеризуют положение системы (координаты) во внешних силовых полях и ее скорость.
Внутренние параметры, в свою очередь, подразделяются на интенсивные и экстенсивные. Интенсивными называются параметры, значения которых не зависят от размеров (или массы) тела (давление, температура, удельный объем, но не объем, удельная теплоемкость).Экстенсивные параметры зависят от количества вещества в системе (объем, масса и др.).
Удельный объем V0, м3/кг, _ это объем единицы массы вещества, или величина, определяемая отношением объема к заключенной в нем массе:
V0=V/m,
где V — объем произвольного количества вещества, м3;т — масса этого вещества, кг.
Величина обратная удельному объему называется плотностью р, кг/м3. Иначе говоря, это масса вещества, содержащаяся в единице объема:
где FH — нормальная составляющая силы, Н;S — площадь поверхности, нормальной к действующей силе, м2. В Международной системе единиц (СИ) единица измерения давления называется паскалем (1 Па = 1 Н/м2).
Термодинамическим параметром состояния является только абсолютное давление, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления, или абсолютного вакуума.
Для измерения давления в технике применяют приборы, определяющие не абсолютное (полное) давление, а разность между абсолютным и атмосферным (барометрическим) давлениями. Приборы, применяемые для измерения более высоких давлений, чем атмосферное, называются манометрами. Для измерения давлений, меньших атмосферного, используют вакуумметры, которые показывают, насколько абсолютное давление окружающей среды меньше атмосферного.
Температура Т, К, — величина, характеризующая степень нагрева тел. Она представляет собой меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура тела.
Взаимосвязь между средней кинетической энергией поступательного движения молекул ти2/2 и абсолютной температурой идеального газаТ описывается соотношением

где m — масса молекулы;и — средняя скорость поступательного движения молекул;к — постоянная Больцмана, имеющая значение 1,38 • 10~23Дж/К.
В настоящее время используются две температурные шкалы. В международной практической температурной шкале Цельсия основными реперными точками являются точка таяния льда (0°С) при нормальном атмосферном давлении (101 кПа, или 760 мм рт. ст.) и точка кипения воды (100 °С) при том же давлении. Разность показаний термометра в этих точках, деленная на 100, представляет собой Г по шкале Цельсия.
В термодинамической шкале температур, основанной на втором законе термодинамики, началом отсчета служит температура 0 К = -273,15 °С. Температуры, выраженные в Кельвинах (Т) и градусах Цельсия(f), связаны следующим соотношением:
Т= 273,15 +t.
В так называемой тройной точке, где жидкая, твердая и га-зообразная фазы находятся в устойчивом равновесии, для воды абсолютная температураТ= 273,16 К, а соответствующая тем-пература по шкале Цельсияt = 0,01 °С.
Термодинамическим параметром состояния является абсо-лютная температура, выраженная в Кельвинах, но градус абсолютной шкалы численно равен градусу шкалы Цельсия, поэтомуdT = dt.
Абсолютная температура — положительная величина. Считается, что при абсолютной температуре, равной нулю, прекращается тепловое движение молекул. В то же время предполагается, что абсолютный нуль температуры недостижим, так как тепловое движение молекул — неотъемлемое свойство материи, и прекращение этого движения приведет к нарушению закона сохранения энергии.
Термодинамическая система может с течением времени видоизменяться. Под термодинамическим процессом понимают совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее взаимодействии с окружающей средой.
Процессы, происходящие в термодинамической системе, подразделяются на равновесные и неравновесные. Равновесными называются такие процессы, при осуществлении которых система проходит ряд последовательных равновесных состояний. Если процессы протекают настолько медленно, что в каждый момент устанавливается равновесие, то они называютсяквазистатическими. Эти процессы обладают свойствомобратимости.
Все реальные процессы в природе являются неравновесными. Это обусловлено тем, что при протекании процесса с конечной скоростью в рабочем теле не успевает установиться равновесное состояние. Например, при быстром расширении газа в цилиндре с поршнем температура и давление в различных точках объема рабочего тела неодинаковы, т.е. имеет место неравновесное состояние, а сам процесс оказывается неравновесным.
Что касается тепловых машин, в которых рабочим телом служит парогазовая среда, то термодинамика рассматривает в первую очередь равновесные процессы и состояния, так как только равновесные состояния можно описать количественно с помощью уравнений и лишь равновесные процессы изменения состояния термодинамической, системы можно изобразить графически.
Любое произвольно выбранное равновесное состояние в трехосной системе координату p—V0—Т изображается точкой, а со-

вокупность этих точек при непрерывном изменении состояния образует кривую, представляющую собой график равновесного процесса. В технической термодинамике для исследования равновесных термодинамических процессов наиболее часто применяют двухосную систему координат р — V0. В этой системе координат (рис. 2.2) вертикаль соответствуетизохорному процессу, горизонталь —изобарному, а кривая, имеющая форму гиперболы, —изотермическому (свойства двух последних процессов отражают законы Гей-Люссака и Бойля —Мариотта). Кроме того, в термодинамике рассматриваетсяадиабатный процесс, совершающийся при отсутствии теплообмена с окружающей средой, иполитропный — обобщающий процесс, частными случаями которого являются первые четыре процесса.
К термодинамическим процессам относится также круговой процесс, или цикл. Циклом называется такая совокупность процессов, посредством которых термодинамическую систему можно вернуть в первоначальное состояние. На диаграммах цикл изображается замкнутым контуром, вид которого полностью определяется числом и формой составляющих элементарных процессов.
В теплоэнергетике все параметры состояния являются его функциями, так как их изменение в любом термодинамическом процессе не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями тел. Более подробно с функциями процесса и состояния можно познакомиться в учебном пособии [16].
Уравнение, устанавливающее связь между давлением, температурой и удельным объемом среды постоянного состава, называется термическим уравнением состояния. В общем случае оно записывается в видеf(p, V0, T) = О и отображает поверхность, которая называетсятермодинамической, илиповерхностью состояния.
Графическое изображение процесса на плоскости носит называние диаграммы состояния вещества. Наиболее часто строят диаграммыр — V0,p—T, V0— T, T—s иi—s (понятия удельной энтропииs и удельной энтальпииi будут рассмотрены далее). Вопрос о выводе уравнения состояния окончательно не решен даже для газов, не говоря уже о жидких и твердых телах.
Уравнение состояния характеризует свойства идеального газа и реальных газов, имеющих небольшую плотность, тогда как для плотных газов оно не обеспечивает достаточной точности.
Впервые уравнение состояния pV0/ T= constбыло получено Б. Клапейроном в 1834 г. путем объединения законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака. Обозначив константу черезВ, получим
рV0 = ВТ, (2.1)
где В — удельная газовая постоянная, Дж/(кг•К).
Уравнение (2.1) записано для единицы массы газа. При массе газа, равной m, уравнение состояния будет иметь вид
PV=mBT, (2.2)
где V— объем газа, м3.
Газ, состояние которого точно описывается уравнением (2.2), называется идеальным. Многие реальные газы, имеющие малую плотность, при достаточно высоких температурах по своим свойствам приближаются к идеальным. Поэтому для расчетов их характеристик может быть применено уравнение (2.2).
Умножив обе части уравнения (2.2) на относительную молекулярную массуи разделив на /и, получим
(2.3)
где— объем, занимаемый одним молем газа,
В соответствии с законом Авогадро при одинаковых давлениях и температурах в одном моле разных газов содержится одинаковое число молекулNA = 6,022 • 1023моль-1{постоянная Авогадро).

где R — универсальная газовая постоянная, значение которой одинаково для любого газа и равно 8,31437 ДжДмоль • К). Теперь уравнение состояния для одного моля идеального газа принимает вид

Уравнение (2.4), полученное Д. И. Менделеевым в 1874 г., называется уравнением состояния Клапейрона —Менделеева.
Реальные газы отличаются от идеальных тем, что их молекулы имеют конечные собственные объемы и связаны друг с другом силами взаимодействия, носящими электромагнитный и квантовый характер. При увеличении расстояния между молекулами эти силы уменьшаются, а при его сокращении начинают действовать силы отталкивания, достигающие очень больших значений.
Таким образом, по своим свойствам реальные газы как в количественном, так и качественном отношении существенно отличаются от идеальных. Поэтому все результаты для реальных газов, полученные на основании законов для идеальных газов, будут приближенными и справедливыми лишь при очень больших разрежениях. В связи с этим возникла необходимость в выводе уравнения состояния, которое точно описывало бы реальные газы. Одно из таких уравнений, называемое уравнением состояния Майера—Боголюбова, имеет вид

где Bi — вириальные коэффициенты, выражающиеся через потенциальную энергию взаимодействия данного газа и его температуру. Однако полученное уравнение в общем виде не может быть использовано для непосредственных расчетов процессов, в которых участвуют реальные газы, ввиду сложности определения коэффициентовBi.
Наиболее простым и качественно верно отображающим изменение состояния реального газа является уравнение Ван-дер-Ваальса, которое является частным случаем общего уравнения состояния Майера—Боголюбова, если пренебречь в правой части всеми членами, содержащими 1/V0 во второй степени и выше. Уравнение Ван-дер-Ваальса, выведенное в 1873 г., имеет вид

где а — коэффициент пропорциональности, имеющий для каждого газа определенное значение, не зависящее от параметров состояния;b — наименьший объем, до которого можно сжать реальный газ (для каждого газа величинаb имеет определенное значение). Уравнение Ван-дер-Ваальса качественно верно отражает свойства реальных веществ в жидком и газообразном состоянии. Для двухфазных состояний оно неприменимо.
Для фазовых переходов вещества, например из жидкого состояния в газообразное и наоборот, в термодинамике существует понятие критического состояния вещества, впервые введенное Д. И. Менделеевым в 1861 г.Критической температурой он назвал абсолютную температуру кипения, при которой поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю и исчезает различие между жидким и парообразным состояниями вещества.
До открытия критического состояния вещества многие газы безуспешно пытались превращать в жидкости только путем увеличения давления. Однако при температуре выше критической вещество не может находиться в жидком состоянии. Поэтому для превращения газа в жидкость посредством увеличения давления необходимо охладить его до температуры ниже критической. Только после этого изотермическим сжатием (при постоянной температуре) любой газ можно превратить в жидкость.
2.5. Теплота и работа. Первое начало термодинамики
Наблюдения показали, что при протекании термодинамического процесса участвующие в нем тела обмениваются энергией. В итоге энергия одних тел возрастает, а других — уменьшается. При этом передача энергии от одних тел к другим может происходить двумя способами.
Первый способ представляет собой передачу энергии в форме теплоты. В этом случае энергия передается между телами, имеющими разную температуру и приведенными в соприкосновение либо находящимися на расстоянии (посредством электромагнитного излучения). Энергия переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Количество энергии, переданное таким способом, отождествляют с количеством теплоты.
Теплота, как и любая энергия, измеряется в джоулях. Ее произвольное количество принято обозначать Q, а удельное (соответствующее 1 кг вещества) —q. Теплота, подведенная к телу, считается положительной, тогда как отведенная — отрицательной.
Второй способ связан с передачей энергии в форме работы, причемработой называют количество переданной энергии. Передача энергии в этом случае происходит при перемещении всего тела или его части в пространстве. Для передачи энергии данным способом необходимо, чтобы происходило движение тела в силовом поле либо изменялся его объем под действием внешнего давления.
Если тело получает энергию в форме работы, то считают, что эта работа совершается над ним и ее величина отрицательна. Отдача телом энергии в форме работы означает, что оно само производит эту работу и ее величина положительна. Работа, как и теплота, измеряется в джоулях. Произвольное количество энергии, переданное в форме работы, обозначают L, а удельное — /.
Таким образом, хотя теплота и работа являются тождественными (с точки зрения возможности приведения к эквиваленту) формами передачи энергии от одних тел к другим, они качественно и количественно отличаются друг от друга. Работа представляет собой микрофизическую форму передачи энергии, а теплота — совокупностьмикрофизических процессов. Передача энергии в виде теплоты происходит на молекулярном уровне без видимого движения макроскопических тел.
Первое начало (первый закон)термодинамики в общем виде выражает закон сохранения и превращения энергии, согласно которому все процессы в природе должны подчиняться условию сохранения энергии. Обычно рассматривается [1] несколько формулировок первого закона.
Все виды энергии могут взаимно превращаться в строго равных друг другу количествах, т.е. энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида в другой. При превращении механической энергии в теплоту ее отношение к соответствующему количеству теплоты называется термическим эквивалентом работы, который равенJ=L/Q = 4,1868 Дж/кал, если работа измеряется в джоулях, а теплота — в калориях. Величина, обратная термическому эквиваленту работы, называетсямеханическим эквивалентом теплоты: А =1/J=Q/L.
Невозможно создать такую периодически действующую машину, которая позволяла бы получать полезную работу без затраты энергии извне. Подобное устройство называется вечным двигателем первого рода, создание и действие которого в соответствии с законом сохранения энергии невозможны.
Внутренняя энергия полностью изолированной системы есть величина постоянная.
При выводе уравнения первого закона термодинамики допускают, что некоторое количество теплоты Q, подведенной к телу массойт, затрачивается на изменение его внутренней энергиии совершение работыL:
(2.5)
где— удельные значения
количества теплоты, изменения внутренней энергии и работы.
Для тела единичной массы уравнение (2.5) принимает вид

При бесконечно малом изменении параметров процесса
(2.6)
Формула (2.6) представляет собой запись уравнения первого закона термодинамики в дифференциальной форме.
Удельная работа выражается через основные параметры состояния идеального газа следующим образом:
(2.7)
В результате интегрирования уравнения (2.7) получаем

Ввиду того что работа является функцией процесса, а не состояния, дифференциал dl не является полным.
С целью упрощения расчетов многих термодинамических процессов У. Гиббсом была введена функция I, названнаяэнтальпией. Удельная энтальпия — величина, соответствующая единице массы вещества, записывается в виде
(2.8)
Так как и, р и V0 — функции состояния, то удельная энтальпия / также представляет собой функцию состояния.
Продифференцировав соотношение (2.8) и используя выражения (2.6) и (2.7), для бесконечно малого приращения удельной теплоты получим уравнение

интегрируя которое для конечного процесса найдем

Если в термодинамическом процессе давление остается постоянным, то уравнение (2.9) принимает вид

Тогда для конечного процесса
.
Таким образом, физический смысл энтальпии состоит в том, что в изобарных процессах ее изменение равно теплоте, поглощенной или отданной системой.
Энтальпия идеального газа, так же, как и внутренняя энергия, является функцией только температуры и не зависит от объема и давления (поскольку не принимаются во внимание силы взаимодействия между молекулами):

При подводе или отводе теплоты температура любого тела соответственно повышается или понижается. Исследования показали, что для одинакового повышения температуры различных тел требуется разное количество теплоты, т. е. способность тел поглощать теплоту зависит от их свойств и природы. Так появились понятия теплоемкости газов игазовых смесей.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить телу, имеющему единичную массу, для нагревания его на 1 °С, называется его удельной теплоемкостью с.
Теплоемкость твердых и жидких тел зависит от температуры, при которой они подвергаются нагреванию. Однако для небольших диапазонов температур изменения теплоемкости незначительны, поэтому ее можно считать постоянной. Что касается теплоемкости газов, то она изменяется не только с температурой и давлением, при которых происходит их нагревание, но и в зависимости от внешних условий в процессе нагревания.
Количество теплоты, которое необходимо подвести для нагревания единицы массы газа на 1 °С при постоянном давлении, называется удельной теплоемкостью ср при постоянном давлении.Количество же теплоты, требующееся для нагревания единицы массы газа на 1 °С при постоянном объеме, называется удельнойтеплоемкостью cv при постоянном объеме.
Кроме того, следует отличать среднюю теплоемкость тела от истинной. Если для нагревания единицы массы тела от температурытребуется подвести количество теплотыq, то величинаназываетсясредней удельной теплоемкостью тела в диапазоне температур от. При уменьшении разности температурсредняя удельная теплоемкость тела приближается к истинной. Если для повышения температуры единицы массы тела на бесконечно малую величинуdt необходимо подвести к нему количество теплоты, равноето величинаназываетсяистинной удельной теплоемкостью тела.
При нагревании любого тела при постоянном объеме вся теплота, подводимая к нему, затрачивается только на повышение температуры, или увеличение его внутренней энергии. При нагревании тела при постоянном давлении теплота расходуется не только на повышение температуры, но и на преодоление внешнего давления, так как тело при нагревании расширяется. Следовательно, в последнем случае к нему необходимо подводить большее количество теплоты, чем в первом. Это означает, что теплоемкость ср при постоянном давлении больше теплоемкостипри постоянном объеме.
Если единицу массы газа нагревать от абсолютного нуля до температуры Тпри постоянном объеме, то количество теплоты, которое нужно подвести к нему, или количество теплоты, воспринятое газом, будет соответствовать его внутренней энергии:
(2.9)
Если же единицу массы газа нагревать от абсолютного нуля до температуры Т при постоянном давлении, то количество теплоты, которое следует подвести к нему, будет соответствовать его удельной энтальпии:

Подставляя в уравнение (2.6) вместо du величинуcvdT согласно (2.9), а вместоdl величинуpdV0 из (2.7), получим
(2.10)
Преобразовав уравнение (2.10), получим
(2.11)
Правая часть уравнения (2.11) представляет собой полный дифференциал некоторой функции, независимыми переменными которой являютсяОбозначив эту функциюs, а ее бесконечно малое приращениеds и подставив последнюю величину в уравнение (2.11), получим

где s — удельное выражение величиныS, которую Р. Клаузиус назвалэнтропией, что означает «превращение». В современной теплотехнике эта величина играет чрезвычайно важную роль, особенно в вопросах, связанных с исследованиями тепловых процессов.
Таким образом, можно записать
(2.12)
Следовательно, энтропия представляет собой такую величину, бесконечно малое приращение которой равно отношению бесконечно малого приращения теплоты к абсолютной температуре, при которой эта теплота подводилась к телу.
Из равенств (2.12) следует, что энтропия есть не что иное, как один из сомножителей в выражении для определения тепловой энергии. В теплотехнике условно принимают, что для любого тела при атмосферном давлении и температуре -273 °С, или О К, энтропия равна нулю (S0 = 0). Для других же состояний энтропия рассматривается как положительное или отрицательное приращение относительно ее нулевого значения. Следовательно, энтропию можно рассматривать как функцию состояния термодинамической системы.
2.6. Второе начало термодинамики. Цикл Карно
С открытием первого закона термодинамики было осознано значение энергии в материальном мире и доказано, что все виды энергии в конечном счете превращаются в теплоту, которая затем рассеивается в окружающей среде. Мера этого рассеивания была названа энтропией. Чем больше рассеивается (обесценивается) энергия, тем с большей интенсивностью возрастает энтропия в системе. Было установлено, что энергия и энтропия являются неотъемлемыми свойствами материи, причем энергию стали признавать мерой движения материи, а энтропию — мерой ее рассеивания (деградации). Однако только с изучения возможности использования теплоты для совершения работы и начинается практическая термодинамика.
Действительно, первый закон термодинамики, констатируя непреложность принципа сохранения количества энергии при ее превращениях, в то же время не дает ответа на главные вопросы практической теплотехники, а именно: при каких условиях, по каким направлениям и какая часть подводимой к рабочему телу теплоты может превращаться в работу? Ответы на эти вопросы, составляющие сущность теплотехники, были получены гениальным французским инженером С. Карно еще до открытия первого закона термодинамики.
Так, С. Карно установил, что теплота может быть преобразована в механическую работу лишь тогда, когда имеется перепад температур, и величина этой работы зависит только от температур, при которых подводится и отводится теплота.
Согласно этому положению, вошедшему в термодинамику как ее второе начало (второй закон), самопроизвольные процессы возможны лишь в том случае, когда в системе нет равновесия, причем эти процессы всегда протекают в направлении, при котором система приближается к равновесному состоянию.
Второе начало термодинамики первоначально охватывало только процессы преобразования теплоты в работу и имело разные формулировки. Например, часто этот закон выражался таким образом: в круговом процессе располагаемая теплота не может быть полностью преобразована в работу.
Смысл формулировки второго начала термодинамики, предложенной У.Томсоном, сводится к следующему: нельзя построить двигатель, все действие которого сводилось бы только к заимствованию теплоты из одного источника и совершению внешней работы. Такой двигатель называют вечным двигателем второго рода.
Наиболее общая формулировка второго закона термодинамики принадлежит Ф. Клаузиусу, согласовавшему положение, высказанное С. Карно, с первым законом термодинамики в следующей форме: «Теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от менее нагретого тела к более нагретому». Под компенсацией понимают необходимость совершения некоего дополнительного процесса, уяснение смысла которого в технической термодинамике осуществляется на весьма абстрактных моделях равновесных и обратимых процессов.
Как было отмечено ранее, равновесный процесс, представляемый непрерывным рядом бесконечно близких состояний, можно изобразить линиями на термодинамических диаграммах, например,Понятие обратимости процессов связывают с бесконечно малым изменением параметров состояния термодинамической системы1.
Наиболее совершенными процессами с точки зрения преобразования теплоты в работу являются обратимые круговые процессы — циклы(рис. 2.3) [16]. Так как при их осуществлении отсутствуют явления трения и теплообмена рабочего тела с окружающей средой, оно перемещается с бесконечно малыми приращениями скорости и в конце процесса принимает свое начальное состояние. Следовательно, в таких процессах удельная теплотавоспринимаемая рабочим телом в результате ее подвода от источника и отвода к приемнику, не расходуется на приращение внутренней энергии рабочего тела и его перемещение, а полностью преобразуется во внешнюю работу / (заштрихованная часть диаграммы). В то же время среди обратимых круговых процессов наиболее совершенным будет тот, который имеет наибольшийтермический КПД:

1Все реальные термодинамические процессы протекают при конечной разности давлений и температур рабочего тела и окружающей среды. Следовательно, реальные процессы всегда неравновесные. Однако техническая термодинамика оперирует равновесными процессами, так как в противном случае потребовалось бы существенно усложнить аппарат моделирования посредством введения зависимостей параметров состояния от времени.

Наиболее совершенным круговым процессом является обратимый круговой процесс, илицикл, Карно, при осуществлении которого может быть достигнут максимальный термический КПД по сравнению с таковым для всех других процессов, происходящих при тех же температурахРассмотрим этот классический процесс более детально.
Анализируя формулу (2.13), отметим, чтовозрастает при уменьшениии увеличенииЭто означает, что, выбирая соответствующим образом процессы расширения и сжатия, протекающие с подводом и отводом удельной теплотыможно изменять значение термического КПД. В связи с этим возникает вопрос: можно ли найти такой цикл, который обладал бы наибольшим КПД?
Такой цикл и был предложен С. Карно. Он состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов (рис. 2.4). Изотермический и адиабатный процессы наиболее предпочтительны с точки зрения получения максимальной работы, поскольку при изотермическом процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу, а адиабатный процесс протекает без теплообмена.
Рассмотрим все процессы цикла Карно. Процесс 1 — 2 — изотермическое расширение рабочего тела при подводе удельной теплотыот источника с температуройКоличество удельной теплотыравное работе /,, произведенной в процессе1 — 2, определяется по формуле


В процессе адиабатного сжатия 4—1 газ нагревается до температурыРабота, затрачиваемая на сжатие, численно равна площади фигурыи определяется по формуле

Если в процессе 3—4 сжимать газ, не охлаждая его (без отвода удельной теплоты), то этот процесс будет адиабатным. Ввиду того что адиабаты являются эквидистантными кривыми (не пересекаются между собой), то через одну точку (точка3) можно провести лишь одну адиабату. Тогда в результате такого

Рис. 2.4. Диаграммы цикла Карно в координатах р — V0 (а) иT—s (б):
1—2 — изотермическое расширение; 2—3 — адиабатное расширение; 3—4 — изотермическое сжатие; 4— 1 — адиабатное сжатие;— количество подводимой удельной теплоты; д2 —количество отводимой удельной теплоты; ИТ — источник теплоты; ПТ — приемник теплоты
провести лишь одну адиабату. Тогда в результате такого сжатия процесс пойдет не по изотерме 3—4, а по адиабате3—2. В исходное состояние рабочее тело должно быть возвращено лишь по изотерме, так как при изотермическом процессе на сжатие затрачивается наименьшее количество работы. В итоге для сжатия в процессах3—4 и4—1 потребуется то же количество работы, которое было получено в процессах расширения1 — 2 и 2—3. Полезная работа циклабудут равны нулю. Отсюда можно сделать следующий вывод: для того чтобы получить полезную работу, необходимо какую-то часть подведенной теплоты безвозмездно отдать в окружающую среду, т. е. потерять.
Полезная работацикла1—2—3— 4 определяется алгебраической суммой работ, полученных или затраченных в отдельных процессах цикла:
(2.14)
Из полученной формулы видно, что работы в адиабатных процессах 2— 3 и4— 1 взаимно уничтожаются. Тогда формула (2.14) примет вид

КПД любого цикла тепловой машины (в том числе цикла Карно) определяется по формулеОтсюда
(2.15)
Для адиабат 2—3 и4— 1 справедливы следующие соотношения:

После деления первого из них на второе получим

Прологарифмируем последнее соотношение:
(2.16)
Формула (2.16) с учетом (2.15), примет вид
(2.17)
Анализируя выражение (2.17), приходим к выводу о том, что значениеможет быть равно единице лишь прилибоно эти условия невозможно осуществить даже в идеальном цикле.
91
Формула (2.17) также показывает, что притермическийЭто означает, что превращение теплоты в работу в случае равенства температур источника и приемника теплоты невозможно. Отсюда следует еще одно (сформулированное В. Оствальдом) определение вечного двигателя второго рода как теплового двигателя, с помощью которого можно было бы получать полезную работу при отсутствии разности температур источника и приемника теплоты. Согласно второму началу термодинамики такой тепловой двигатель невозможен.
Анализ цикла Карно позволяет сделать также следующий важный вывод: невозможно превращение теплоты в работу без компенсации. Особенности формулировок второго закона термодинамики, содержащих понятие компенсации, связаны со спецификой этого понятия.
Необходимо учитывать, что различают компенсацию двух родов. Компенсация первого рода имеет место в случае, когда процесс превращения теплоты в работу сопровождается изменением термодинамического состояния рабочего тела. Например, при изотермическом расширении идеального газа его внутренняя энергия остается постоянной, и вся теплота, сообщаемая газу, превращается в работу. Увеличение объема газа, представляющее собой компенсацию первого рода, является здесь необходимым условием превращения теплоты в работу.
Если превращение теплоты в работу влечет за собой изменение состояния не только рабочего тела, но и других тел, то речь идет о компенсации второго рода. В тепловых машинах такими телами обычно являются приемники теплоты.
Что такое компенсация второго рода, наиболее просто понять из следующей формулировки второго закона термодинамики (формулировка М. Планка): «Невозможно построить периодически действующую тепловую машину, которая не производила бы ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения источника теплоты».
Из этой формулировки следует, что для превращения теплоты в работу недостаточно только процесса передачи теплоты от источника к рабочему телу. По второму закону термодинамики здесь предполагается наличие некоторого дополнительного процесса. Для теплового двигателя таким процессом является передача теплоты к ее приемнику. Этот дополнительный процесс и представляет собой компенсацию второго рода.
В природе существуют процессы, протекающие самостоятельно, без сопровождения другими процессами (без компенсации). Они называются самопроизвольными, естественнымиилинекомпенсированными.
Примером самопроизвольного процесса служит превращение работы в теплоту при трении, не сопровождающееся какими-либо другими процессами. Работа здесь полностью превращается в теплоту, тогда как обратный процесс превращения теплоты в работу нельзя провести без компенсации. Процессы, которые не могут протекать без какого-либо сопутствующего дополнительного процесса, называются несамопроизвольными.
В природе существует ряд процессов, протекающих самопроизвольно лишь в одном направлении. Например, переход теплоты от горячего тела к холодному — самопроизвольный процесс, но обратный переход теплоты от холодного тела к горячему без каких-либо дополнительных процессов невозможен.
В реальных циклах тепловых двигателей (например, в двигателях внутреннего сгорания) цикл Карно неприменим, поскольку из-за небольшого различия в наклонах изотерм и адиабат пришлось бы использовать цилиндры очень большой длины.
В современной термодинамике второе начало имеет еще и статистическое толкование. Как известно, в основе молекулярно-кинетической теории лежат статистические представления, относящиеся к большому числу частиц. Хаотичность молекулярного движения приводит к тому, что в макромасштабе проявляются новые, статистические закономерности, которые отличаются от динамических закономерностей механики, присущих отдельным молекулам [16]. Следовательно, молекулярно-кинетическая теория не является механической теорией, хотя каждая молекула строго подчиняется законам механики.
В макромасштабе происходит усреднение всех характеристик молекулы: энергии, скорости и др. Понятие температуры относится к множеству молекул макроскопического тела и неприменимо к отдельной молекуле; давление газа является статистически усредненной силой действия большого числа молекул на единицу площади. Каждое термодинамическое состояние газа не является безусловно обязательным, а существует с той или иной вероятностью. Последняя тем выше, чем большим числом комбинаций в пространственном расположении молекул и скоростях молекул оно способно осуществиться.
Наименее вероятно состояние газа, при котором скорости молекул совершенно одинаковы, поскольку оно реализуется лишь одним способом. Вероятность такого состояния условно можно определить величиной w0. Тогда вероятность состоянияw с разными скоростями во много раз выше, чемw0, так как для разных скоростей можно осуществить большее число комбинаций. ОтношениеW= w/w0 носит названиетермодинамической вероятности илистатистического веса состояния, причем очевидно,
что W>> 1.
В статистической физике доказывается в общем случае (а не только для газа), что энтропия тем выше, чем большим числом комбинаций может реализоваться данное состояние. Следовательно, существует взаимосвязь между энтропией S и термодинамической вероятностьюW состояния.
Соотношение, устанавливающее эту взаимосвязь, было получено Л. Больцманом. На основании статистических соображений он показал, что энтропия прямо пропорциональна логарифму термодинамической вероятности:

где k — отношение универсальной газовой постоянной к постоянной Авагадро, т. е.Цж/К. Величинак называетсяпостоянной Больцмана.
Таким образом, максимуму энтропии отвечает наиболее вероятное состояние системы. Ввиду того что энтропия связана функциональной зависимостью с вероятностью состояния, второй закон термодинамики, строго говоря, нельзя считать точным. Его более корректная формулировка такова: весьма вероятно, что энтропия изолированной системы возрастает. Следовательно, возможны отступления от этого закона. Для макросистем, содержащих большое число молекул, они крайне маловероятны, но могут оказаться существенными для небольшого числа молекул. Такие отступления, обнаруженные при изучении броуновского движения, были названы флуктуациями.
Глава 3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ ОРГАНИЗАЦИЯ В ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
3.1. Теоретические основы рабочих процессов тепловых двигателей
3.1.1. Классификация основных рабочих процессов
Тепловые двигатели, в частности двигатели внутреннего сгорания, являются наиболее распространенными источниками энергии для транспортных средств. В этих двигателях химическая энергия топлива превращается в теплоту, которая затем преобразуется в механическую работу. В ДВС в качестве рабочего тела используют горючие газы и воздух, давление которых повышают путем предварительного сжатия.
Если топливо сгорает внутри цилиндра двигателя (табл. 3.1) [1], то такой рабочий процесс называется внутренним сгоранием, а если вне цилиндра, товнешним сгоранием.
Постоянно получать механическую работу можно циклически (поршневой двигатель) или непрерывно (газотурбинный, турбореактивный двигатели). Рабочий процесс при этом состоит из сжатия рабочего тела, подвода к нему теплоты, совершения работы за счет его расширения и возвращения в исходное состояние.
Если при получении теплоты рабочее тело видоизменяется, например часть его преобразуется в продукты сгорания (бензиновый и газовый двигатели Отто, дизель, газотурбинный двигатель Рохса и др.), то обеспечить первоначальное состояние рабочего тела можно только путем его замены. Подобный процесс называется незамкнутым циклом. Он характеризуется циклическим газообменом, т. е. выпуском продуктов сгорания — отработавших газов (ОГ) и впуском воздуха (дизельный, газотурбинный, турбореактивный двигатели) или топливовоздушной смеси — свежего заряда (двигатели с искровым зажиганием).
При осуществлении процесса внешнего сгорания (двигатель Стирлинга и паровой двигатель) рабочее тело остается химически неизменным и может возвращаться в исходное состояние при охлаждении или конденсации. Это позволяет использовать замкнутый рабочий цикл.
Процессы сгорания в ДВС классифицируют также по способам приготовления рабочей смеси и применяемым методам ее воспламенения.
Таблица 3.1 Классификация основных рабочих процессов транспортных тепловых двигателей
Показатель Вид двигателя
Дизель Гибридный Отто (бензиновый) Рохса (ГТД) Стерлинга Паровой
Тип: цикла
сгорания рабочего тела
воспламенения
рабочей смеси Незамкнутый Замкнутый
Внутреннее циклическое Внешнее непрерывное
Продукты сгорания соответствуют рабочему телу Продукты сгорания не соответствуют рабочему телу
Самовоспламенение Принудительное зажигание
Гетерогенная Гомогенная Гетерогенная
Организация горения В камере сгорания Непрерывное горение
Фазовое состояние рабочего тела Газ Вода—пар
При внешнем смесеобразовании приготавливается гомогенная смесь (бензиновый, газовый, газотурбинный двигатели), тогда как при внутреннем топливо вводится непосредственно в камеру сгорания, и образуется гетерогенная смесь (дизель, газотурбинный, турбореактивный двигатели).
Принудительное воспламенение осуществляется электрической искрой от свечи зажигания (бензиновый, газовый, гибридный двигатели). Самовоспламеняющаяся рабочая смесь загорается вследствие нагрева при адиабатном сжатии.
3.1.2. Идеальный, теоретический и рабочий (действительный) термодинамические циклы поршневых двигателей
В реальном тепловом двигателе превращение тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу связано с рядом последовательных физико-химических и термодинамических преобразований, составляющих в совокупности необратимый круговой и незамкнутый цикл. Применительно к поршневым двигателям такой цикл принято называть рабочимилидействительным.
Ввиду сложности реальных явлений, происходящих в цилиндре двигателя, для оценки влияния отдельных факторов на рабочий процесс эти явления схематизируют, а рабочие циклы трансформируют в идеальные. Это позволяет представить все процессы в рамках чисто термодинамической задачи.
Идеальным циклом двигателя внутреннего сгорания можно назвать такой замкнутый обратимый цикл, в котором отсутствуют какие-либо потери энергии, не обусловленные согласно второму началу термодинамики необходимостью отдачи теплоты приемнику.
Характерные особенности идеального цикла заключаются в следующем:
рабочим телом в цикле служит идеальный газ, неизменныйпо массе, химическому составу и теплоемкости, а процесс горения заменяется мгновенным подводом тождественного количеприемнику;
мгновенный подвод теплоты может осуществляться при постоянном объеме (V0 = const), либо постоянном давлении(р =const), либо по смешанному циклу(V0 =constи р =const);
обратимый процесс обеспечивает максимальную степень превращения теплоты в механическую работу, и термодинамический КПД цикла превосходит индикаторный КПД двигателя;
все типы циклов в одинаковых условиях сравнимы между собой, и есть возможность получить максимально достижимыйпредел использования теплоты в том или другом цикле, наглядно выявить основные параметры, влияющие на их экономичность, и наметить пути дальнейшего совершенствования двигателей.
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме в наибольшей мере подходит для бензиновых и газовых ДВС с принудительным (искровым) зажиганием топливовоздушной смеси.
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении приемлем для компрессорных дизелей, в которых топливо вводится в цилиндр и распыляется там при помощи сжатого воздуха под давлением 5...6 МПа.
Смешанный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении является оптимальным для бескомпрессорных дизелей с механическим распылением топлива при помощи форсунок1.
В транспортной энергетике наибольшее распространение получили ДВС и бескомпрессорые дизели — поршневые двигатели, идеальные циклы которых мы и рассмотрим.
Диаграмма идеального цикла с подводом теплоты при постоянном объеме изображена на рис. 3.1. В цикле предполагается осуществление следующих процессов:1 — 2— адиабатное сжатие;2—3 — подвод теплоты в количестве, соответствующем процессу горения в реальном двигателе;3—4 — адиабатное расширение;4—1 — отвод теплоты в количестве, соответствующем тепловой энергии ОГ в реальном двигателе.
Отношения объемов и давлений горючей смеси в характерных точках цикла определяют следующие его показатели: отношение объема в начале сжатия к объему в конце сжатия — степень сжатия,отношение максимального давления сгорания к давлению в конце сжатия —степень повышения давления,
Основными показателями любого цикла являются термодинамическийи удельная работа / цикла. Для рассмат-
1Одним из недостатков двигателей, в которых применяется цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, является необходимость использования компрессора для подачи и распыления топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает топливную экономичность двигателя, так как на приведение его в действие затрачивается 6... 10 % общей мощности двигателя. В целях упрощения конструкции и увеличения топливной экономичности двигателя русский инженер Г. В. Тринклер разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия на основе цикла, который вошел в историю двигателестроения под названием цикла Тринклера—Сабатэ. Этот двигатель лишен недостатков, присущих ДВС и компрессорным дизелям. Его основное отличие состоит в том, что жидкое топливо подается с помощью насоса высокого давления и распыляется через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.

риваемого цикла с подводом теплоты при V0 =constони определяются с помощью соотношений

где к — показатель адиабаты.
Как было отмечено ранее, оптимальным для дизеля является идеальный цикл со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении, который показан на рис. 3.2. Термодинамический КПД и удельная работа смешанного цикла в отличие от цикла с подводом теплоты приV0 = constзависят уже от трех параметров:—степени предварительного расширения рабочего тела (р =Vo4/V03):

причем при увеличенииКПД цикла повышается, а при
возрастании р снижается. Однако следует иметь в виду, что при любых значениях р увеличениев смешанном цикле приводит к повышению КПД.
В четырехтактных двигателях с наддувом и двухтактных двигателях термодинамический цикл осуществляется как в рабочем цилиндре, так и в дополнительном агрегате, т.е. соответственно в приводном (или свободном, без механической связи с коленчатым валом) нагнетателе и в продувочном насосе. Рассмотреные

нами подходы к построению термодинамических диаграмм идеальных циклов без наддува могут быть применены и для изучения диаграммидеальных циклов с наддувом, детальный анализ которых приводится, например, в учебном пособии [23].
В теории рабочих процессов поршневых и турбопоршневых двигателей внутреннего сгорания рассматривается также действительный цикл. В этом случае на протяжении всего цикла происходит теплообмен с внешней средой. Рабочим телом является реальный газ переменного состава с изменяющейся теплоемкостью. Учитываются также изменение количества продуктов сгорания и их диссоциация.
Работу реального поршневого двигателя изучают по индикаторной диаграмме, которая представляет собой график изменения давления в цилиндре работающего двигателя в зависимости от объема над поршнем и определяется с помощью специального прибора — индикатора внутрицилиндрового давления. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя, в котором сгорание топлива происходит при малом изменении объема, представлена в координатахр — V0 на рис. 3.3.

При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней происходит всасывание горючей смеси (линия 1 — 2). Эта линия не является характеристикой термодинамического процесса, так как основные параметры при всасывании постоянны, а изменяются только масса и объем смеси в цилиндре.
Кривая 2—3 соответствует процессу сжатия. В точке3 от электрической искры происходит мгновенное воспламенение горючей смеси, которая быстро сгорает при малом изменении объема (кривая3—4). В ходе этого процесса температура и давление резко возрастают.
Процесс расширения продуктов сгорания на индикаторной диаграмме изображен кривой 4—5, называемойлинией расширения. В точке5 открывается выпускной клапан, и давление в цилиндре уменьшается до значения, соответствующего условиям в газовыпускном коллекторе.
При дальнейшем движении поршня от нижней мертвой точки к верхней через выпускной клапан происходит удаление ОГ из цилиндра (кривая 5— 1, называемаялинией выпуска ОГ).
Двигатели, в которых рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта), называют четырехтактными. В отличие от нихдвухтактными называются двигатели, в которых рабочий процесс осуществляется за два хода поршня (такта), т. е. за один оборот коленчатого вала.
В транспортных энергетических установках наибольшее распространение получили четырехтактные дизели1благодаря их наилучшим топливно-экономическим показателям и повышенной эффективности.
Степень использования теплоты в рабочем цикле оценивают с помощью индикаторногокоторый представляет собой
о


тношение количества теплотыпревращенной в механиче-

скую работу в рабочем цикле, к количеству теплоты Qu, подведенной за цикл с топливом:
Рассмотрим термодинамическую диаграмму(рис. 3.4)
и соответствующую развернутую индикаторную диаграмму(рис. 3.5) рабочего процесса четырехтактного дизеля.
В дизеле со свободным впуском (без наддува) воздух поступает в цилиндр за счет разрежения, создаваемого в нем в основном при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ). Фактически же впускной клапан начинает открываться не в момент прихода поршня в ВМТ, а на такте выпуска, в точке 11 (см. рис. 3.4 и 3.5). Далее процесс впуска продолжается при движении поршня от ВМТ к НМТ и заканчивается на такте сжатия, в точке4. Впускной клапан открывается за 10...30° до прихода поршня в ВМТ, а закрывается через 35...70° после прохождения НМТ.
Предварительное открытие впускного клапана до прихода поршня в ВМТ, когда оба клапана открыты, улучшает наполнение цилиндра воздухом, а в двигателях с наддувом обеспечивает продувку, благодаря которой уменьшается количество оста-

точных газов и снижаются температурные напряжения в деталях цилиндропоршневой группы. При запаздывании закрытия впускного клапана после НМТ используются скоростной напор, инерционные и волновые явления во впускной системе для до-зарядки цилиндров, что при правильно выбранных параметрах впускной системы способствует улучшению мощностных, топ-ливно-экономических, динамических и экологических показателей работы двигателя. В конце основного процесса впуска воздуха, в точке 3, давление в цилиндре дизеляа температураТ3 = 320... 350 К.

где— действительное количество свежего заряда, по-
ступившего в цилиндр двигателя в процессе впуска (соответственно число молей и масса свежего заряда);— число молей и масса свежего заряда, которые могли бы поместиться в рабочем объеме цилиндра приДля четырехтактных дизелей без наддува= 0,8...0,9, с наддувом — 0,9... 1,05.
После закрытия впускного клапана (точка 4) начинается процесс сжатия (участок4—6). За счет предварительного сжатия заряда возрастает перепад температур, при котором совершается рабочий цикл, обеспечивается максимальная степень расширения рабочего тела, повышаются эффективность сгорания и топливная экономичность двигателя. Процесс сжатия сопровождается теплообменом (политропический процесс с переменным показателем политропы); в конце этого процесса давлениер6 = 3...4,5 МПа, а температураТ6 = 750...950 К.
Важной характеристикой процесса сжатия является ранее упоминавшийся показатель — степень сжатия. Степень сжатия, определяемую выражениемназываютгеометрической. Она представляет сооой отношение полного объема цилиндрак объему пространства сжатияV0l, где— рабочий объем цилиндра, или объем, соответствующий полному ходу поршня.
Для оценки параметров цикла наряду с геометрической степенью сжатия используется понятие действительной степени сжатия ед. Она определяется отношением надпоршневого объема, соответствующего моменту закрытия впускного клапана на линии сжатияк объему пространства сжатия:

гдерабочий объем цилиндра, соответствующий положе-
нию поршня в момент закрытия впускного клапана (точка 4). Для дизелей со свободным впуском= 14... 18, с наддувом — 12... 15.
Точка 5 отвечает моменту начала впрыскивания топлива форсункой в воздушный заряд. Далее происходит перемешивание распыленного топлива с воздухом, нагревание, частичное испарение и воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха. Для сгорания топлива в начальный период (при подводе теплоты при V0 =const(на участке6— 7) характерно резкое повышение давления и температуры, а затем на участке 7—8 при подводе теплоты прир =constпроисходит дальнейшее повышение температуры. В конце сгорания основной части заряда (точка8) в дизелях без наддува давление= 6... 8 МПа, а температура Т8= 1900...2100 К.
Протекание процесса сгорания существенно зависит от степени сжатия горючей смеси, физико-химических свойств топлива, угла опережения 0 его впрыскивания, характера топливоподачи, интенсивности завихрения заряда в камере сгорания и других факторов. Жесткость процесса сгорания (скорость нарастания давления) в значительной мере определяется воспламеняемостью топлива под воздействием высоких температур и давлений, оцениваемой с помощью егоцетанового числа (см. гл. 2).
Важное значение для обеспечения экономичной работы дизеля на номинальном режиме имеет состав рабочей смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха а, представляющим собой отношение действительного количества воздуха, участвующего в процессе сгорания 1 кг топлива, к теоретически необходимому количеству воздуха для полного сгорания этого количества топлива. Смесь, характеризуемая значениями а > 1, называютбедной (топливом); смесь в области значений а < 1 называютбогатой (топливом); при а = 1 состав смеси называютстехиометрическим. Практически полное сгорание топлива в двигателе достигается только при а > 1. Для дизелей с различными способами смесеобразования а = 1,25... 1,8; при этом чем совершеннее процесс смесеобразования, тем меньшее значение а может быть выбрано.
По завершении сгорания топлива осуществляется политропический процесс расширения, который заканчивается в момент открытия выпускного клапана (точка 9). В процессе расширения тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. Догорание топлива и восстановление продуктов диссоциации на начальной стадии расширения обусловливают повышение температуры газов в цилиндре, которая достигает максимального значения при повороте коленчатого вала на угол 20...35° после прохождения ВМТ. В конце процесса расширения (точка9)давление Р9 = 0,3...0,5 МПа, а температураТ9 = 1000... 1500 К.
Выпуск отработавших газов происходит в течение части такта расширения, полного хода поршня от НМТ к ВМТ и части такта впуска (участок 9—10—11— 1). При этом различают период свободного выпуска отработавших газов от момента открытия выпускного клапана и до прихода поршня в НМТ (точка10), когда из цилиндра удаляется примерно 50.,. 70 % отработавших газов, и период удаления газов из цилиндра под действием поршня при его перемещении от НМТ к ВМТ (участок10— 11— 1). Начальный период выпуска происходит со сверхкритической скоростью истечения газа (600... 700 м/с); в дальнейшем по мере уменьшения количества газа и давления в цилиндре скорость истечения становится ниже критической (100...250 м/с). Для лучшей очистки цилиндра от отработавших газов выпускной клапан открывается до прихода поршня в НМТ, с опережением на 40...70° (точка9), а закрывается при повороте коленчатого вала на угол 10...50° после прохождения ВМТ (точка2). В конце выпуска (точка1) давление/?! = 0,105...0,125 МПа, а температура Т, = 700... 1000 К.
Основными характеристиками работы двигателя являются его индикаторные и эффективные показатели. К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давлениеph индикаторная мощностьNh индикаторный КПД г), и индикаторный удельный расход топливаgt.
Среднее индикаторное давление p,- — это значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведенная рабочим телом за один такт, равнялась бы индикаторной работе цикла. Исходя из этого определения индикаторная работа циклаZ,=p,FS, гдеF— площадь поршня;S — его ход.
Вместе с тем среднее индикаторное давление — это величина, равная индикаторной работе цикла, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра: pt =L//Vh, гдеVh = FS.
Таким образом, pt характеризует степень использования рабочего объема цилиндра в цикле и является мерой объемной удельной работы. Обычно величинур,- измеряют в единицах давления (МПа), но правомерно ее измерение и в единицах удельной работы (Дж/л).
Индикаторная мощность Ni , — это работа, совершаемая газами внутри цилиндра в течение 1 с, или мощность, соответствующая индикаторной работе цикла.
Площадь индикаторной диаграммы, построенной в определенном масштабе в координатаххарактеризует работу газов за один рабочий цикл двигателя. При этом в теории ДВС [23] принимают во внимание некоторое уменьшение расчетного значения среднего индикаторного давления вследствие так называемого скругления расчетной индикаторной линии вблизи узловых точек сжатия и выпуска, а также потерь, обусловленных насосными ходами принудительного выпуска ОГ и наполнения цилиндра свежим зарядом. Так как механические потери определяют экспериментально методом прокрутки двигателя, то в них включаются и затраты энергии на насосные ходы.
Среднее индикаторное давление рабочего цикла можно рассчитать путем определения площади индикаторной диаграммы р — V0 по формулегдеF — площадь диаграммы, мм2;
—масштаб шкалы давления, МПа/мм; /д— длина диаграммы, мм. При работе дизелей на номинальном режиме значениеМПа, находится в следующих пределах: для современных четырехтактных дизелей без наддува — 0,75... 1,05, с наддувом — 1,2...2,2; для дизелей с низким и средним наддувом — 1,2... 1,5 МПа, причем более высокие значенияотносятся к дизелям с высоким наддувом и промежуточным охлаждением воздуха.
Расчет среднего индикаторного давления можно проводить и с использованием индикаторной диаграммы методом гармонического анализа.
Индикаторную мощность двигателя определяют исходя из следующих соотношений:
индикаторная работа за цикл -
индикаторная работа в минутугде 2 — число тактов в минуту в одном цилиндре;пе — частота вращения коленчатого вала двигателя,— число циклов в минуту в одном цилиндре;— коэффициент тактности двигателя (число ходов поршня за один цикл).
При нахождении индикаторной мощности полноразмерного двигателя необходимо учесть число цилиндров.
Эффективность полезного использования теплоты в двигателях, работающих на одном виде топлива, можно оценить по его удельному расходу; при работе на топливах с разными значениями низшей удельной теплоты сгорания Ни такая оценка возможна только на основе определенияиндикаторного 
При известных значениях индикаторной мощности Nt двигателя и часового расхода топливаGT индикаторный удельный расход топлива gt определяется по формуле
Связь между,• при работе двигателя на жидком топливе устанавливает соотношениеЕслиНи выразить в МДж/кг, а
gj — в г/(кВт-ч),Для дизелей на номинальном режиме работы
К эффективным показателям рабочего цикла относятся: среднее эффективное давлениере, эффективная мощностьNe, крутящий моменти эффективный
удельный расход топлива ge.
Среднее эффективное давление ре — значение условного постоянного давления в цилиндре двигателя, при котором работа, произведенная рабочим телом за один такт, равнялась бы эффективной работе цикла. Это давление характеризует полезную работу за один цикл, приходящуюся на единицу рабочего объема цилиндра; оно меньше среднего индикаторного давления на величину среднего давления механических потерьрм, которую можно представить в виде суммы средних давлений потерь на трениегазообменрг, привод компрессораи вентиляционных потерь

Потери на трение составляют основную часть (до 80 %) механических потерь. Для современных четырехтактных дизелей без наддувар = 0,55...0,80 МПа, причем большие значения относятся к дизелям с высоким наддувом и промежуточным охлаждением воздуха.
Эффективная мощность Ne — это мощность двигателя, снимаемая с коленчатого вала; она передается через коробку передач к ведущим колесам автомобиля. Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности, затрачиваемой на преодоление механических потерьЕе значение, кВт, определяется по формуле
Крутящий момент Мк, Н • м, — средний за цикл момент, передаваемый от коленчатого вала на трансмиссию автомобиля, определяется из выражения для эффективной мощностиNe =
—угловая скорость вращения коленчатого вала:
Оценочным показателем механических потерь в двигателе является механическийДля четырехтакт-
ных дизелей на номинальном режиме значениясоставляют: для дизелей без наддува — 0,7... 0,82; для дизелей с наддувом — 0,8...0,9.
Эффективный  представляет собой отношение коли-
чества теплотыпревращенной в механическую работу на валу двигателя, к количеству теплотыподведенной за цикл с топливом:Этот коэффициент учитывает тепловые
и механические потери:
Эффективный удельный расход топлива ge, г/(кВт • ч), при известной эффективной мощностиNe, кВт, и количестве израсходованного топливаопределяют по формулеge = Связь междуустанавливается соотношением

Для дизелей на номинальном режиме работы
причем более высокие значениясоответствуют вихрекамерным и предкамерным двигателям.
Распределение теплоты, выделившейся при сгорании топлива, по видам тепловых потерь называется внешним тепловым балансом. Значение каждой составляющей теплового баланса определяют в ккал/ч, кДж/ч или% по отношению ко всему количеству подведенной теплоты.
Уравнение внешнего теплового баланса в абсолютных единицах можно представить в виде
(3.1)
где— количество теплоты, содержавшейся в сгоревшем топливе;— превращенной в эффективную работу;— отведенной в систему охлаждения;— содержавшейся в отработавших газах;— не выделившейся вследствие неполного сгорания топлива;— неучтенные потери теплоты.
В уравнении (3.1) отсутствует член, учитывающий теплоту связанную с механическими потерями (на трение), поскольку эта доля энергии, преобразованная в работу, вновь превращается в теплоту и отводится главным образом в охлаждающую воду. В тепловом балансе часть этих потерь учитывается величинойа оставшаяся часть включается в неучтенные потери
Для получения уравнения теплового баланса необходимо определить его составляющие.
Количество удельной теплоты, содержащейся в топливе, — расход топлива в единицу времени, кг;— низшая удельная теплота сгорания топлива, ккал/кг.
Количество удельной теплоты, превращаемой в эффективную работу двигателя,

Количество удельной теплоты, отводимой в систему охлаждения,
где— расход хладагента в единицу времени, кг; с — удель-
ная теплоемкость жидкости,— температу-
ра хладагента на входе и выходе из двигателя.
Количество удельной теплоты, содержащейся в отработавших газах,

Таблица 3.2 Внешний тепловой баланс поршневого двигателя, %
Типы двигателей
Карбюраторные 23...30 20... 35 30 ...55 0...30 3...8
Дизели: без наддува, комбини- 29... 42 20... 35 25 ...40 0...5 2...7
рованные с умеренным наддувом 35 ...42 10... 25 25...45 0...5 2... 7
с высоким наддувом 40 ...48 10... 18 20 ...40 0...5 2... 5
где— расход топлива и воздуха в единицу времени, кг;
—удельная теплоемкость отработавших газов, ккал/(кг • °С);  — температура отработавших газов и наружного воздуха (заряда).
Удельная теплота, не выделившаяся вследствие неполного сгорания топлива, приа < 1 для случая жидкого топлива

где М0 — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива, кмоль,М0 =

Мсух — количество сухих продуктов при
сгорании 1 кг топлива, кмоль. При а > 1 малая величинаобычно включается в остаточный член.
Тепловой баланс в абсолютных единицах представляет интерес при решении некоторых практических задач, например по определению количества теплоты, отводимой системой охлаждения, для расчета или создания утилизационных устройств и др.
Возможные значения составляющих теплового баланса поршневого двигателя [23] приведены в табл. 3.2.
3.1.3. Газотурбинный двигатель
В газотурбинном двигателе (ГТД) в отличие от поршневого в процессе реализации термодинамического цикла отдельные изменения состояния рабочего тела протекают в пространственно разнесенных конструктивных блоках энергетической установки (компрессор, камера сгорания и турбина). Эти технические устройства соединяются друг с другом [1] через газопроводы и другие элементы конструкции (диффузоры, спирали и т. п.). Поэтому в ГТД термодинамические изменения состояния рабочего тела в реальном масштабе времени происходят не дискретно, а непрерывно.
В газотурбинных двигателях автотракторного назначения (рис. 3.6) всасываемый воздух перед конденсацией в радиальном компрессоре 2 и последующим нагревом в теплообменнике4 проходит через фильтр и глушитель1 шума. Теплообменник в современных автомобильных двигателях обычно выполняется в виде вращающегося регенератора. Таким образом, сжатый и предварительно нагретый газ (воздух) нагнетается в камеру сгорания3, где происходит дальнейшее повышение его температуры при горении впрыскиваемого газообразного, жидкого или эмульгированного топлива.
Продукты сгорания поступают на одно-, двух- или трехступенчатую турбину, установленную на одном, двух или трех валах. Радиальная, или осевая, турбина 9 сначала обеспечивает приведение в действие компрессоров и вспомогательных устройств, а затем оставшаяся мощность расходуется на приведение во вращение ведущего вала через тяговую турбину 7, редуктор6 и трансмиссию.

12 11 10 9 8 7
Рис. 3.6. Схема работы газотурбинного двигателя автотракторного назначения:
1 — фильтр и глушитель;2 — радиальный компрессор;3 — камера сгорания;4 — теплообменник; 5 — выпускное окно;6 — шестеренчатый редуктор; 7 — тяговая турбина;8 — регулируемые направляющие газового потока;9 — компрессорная турбина;10 — пусковое устройство (стартер);11 — вспомогательное оборудование привода;12 — масляный насос в смазочной системе
Таблица 3.3
Значения температуры, °С, элементов металлической и керамической газовых турбин, работающих в режиме полной нагрузки
Местоположение точки измерения Металлическая турбина Керамическая турбина
Выход из турбины Выход из теплообменника (со стороны подачи воздуха) Выход из камеры сгорания
Вход в теплообменник (со стороны подачи газа)
Выход из теплообменника 230
700
1000... 1100
750
270 250
950
1250... 1350
1000
300
Турбина обычно имеет регулируемые направляющие 8 газового потока. При их конструировании учитываются требования уменьшения расхода топлива и обеспечения возможности работы в режимах частичных нагрузок, что одновременно повышает управляемость турбиной при ускорении. После частичного охлаждения в процессе расширения газы пропускаются через газовую секцию теплообменника4, где часть остаточной теплоты передается в окружающую среду. Затем ОГ проходят через выпускной тракт, где они также могут нагреваться для последующей передачи теплоты, например, системе отопления автомобиля.
Термический КПД и расход топлива в газотурбинном двигателе в значительной мере определяются максимально возможными рабочими температурами. В таких двигателях требуются термостойкие сплавы на основе кобальта и никеля. Уровень этих температур (табл. 3.3) [1] недостаточен для того, чтобы добиться топливной экономичности, сопоставимой с аналогичными показателями современных поршневых двигателей. Сравнимая или даже лучшая топливная экономичность газотурбинного двигателя может быть достигнута при использовании в конструкции керамических материалов (см. табл. 3.3).
Идеальный термодинамический цикл ГТД предполагает подвод и отвод теплоты при постоянных значениях давления. Он состоит (рис. 3.7) из изоэнтропийного сжатия (процесс 1 — 2), изобарного подвода теплоты (процесс2—3), изоэнтропийного расширения (процесс3—4) и изобарного отвода теплоты (процесс4—1).
Высокий термический КПД может быть получен только тогда, когда температура возрастает от Т2 доТ2 за счет действия теплообменника, обеспечивающего выход теплоты(4 ->4').


а б
Рис. 3.7. Диаграммы термодинамического цикла газотурбинного двигателя в координатах/?— V0 (а) иТ— s (б):
1—2 — изоэнтропийное сжатие;2— 2'— 3 — изобарный подвод теплоты в теплообменнике и при сгорании топлива;3—4 — изоэнтропийное расширение;4— 4'— 1 — изобарный отвод теплоты, предварительно осуществляемый в теплообменнике

Современные газотурбинные двигатели имеют КПД до 35 %. Преимуществами газовой турбины перед другими тепловыми двигателями являются низкая токсичность ОГ (если не принимать во внимание применение каталитических нейтрализаторов), устойчивая работа при равномерном вращении вала, способность работать на разных сортах топлива (многотоплив-ность), плавное изменение крутящего момента, отсутствие необходимости в частом техническом обслуживании.
К недостаткам ГТД следует отнести высокую стоимость изготовления, неудовлетворительную работу на неустановившихся режимах, высокий расход топлива, непригодность для приведения в действие маломощных установок и транспортных средств.
3.1.4. Паросиловые установки
Паросиловые установки отличаются от ГТД и ДВС тем, что рабочим телом в них служит пар какой-либо жидкости (обычно водяной пар), а продукты сгорания топлива являются лишь промежуточным теплоносителем. Паротурбинная установка, рабо-

Рис. 3.8. Схема (а) и термодинамическая диаграммаТ— s (б) паросиловой установки:
1 — 2 — адиабатное расширение пара на лопатках паровой турбины;2—3 — конденсация пара в конденсаторе;3—4 — сжатие воды в конденсатном насосе;4— 5 — подогрев воды до температуры кипения в водяном экономайзере и котле;5— 6 — парообразование в котле;6— 1 — перегрев пара в пароперегревателе; ПТ — паровая турбина; ЭГ — электрогенератор; К — конденсатор; ОВ — охлаждающая вода; ПН — питательный насос (конденсатный); ВЭ — водяной экономайзер; ПК — паровой котел; ПП — пароперегреватель тающая по наиболее идеальному циклу — циклу Карно с влажным насыщенным паром в качестве рабочего тела, должна состоять из парового котла, парового двигателя, конденсатора и компрессора. Однако паросиловые установки, работающие Цо циклу Карно, имеют столь существенные недостатки, что их применение становится нецелесообразным1.
Ввиду сказанного в качестве идеального цикла паросиловой установки принят другой специальный цикл, называемый циклом Ренкина. Этот цикл может быть осуществлен в паросиловой установке по схеме и диаграмме, приведенным на рис. 3.8. В паровом котле ПК за счет теплоты сжигаемого топлива происходит процесс превращения воды в пар. Пароперегреватель ПП обеспечивает необходимые начальные параметры пара(P1 T1). На лопатках паровой турбины ПТ происходит преобразование теплоты в работу, а затем в электрогенераторе ЭГ — в электрическую энергию. Отработавший пар в конденсаторе К конденсируется с передачей теплоты охлаждающей воде ОВ. Полученный конденсат питательным (конденсатным) насосом ПН подается в водяной экономайзер ВЭ, служащий для подогрева воды, и далее в паровой котел ПК.
1Основными ограничениями применения цикла Карно с влажным паром в качестве рабочего тела являются необходимость использования громоздкого компрессора и большие затраты энергии на сжатие пара [16].
Полезная работа /ццикла Ренкина на диаграмме рис. 3.8 численно определяется площадью фигуры1 — 2—3—4—5—6—1. Она соответствует полезной работе, совершаемой 1 кг пара:
Из этого уравнения видно, что полезная работа в цикле Ренкина зависит от разности энтальпийЭта разность называетсятеплопадением или тепловым напором.Термический КПД цикла Ренкина определяется как отношение полезной работы /ц цикла ко всей подведенной в цикле теплоте— энтальпия воды при температуре конденсатора (холодильника).
3.1.5. Двигатель внешнего сгорания с возвратно-поступательно движущимися поршнями (двигатель Стирлинга)
Принцип действия двигателя Стирлинга можно понять из схемы, представленной на рис. 3.9. В фазе Iрабочий (нижний) поршень расположен в нижней позиции, а вытеснительный (верхний) поршень — в верхней. Рабочий газ расширяется в холодной зоне между двумя поршнями.
При переходе из фазы Iв фазуIIрабочий поршень сжимает рабочего тело в холодной камере. Вытеснительный поршень в это время остается в прежней, верхней позиции.
При переходе из фазы IIв фазуIIIвытеснительный поршень перемещается вниз, вытесняя рабочее тело через теплообменник сначала в регенератор (где происходит абсорбция тепловой

Рис. 3.9. Рабочий цикл двигателя Стирлинга: 1 — вытеснительный поршень;2 — холодная зона;3 — рабочий поршень;4 — теплообменник; 5— нагреватели;6— регенератор; 7— горячая зона;I—IVфазы — последовательность изменения положений рабочего и вытеснительного поршней в цилиндре
энергии, запасенной в рабочем теле), а затем и в нагреватель (где осуществляется нагревание рабочего тела до максимальной температуры). Так как рабочий поршень при этом остается в своей нижней позиции, рабочий объем также сохраняется неизменным. Нагретый до максимальной температуры рабочий газ входит в горячую зону над вытеснительным поршнем.
При переходе из фазы IIIв фазуIVпроисходит расширение нагретого газа. Рабочий и вытеснительный поршни смещаются в крайние нижние позиции, генерируя при этом мощность. Цикл заканчивается при переходе из фазыIVв фазуI, когда при перемещении вытеснительного поршня вверх снова происходит вытеснение газа через нагреватель в регенератор с интенсивным рассеиванием теплоты. Остаточная теплота поглощается в теплообменнике перед поступлением рабочего тела в холодную зону.
Теоретический цикл в значительной мере соответствует изотермическому сжатию (рабочий газ охлаждается в теплообменнике до первоначальной температуры после адиабатного сжатия), изохорному дополнительному поступлению теплоты через регенератор и нагреватель, квазиизотермическому расширению (рабочий газ повторно нагревается до первоначальной температуры в нагревателе после адиабатного расширения) и изохорному рассеянию теплоты через регенератор и теплообменник.
Идеальный цикл в координатах p—V0 иТ— s может быть получен (рис. ЗЛО) только при прерывистом перемещении рабочего и вытеснительного поршней. Если оба поршня соединены с валом (посредством ромбического привода) и движутся по синусоидальному закону (с изменением направления движения в каждой фазе цикла), то образуется «скругленная» диаграмма при том же КПД цикла (аналогично КПД цикла Карно), но за счет снижения мощности и общего КПД установки.
В конструктивном отношении современные двигатели Стерлинга представляют собой двигатели двойного действия, например, с четырьмя цилиндрами, работающими с определенным сдвигом фаз и при высоких давлениях (5...20 МПа). В каждом цилиндре расположен один поршень, верхняя часть которого играет роль рабочего поршня, а нижняя действует как вытеснитель для следующего цилиндра. Теплообменник, регенератор и нагреватель находятся между цилиндрами двигателя. В качестве рабочего тела применяются газы (обычно водород) с высокой удельной теплоемкостью. Так как теплообменник должен отдавать в окружающую среду всю теплоту, полученную в процессе работы, двигатели Стирлинга требуют применения теплообменников значительных размеров.
Достоинствами двигателя Стирлинга являются очень низкая токсичность отработавших газов, почти бесшумная работа (отсутствует шум, связанный с процессом горения), возможность

использования различных видов топлива (многотопливный вариант двигателя). Расход топлива данного двигателя приблизительно соответствует аналогичному показателю дизеля с непосредственным впрыском.
Недостатки двигателя Стирлинга связаны с высокой стоимостью изготовления из-за усложненной конструкции, очень высокими значениями рабочих температур для получения только средних (по сравнению с другими тепловыми двигателями) значений полезной удельной мощности, потребностью в сравнительно дорогостоящей системе регулирования, значительных поверхностях охлаждения и (или) дополнительных мощностях на приведение в действие агрегатов вентиляции.
3.1.6. Роторный двигатель Ванкеля
Роторный двигатель (рис. 3.11) — это поршневой двигатель, в котором кривошипно-шатунный механизм заменен приводным эксцентриковым элементом, связанным с вращающимся поршнем (ротором). В плане ротор 1 имеет форму треугольника с выпуклыми сторонами. Ротор устанавливается внутри овального корпуса с каналами для охлаждающей жидкости. При вращении ротора его три вершины обкатываются по внутренней стенке корпуса, образуя три взаимно герметизируемые камеры (А, Б, В) с изменяющимся рабочим объемом, расположенные через 120" по дуге окружности. Каждая из этих камер обеспечивает реализацию полного четырехтактного цикла рабочего процесса при каждом полном обороте ротора (т. е. за один полный оборот треугольного ротора двигатель заканчивает четырехтактный процесс три раза, а эксцентриковый элемент осуществляет равное число оборотов).
Ротор снабжен уплотнениями как со стороны торцов, так и вершин. Он имеет концентрично расположенное зубчатое колесо 2 с внутренним зацеплением и подшипники для вала эксцентрикового элемента. Зубчатое колесо с внутренним зацеплением взаимодействует с шестерней3, установленной в корпусе. Эта шестерня расположена концентрично относительно эксцентрикового вала. Шестеренный механизм не передает усилий, а служит для направления вращающегося поршня при его перемещении по эпитрохоиде, что необходимо для синхронизации работы поршня и эксцентрикового вала.
Внутренняя шестерня и наружное зубчатое колесо обеспечивают получение передаточного отношения 3:2. Ротор вращается с угловой скоростью, равной 2/3 угловой скорости вала, но в противоположном направлении. Такая схема позволяет получать скорость ротора, составляющую лишь 1/3 угловой скорости вала относительно корпуса. Газообмен регулируется самим поршнем, который при вращении последовательно проходит над отверстиями (окнами) в корпусе. Альтернативой данной схеме является размещение периферийных впускных окон у вершин трохоидаль-ной траектории движения; эти выпускные окна находятся с боковой стороны блока двигателя (боковые окна).

Рис. 3.11. Конструкция и принцип действия роторного двигателя Винкеля:
а — рабочий процессIтакта;б — рабочий процессIIтакта;1 — ротор;2 — зубчатое колесо с внутренним зацеплением;3 — шестерня, закрепленная в корпусе;4 — свеча зажигания;5 — опорная поверхность эксцентрика; А, Б, В — камеры
Из-за отсутствия возвратно-поступательно движущихся масс и ограничений на прохождение газа (дросселирование газового потока) в двигателе Ванкеля можно значительно увеличить скорость перемещения газового потока и частоту вращения вала двигателя. Роторные двигатели могут быть полностью уравновешены. Единственным нерешенным вопросом является неравномерность крутящего момента, что, следует отметить, характерно для всех типов ДВС. Двухроторный двигатель Ванкеля может приблизиться по рабочим параметрам к шестицилиндровому поршневому двигателю.
Преимущества роторного двигателя состоят в следующем: полная уравновешенность масс, пологая кривая изменения крутящего момента, компактная конструкция, отсутствие клапанного механизма, легкость в управлении. Недостатками такого двигателя являются нерациональная форма камеры сгорания, что вызывает увеличение фронта пламени и, следовательно, сравнительно высокие уровни выбросов с ОГ углеводородов; повышенный расход топлива и масла; высокая стоимость изготовления; невозможность работы в режиме дизеля (внутреннего смесеобразования); относительно высокое расположение ведущего вала, что приводит к неудобству компоновки двигателя с трансмиссией.
3.2. Организация рабочих процессов транспортных двигателей внутреннего сгорания
3.2.1. Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто)
Образование рабочей смеси. Двигатель с искровым зажиганием — это поршневой двигатель с внешним или внутренним образованием рабочей смеси и воспламенением ее от внешнего источника. При такте сжатия смесь сжимается в цилиндре до давления 2...3 МПа (при степени сжатия е = 8... 12). Это позволяет в конце такта получать температуру смеси 400... 500 °С, что ниже температуры ее самовоспламенения. Поэтому она поджигается искрой, подаваемой при подходе поршня к ВМТ.
Система питания в двигателе с искровым зажиганием предназначена для получения гомогенной горючей топливовоздуш-ной смеси. Однако однородность должна быть обеспечена только для газовых или парогазовых смесей, т. е. перед зажиганием все топливо должно быть подвергнуто испарению. Если существуют факторы, которые не позволяют топливу полностью испариться (например, низкая температура во время холодного пуска двигателя), то следует подать дополнительную порцию топлива, чтобы обогатить топливовоздушную смесь и сделать ее легковоспламеняемой (обогащение смеси при холодном пуске).
Кроме приготовления гомогенной смеси система питания бензинового двигателя должна обеспечивать возможность регулировать ее количество в зависимости от нагрузки. Так как гомогенные рабочие смеси воспламеняются только в узком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха (а = 0,8... 1,2), то мощность, развиваемая двигателем, и возможность преодоления им внешних нагрузок будут обеспечиваться определенным количеством смеси, поступающей в цилиндры (количественное регулирование). На частичных нагрузках для этого изменяют положение дроссельной заслонки.
Однородность состава топливовоздушной смеси необходимо поддерживать для отдельных цилиндров во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы транспортного двигателя. Однако добиться однородности смеси по цилиндрам весьма сложно.
При частичных нагрузках дроссельная заслонка вызывает колебания давления во впускном тракте, что приводит к нестабильности распределения свежего заряда по отдельным цилиндрам двигателя. Это характерно для карбюраторных двигателей и систем смесеобразования с одноточечным (центральным) впрыскиванием топлива (рис. 3.12, а). По мере уменьшения нагрузки давление во впускном тракте двигателя падает, способствуя испарению топлива, что оказывает положительное влияние на равномерность распределения смеси по цилиндрам. В результате в отдельных цилиндрах формируются приблизительно однородные составы рабочей смеси. С увеличением нагрузки, т. е. по мере роста давления во впускном коллекторе, неравномерность распределения рабочей смеси постепенно увеличивается, достигая 62 % при частотах вращения коленчатого вала двигателя 1000... 1200 мин-1и полной нагрузке.
При многоточечном (распределенном) впрыске топлива (как во впускной тракт, так и непосредственно в камеру сгорания), распределение рабочей смеси по цилиндрам характеризуется наименьшей однородностью состава в диапазоне малых нагрузок (рис. 3.12, б), когда воздух неравномерно распределен по цилиндрам. С ростом нагрузки и, следовательно, улучшением распределения воздуха по цилиндрам разброс в составе (качестве) топливовоздушной смеси для отдельных цилиндров уменьшается.
Устройства обогащения горючей смеси в системах питания бензиновых двигателей должны компенсировать ее естественное обеднение в условиях холодного запуска двигателя и в случае его работы при низких температурах воздуха (температурная коррекция обогащения топливовоздушной смеси).

Зажигание. Необходимо, чтобы система зажигания надежно воспламеняла сжатую смесь в точно установленный момент. Это достигается правильным размещением свечи зажигания, оптимизацией подачи смеси в цилиндры одновременно с обеспечением ее завихрения, что особенно важно при работе на обедненных смесях и при малом открытии дроссельной заслонки, или путем размещения свечи зажигания в небольшой вспомогательной камере сгорания — предкамере. Энергия, требующаяся для воспламенения топливовоздушной смеси, существенно зависит от ее состава. Так, для бензовоздушных смесей с коэффициентом избытка воздухаа = 1 нужна энергия зажигания около 200 кДж, а для воспламенения более бедных или, наоборот, богатых смесей — до 3 МДж.
Процесс сгорания. Начальная фаза воспламенения, определяемая временем, необходимым для формирования первичного очага горения в топливовоздушной смеси в процессе высокотемпературного искрообразования между электродами свечи, характеризуется относительной стабильностью во времени. По сути единственным фактором, оказывающим влияние на стабильность воспламенения смеси, является ее состав. Изменение частоты вращения коленчатого вала, как правило, приводит к изменению периода задержки воспламенения топлива, в то время как величина а оказывает влияние преимущественно на продолжительность процесса сгорания.
Основными факторами, определяющими характер протекания процесса выделения теплоты, являются форма камеры сгорания и месторасположение очага воспламенения (свечи зажигания). Главный фактор, влияющий на продолжительность сгорания, — скорость распространения пламени (скорость сгорания). Максимальная скорость сгорания 20...40 м/с достигается приСкорость сгорания определяется процессами диф-
фузии во фронте пламени, а также степенью турбулентности и температурой в тех зонах смеси, которые еще не воспламенились.
Степень турбулентности заряда в камере сгорания и зоне фронта пламени зависит от конструкции впускного тракта и формы камеры сгорания (например, наличия специального вытеснителя для создания турбулентности). Турбулентность внутри камеры сгорания может возникнуть самопроизвольно в результате распространения пламени. На нее всегда оказывают влияние степень сжатия, температура воздуха на впуске и частота вращения коленчатого вала двигателя. Характер роста давления при сгорании оказывает решающее влияние на конечную температуру процесса сгорания, в то время как влияние теплопроводности и теплового излучения проявляется в бензиновых двигателях не столь заметным образом.
Малый расход топлива и высокий КПД обеспечиваются при большой скорости сгорания и характере тепловыделения, оптимально согласованном с ходом поршня. Максимальное тепловыделение должно наступать при повороте коленчатого вала на угол 5... 10° после прохождения ВМТ. Если большая часть теплоты высвобождается слишком рано, то возрастают ее потери в стенках камеры сгорания и на механическое трение. Позднее выделение теплоты приводит к снижению термического КПД и к высоким значениям температуры отработавших газов.
Момент зажигания рабочей смеси, обеспечивающий оптимальное тепловыделение, выбирается с учетом соотношения воздуха и топлива в смеси (а), влияния конструкции на турбулентность заряда в камере сгорания, характера протекания процессов воспламенения и распространения пламени по объему камеры сгорания.
Нарушения процесса сгорания. Для надежного воспламенения и распространения пламени в двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, как правило, не используют бедные смеси с а > 1,3. В то же время применение таких смесей весьма желательно для повышения термического КПД и эффективности газообмена, а также уменьшения потерь

теплоты, связанных с теплопередачей через стенки камеры сгорания и диссоциацией реагентов.
Увеличение степени сжатия обеспечивает повышение КПД при частичных нагрузках, но в то же время приводит к росту вероятности возникновения детонации при полной нагрузке (рис. 3.13, см. также рис. 2.1). Детонация происходит тогда, когда скорость распространения пламени приближается к скорости звука. Чаще это явление наблюдается при завершении процесса сгорания. К этому времени остаточные газы уже сильно сжаты и имеют высокую температуру. Детонация характеризуется резким повышением давления. Такое аномальное сгорание приводит к повреждению поршня, головки цилиндра и нередко прокладки между цилиндром и головкой. Вероятность возникновения детонации уменьшается при применении специальных антидетонационных добавок к топливу (см. гл. 2) или обогащении смеси (за счет дополнительного внутреннего охлаждения при парообразовании топлива).
Чтобы избежать явления детонации, момент зажигания делают более поздним, однако это приводит к уменьшению значений среднего эффективного давления (см. рис. 3.13) и сопровождается ростом температуры отработавших газов. Из-за ограниченных возможностей использования бедных смесей в бензиновых двигателях с искровым зажиганием регулирование мощности в большей части рабочего диапазона нагрузочных режимов осуществляется изменением расхода воздуха. Это достигается либо дросселированием потока и регулированием таким образом плотности заряда, либо более ранним закрытием впускного клапана. С технической точки зрения наиболее простым (но менее эффективным) решением является первый способ.
Мощность и экономичность. Низкие значения КПД двигателей с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием характерны для малых нагрузок и частот вращения коленчатого вала (рис. 3.14). Причина этого — низкая эффективность процесса сгорания из-за слабой турбулентности смеси, небольшой плотности заряда и незавершенности газообменных процессов.

КПД дополнительно снижается вследствие уменьшения механического КПД при малых нагрузках и частотах вращения коленчатого вала двигателя (рис. 3.15).
Любые способы, улучшающие показатели в отмеченной области рабочих режимов, позволяют повысить и значения обще го КПД двигателя.

Так, выборочное прекращение подачи топлива к отдельным цилиндрам позволяет обеспечить высокие значения КПД в оставшихся цилиндрах двигателя благодаря улучшению как сгорания топлива, так и газообмена. Отключение некоторых цилиндров приводит к дополнительному уменьшению потерь мощности, поскольку впускные и выпускные клапаны в них закрыты во время протекания процессов в рабочих цилиндрах.
Снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя также позволяет повысить общий КПД за счет уменьшения потерь на дросселирование газового потока и увеличения эффективности газообмена. Одновременно с этим меры, направленные на уменьшение среднего давления механических потерь, также приводят к повышению механического КПД двигателя.
3.2.2. Дизель
Смесеобразование. Дизели являются двигателями с внутренним смесеобразованием. В гетерогенных смесях соотношение воздуха и топлива может изменяться от чистого воздуха (а —» °°), характерного для периферийных участков струи топлива, до чистого топлива (а = 0) в середине топливного факела. На рис. 3.16 схематически показаны распределение коэффициента избытка воздуха а и зона пламени около отдельной неподвижной капли топлива. Так как подобная зона всегда возникает возле каждой впрыскиваемой капли, регулирование нагрузки при образовании гетерогенной смеси может быть осуществлено путем управления топливоподачей, т. е. регулирования качества смеси.
Вблизи капли сгорание гомогенной смеси происходит в относительно узком диапазоне изменения состава (а = 0,3... 1,5). Непрерывная подготовка хорошо сгорающих смесей обеспечивается диффузией реагентов и турбулентностью газового потока. Процесс смесеобразования в гетерогенной смеси продолжается и во время объемного сгорания.
К

инетическая энергия струи топлива.Кинетическая энер гия распыляемой струи изменяется в зависимости от разности давлений у соплового отверстия распылителя форсунки. Вместе с формой топливной струи (определяемой геометрическими параметрами распылителя форсунки) и скоростью ее истечения из соплового отверстия значение энергии влияет на объем и дальнобойность (границы) факела, в котором происходит взаимодействие воздуха и топлива, а также на диапазон размеров (дисперсность) капель топлива в камере сгорания. Энергия и, следовательно, дальнобойность топливной струи зависят от производительности топливного насоса и диаметра калиброванного отверстия распылителя форсунки.
Теплота. Тепловая энергия, получаемая от нагретых стенок камеры сгорания и в результате сжатия воздуха, обеспечивает испарение той доли впрыскиваемого топлива, которая поступает в цилиндры за период индукции. После воспламенения прогрев и испарение поступающего топлива обеспечиваются теплотой экзотермической реакции горения.
Организация процесса смесеобразования (рис. 3.17). Правильно выбранная форма камеры сгорания (КС) может обеспечить эффективное взаимодействие топливной струи с воздухом, а также получение необходимой турбулентности и вихревого движения заряда за счет изменения объема при движении поршня.
Организация воздушного потока (воздушного вихря) в КС. Воздух обычно циркулирует в объеме камеры сгорания в форме вихря. Струя топлива направляется перпендикулярно вихревому движению таким образом, чтобы в результате их взаимодействия воздушный поток смещался в направлении струи впрыскиваемого топлива, способствуя вытеснению инертных продуктов сгорания из области горения.
При испарении топлива со стенок камеры сгорания воздушный вихрь захватывает паровой слой и создает «термоизоляцию» между сгорающей смесью и свежим зарядом. В то же время микротурбулентность в вихре приводит к быстрому перемешиванию паров топлива с воздухом. Воздушный вихрь создается благодаря особой геометрической форме впускного тракта или путем перемещения части заряда из цилиндра во вспомогательную камеру, которая обеспечивает его симметричное вращение (при пропускании заряда через специальный канал).
Сгорание в вихревой камере. В процессе частичного выгорания топливовоздушной смеси в вспомогательной камере ее давление оказывается выше давления смеси в основной КС. Перепад давлений заставляет частично окисленные продукты сгорания и испарившееся топливо проходить через один или несколько каналов и попадать в основную камеру сгорания, где они хорошо перемешиваются с оставшимся после сгорания воз-

Рис. 3.17. Схемы организации процесса смесеобразования в дизелях:
а — непосредственное впрыскивание в воздушный статический заряд;б — непосредственное впрыскивание во вращающийся воздушный заряд;в — пленочное смесеобразование (М-процесс);г — вихревая предкамера с принудительным зажиганием;д — предкамера с воздушным статическим зарядом и принудительным зажиганием;1 — гильза цилиндра;2 — головка цилиндра;3 — поршень;4 — форсунка; 5 — свеча зажигания;6 — клапан духом. В дизелях применяются несколько способов организации смесеобразования.
Непосредственное впрыскивание топлива. Этот термин относится ко всем камерам сгорания, представляющим собой единый (неразделенный) объем. Процесс смесеобразования реализуется впрыскиванием топлива при отсутствии движения воздуха (впрыскивание со статическим зарядом) или впрыскиванием в воздушный вихрь при помощи многосопловой форсунки.
Впрыскивание топлива со статическим зарядом. Для распыления топлива применяется форсунка с 6 —8 отверстиями, которые располагаются над центром камеры сгорания. При впрыскивании используется энергия, заключенная в топливе, поэтому наличие завихрения воздуха в камере сгорания не является обязательным. Этот процесс перспективен для средне- и высоконаддувных двигателей большегрузных автомобилей.
Процесс сгорания с использованием многосопловых форсунок. В данном случае применяются форсунки с 3 — 5 распылительными отверстиями, расположенными как можно ближе к центру камеры сгорания. Этот процесс осуществляется в основном в дизельных безнаддувных двигателях легких грузовых автомобилей и быстроходных двигателях автофургонов и легковых автомобилей с использованием энергии воздуха, поступающего в зону горения, а также энергии струи факела топлива. Система впуска создает завихрение потока воздуха. Скорость вращения воздуха выбирается такой, чтобы во время сгорания топливовоздушная смесь заполняла части камеры сгорания, расположенные по направлению струи распыляемого топлива.
М-система. В М-системе с пленочным смесеобразованием (системаMAN) значительная часть топлива подается на стенки камеры сгорания и создает на них пленку. Испаряясь, оно образует с завихренным воздухом достаточно однородную смесь. Этот процесс позволяет обеспечить высокий показатель использования воздуха в сочетании с низкой концентрацией выбросов сажи в отработавших газах.
Разделенные камеры сгорания. Конструкции с двумя камерами сгорания применяются на небольших быстроходных дизелях легковых автомобилей. Для них устанавливаются очень жесткие требования к скорости смесеобразования и коэффициенту избытка воздуха. Наличие впускных каналов для завихрения воздуха затрудняет обеспечение необходимого коэффициента наполнения. Разделенные камеры сгорания позволяют получать обогащенные рабочие смеси в предкамере и относительно обедненные заряды в основной камере, благодаря чему значительно снижаются выбросы оксидов азота и углеводородов в отработавших газах.
Система смесеобразования с вихревой предкамерой. Вспомогательная (вихревая) камера полусферической формы находится на периферии основной камеры сгорания; вместимость вихревой камеры составляет около 50 % общей вместимости камеры сгорания. В вихревой камере размещены форсунка и запальная свеча, необходимая для холодного пуска двигателя. Применение этой системы позволяет сочетать высокую частоту вращения коленчатого вала (свыше 5000 мин-1) с хорошими показателями использования воздуха и довольно низким выбросом твердых частиц с отработавшими газами.
Система смесеобразования в предкамере. Особенностью данной системы является наличие вспомогательной камеры (предкамеры), которая расположена по центру основной камеры сгорания и имеет вместимость, составляющую 25... 35 % общей вместимости камеры сгорания. Ниже форсунки располагается отражающая поверхность, которая служит для ускорения смесеобразования путем регулирования турбулентности потока в предкамере. Таким способом обеспечивается сгорание с очень низкой концентрацией токсичных компонентов и твердых частиц в ОГ. Процесс, отличающийся высоким коэффициентом избытка воздуха, применяется в высокооборотных дизелях.
Процесс сгорания. В реальных условиях задержка воспламенения определяется следующими факторами: способностью топлива к самовоспламенению (цетановое число); давлением сжатия (степень сжатия, степень наддува); температурой сжатия (степень сжатия, наличие промежуточного охлаждения); видом системы подачи топлива.
Процесс сгорания, начинающийся с воспламенения смеси, может быть разделен на две фазы. В начальной фазе быстрого сгорания подготовленной смеси топливо продолжает впрыскиваться в камеру сгорания и смешиваться с воздухом. После воспламенения оно сгорает в так называемом диффузионном пламени (фаза замедленного сгорания). Та часть топлива, которая сгорает в первой фазе, обусловливает резкое повышение давления (высокую жесткость сгорания), что служит главной причиной повышенного шума, вызываемого сгоранием, и образования оксидов азота в отработавших газах. Диффузионное пламя, характеризующееся «мягким» горением, является основным источником возникновения в ОГ несгоревших частиц сажи.
Недостатки дизеля и ограничения, налагаемые на процесс сгорания. Дизель без выброса сажи создать невозможно. Снизить выброс твердых частиц позволяют увеличение давления впрыскивания топлива и переход на оптимальные характеристики распыления путем изменения формы камер сгорания и форсунок с несколькими распылительными отверстиями. Тур-бонаддув, особенно с промежуточным охлаждением воздуха, является эффективным средством подавления сажеобразова-ния. Не следует смешивать понятие жесткого сгорания с детонацией, которая имеет место при средних и малых нагрузках дизеля. Детонация характеризуется возникновением пульсирующего металлического звука.
Дизель «обречен» работать в условиях высоких максимальных давлений. Причинами тому являются высокая степень сжатия, необходимая для надежного пуска дизеля и уменьшения шумности его работы, обеспечение максимально возможной скорости распространения пламени для повышения топливной экономичности, применение турбонагнетателей. Это обусловливает особые требования к прочности его деталей и, следовательно, к качеству используемых материалов. Из-за того что дизели должны работать на обедненной смеси в режиме полной нагрузки, они обычно имеют более низкие значения удельной мощности, чем у двигателей с искровым зажиганием.
3.2.3. Гибридные двигатели
Послойное смесеобразование. Гибридные двигатели — условное наименование энергетических установок, в которых могут совмещаться характеристики дизеля и двигателя с искровым зажиганием (послойное смесеобразование, многотоплив-ность и т.д.), а также использоваться альтернативные (нетрадиционные) источники энергии, в частности топливные элементы.
В двигателях с послойным смесеобразованием часть смеси, непосредственно контактирующая со свечой зажигания, обогащается, в то время как ее остальная часть остается обедненной. Это позволяет при работе на частичных нагрузках сочетать топливную экономичность с низкими уровнями выбросов оксидов азота и углерода.
Системы с неразделенной камерой сгорания по многим характеристикам аналогичны дизелям (качественное регулирование смеси, высокое давление вспрыскивания и т.п.). Исследования в этом направлении сосредоточены на использовании внутреннего смесеобразования для получения воспламеняемой смеси в зоне свечи зажигания и обедненных смесей (вплоть до чистого воздуха) в остальной части камеры сгорания (системы TCCSфирмыTexaco, США;PROCOфирмыFord, США;Ricardo, Франция;FMфирмыMAN, Германия;ADфирмыKHD, Германия).
Двигатели с форкамерно-факельным зажиганием сходны с двигателями с искровым зажиганием (управление посредством дросселя, впуск смеси и т.п.). В них свеча зажигания располагается внутри небольшой дополнительной камеры сгорания (форкамеры), вместимость которой составляет 5...25 % общей вместимости камеры сгорания. В форкамере устанавливается либо дополнительная форсунка для впрыскивания топлива (системы фирмы VWиSKSфирмыPorsche, Германия), либо вспомогательный клапан для подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания (системаCVCCфирмыHonda, Япония).
Многотопливные двигатели. В многотопливных двигателях способность топлив к воспламенению и их детонационная стойкость невысоки, поэтому внешнее смесеобразование сопровождается опасностью возникновения детонации или преждевременного воспламенения. По этой причине в таких двигателях всегда используются способы внутреннего смесеобразования и более позднее впрыскивание топлива (аналогично дизельным двигателям). Так как низкая склонность к воспламенению некоторых видов топлива делает воспламенение затрудненным или даже невозможным, многотопливные двигатели работают при чрезвычайно высоких степенях сжатия (двигательMTUфирмыMercedes-Benz, Германия, имеет е = 25). Двигатель может быть оборудован дополнительным источником зажигания, например, свечами зажигания или накаливания (системаFMфирмыMAN, Германия). Степень сжатия в этих двигателях соответствует значениям
В двигателях, работающих на газовом и спиртовом топливах могут применяться специальные типы зажигания (KHD,MWM, Германия), когда дополнительная порция дизельного топлива (5... 10 % подачи топлива в дизеле на режиме полной нагрузки) впрыскивается непосредственно в камеру сгорания для обеспечения гарантированного воспламенения. При таком процессе смесь воздуха и основного топлива может образовываться как внутри, так и вне камеры сгорания.
Двигатели на топливных элементах. Топливный элемент (ТЭ) — это электрохимический генератор, обеспечивающий прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принципиальным отличием ТЭ от электрической батареи является то, что электроэнергия генерируется в нем до тех пор, пока на анод поступает топливо, в частности водород, а на катод — окислитель, например кислород (рис. 3.18). Основные побочные продукты функционирования ТЭ — теплота и вода.
Т

Э могут изготавливаться с кислым или щелочным электролитом, химический состав которого не изменяется в процессе работы.
Для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию (например, электродвигателем, который передает вращение колесам автомобиля).
Двигатели на ТЭ «всеядны»: они работают при поступлении на анод любого водородосодержащего топлива (после соответствующей обработки) — природного, сжиженного или синтетического газа, биогаза, метанола, дизельного топлива, продуктов газификации угля. ТЭ обладают двумя существенными преимуществами, благодаря которым без них сложно представить энергетику XXIв.: КПД до 75 % — по электроэнергии и 90... 95 % — с учетом утилизации теплоты. Более эффективной и экологически чистой энергетической системы человечество пока не знает.
3.3. Основные системы обеспечения работы транспортных двигателей внутреннего сгорания
3.3.1. Система питания
Система питания предназначена для хранения топлива на борту автомобиля, транспортирования, очистки от механических примесей, дозирования в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы двигателя и распыления в воздушном потоке для создания горючих топливовоздушных смесей.
В бензиновых двигателях с искровым зажиганием в настоящее время применяются карбюраторные системы питания и системы дозирования и впрыскивания топлива с электронным управлением. Различают системы центрального (с одновременным приготовлением смеси для всех цилиндров двигателя) и распределенного (с приготовлением смеси для каждого цилиндра) впрыскивания топлива. Для эффективной работы трехком-понентных каталитических нейтрализаторов ОГ управление процессом смесеобразования в современных бензиновых двигателях осуществляется по сигналам датчика свободного кислорода (А-зонда), устанавливаемого в системе выпуска ОГ перед каталитическим конвертером.
Для питания топливом дизельных двигателей предназначены топливные насосы высокого давления (ТНВД), трубопроводы высокого давления и форсунки, обеспечивающие дозирование, сжатие, транспортирование и распыление топлива в объеме камеры сгорания. В настоящее время нашли применение плунжерные ТНВД рядного (с плунжерной парой на каждый цилиндр и приводом от кулачкового вала) и распределительного (с плунжерными парами на несколько цилиндров и приводом от кулачковой шайбы) типов. В двигателях большегрузных автомобилей находят все большее применение насос-форсунки (совмещающие в одном агрегате дозирование, сжатие и распыление топлива), а также системы электронного управления топливоподачей. Подробные сведения о системах питания двигателей современных автомобилей и устройстве их элементов можно найти в справочном издании [1].
3.3.2. Цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы
В состав системы ДВС, служащей для преобразования химической энергии топлива во вращательное движение вала, входятцилиндропоршневая группа (ЦПГ) икривошипно-шатунный механизм(КШМ). В зависимости от конструктивного оформления КШМ возможны различные способы расположения цилиндров (рис. 3.19).
Рассмотрим конструктивные элементы, входящие в состав ЦПГ и КШМ.
Поршень обеспечивает передачу усилий на шатун, герметизирует камеру сгорания, отделяя ее от картера двигателя и отводит излишки теплоты в систему охлаждения. Форма и конструкция поршня, включая геометрические характеристики его днища и поршневого пальца, в значительной степени определяются формой камеры сгорания. Другие параметры зависят от типа процесса сгорания и связанного с ним максимального давления в цилиндре. Приоритетным направлением конструирования является создание облегченных поршней, способных в то же время противостоять значительным усилиям и рабочим температурам.


Рис. 3.19. Рядное (а), V-образное(б), звездообразное(в), оппозитное (г), параллельное(д) и противоположное(е) расположение цилиндров в соответствии с конструкцией кривошипно-шатунного механизма:1 — шатун;2 — кривошип
Для изготовления гильз цилиндров и поршней обычно применяют серый чугун и алюминий. Хотя поршень и гильза имеют разные коэффициенты теплового расширения, зазор между ними должен быть минимальным, чтобы снизить шум и улучшить герметизацию камеры сгорания. Для уменьшения степени расширения поршня при нагревании в него иногда устанавливают стальные пластины.
Поршневые кольца образуют плотное соединение между поршнем и цилиндром. Два верхних поршневых кольца — компрессионные, препятствующие прорыву газов из камеры сгорания в картер. По меньшей мере одно кольцо маслосъемное, предотвращающее проникновение масла из картера в камеру сгорания. Из-за наличия больших радиальных давлений со стороны поршневых колец на стенки цилиндра и высоких скоростей скольжения эти пары являются основным источником трения в ДВС.
Шатун, обеспечивающий соединение поршня с коленчатым валом, подвергается воздействию высоких растягивающих, сжимающих и изгибающих усилий. Он имеет верхнюю и нижнюю головки, соединенные соответственно с поршневым пальцем и шатунной шейкой коленчатого вала. Длина шатуна определяет габариты двигателя.
Коленчатый вал вместе с шатунами обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и передачу потребителям крутящего момента. Нагрузки, воздействующие на коленчатый вал, характеризуются высокой степенью цикличности и переменными значениями по длине коленчатого вала. Силы, изгибающие моменты и возникающая в результате их действия вибрация вызывают высокую концентрацию напряжений. Поэтому конструкция и колебательные характеристики коленчатого вала должны выбираться на основе специальных расчетов [1, 23].
Для равномерного распределения рабочего давления все дизели изготавливают с полноопорными коленчатыми валами (в этом случае коренные подшипники расположены между всеми цилиндрами). Такая схема применима и для высокооборотных двигателей с искровым зажиганием. Число противовесов определяется количеством коренных опор.
Нагрузка двигателя является основным критерием при выборе материала и технологии изготовления коленчатых валов. Валы для высоконагруженных двигателей обычно изготавливают горячей штамповкой. В небольших малонагруженных двигателях применяют литые коленчатые валы. Их достоинства — меньшая масса и относительно низкая стоимость.
Вибрация коленчатого вала и изгибающие колебания в наибольшей степени проявляются только при работе двигателей с небольшим числом цилиндров, так как коленчатый вал и необходимый в этом случае маховик создают колебательную систему с низкой собственной частотой колебаний. Для двигателей с числом цилиндров, равным трем и более, изгибающие колебания не являются столь опасным фактором. В двигателях с большим числом цилиндров важным фактором становятся крутильные колебания системы, образуемой коленчатым валом, шатунами и поршнями. Для уменьшения крутильных колебаний применяют гасители (например, резиновые или вязкостные демпферы колебаний).
Блок цилиндров и картер двигателя являются корпусными деталями, воспринимающими усилия, которые возникают при сгорании рабочей смеси и передаются на коленчатый вал и его подшипниковые опоры. В конструкцию блока входят гильзы цилиндров, водяная рубашка охлаждения, а также герметизированные масляные полости и каналы.
Рабочие поверхности цилиндров двигателей с искровым зажиганием иногда растачивают непосредственно в литом блоке. В дизелях применяют сухие или мокрые (омываемые охлаждающей жидкостью) гильзы цилиндров. Блоки цилиндров для двигателей грузовых автомобилей изготавливают преимущественно из чугуна, а для создания двигателей легковых автомобилей все более широкое применение находят легкие алюминиевые блоки.
Головка цилиндров обеспечивает герметизацию блока и цилиндров в верхней части. В ней размещаются клапанный механизм, свечи зажигания и (или) форсунки. Днища поршней с огневыми поверхностями головки цилиндров образуют камеры сгорания. У большинства двигателей легковых автомобилей в головке цилиндров размещается привод клапанов газораспределительного механизма.
В зависимости от организации подвода рабочей смеси и отвода ОГ различают две конструктивные формы головок цилиндров: с односторонним расположением каналов, наиболее рациональным для автомобилей с поперечным размещением двигателя, и расположением каналов с противоположных сторон.
На двигателях грузовых автомобилей часто применяют отдельные головки для каждого цилиндра. Благодаря этому более равномерно распределяются нагрузки, упрощается герметизация камеры сгорания, облегчается техническое обслуживание и ремонт. Применение раздельных головок в двигателях с воздушным охлаждением позволяет улучшить циркуляцию воздуха и, следовательно, повысить эффективность охлаждения.

Рис. 3.20. Схемы приводов клапанов газораспределительного механизма:
а — штанговый привод;б — привод через коромысло;в — привод одним кулачковым валом;г — привод двумя кулачковыми валами;1 — цилиндропоршневая группа;2 — головка цилиндра;3 —• кулачковый вал с коромыслами
На двигателях легковых и грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности обычно устанавливают одну головку для всех цилиндров. Головки дизелей с жидкостным охлаждением для грузовых автомобилей часто изготавливают из чугуна. Хороший теплоотвод при малой массе обеспечивают алюминиевые головки блоков.
Клапанный газораспределительный механизм включает в себя впускные и выпускные клапаны, пружины, обеспечивающие их закрытие, и распределительный вал с приводом. В настоящее время почти все механизмы газораспределения являются верхнеклапанными (рис. 3.20) и размещаются в головке блока цилиндров. В дизелях и многих двигателях с искровым зажиганием клапаны располагаются параллельно оси цилиндра и обычно приводятся в действие от двух коромысел через толкатели или каждый клапан — от своего коромысла.
Все большее распространение получают двигатели с искровым зажиганием, у которых впускные и выпускные клапаны располагаются напротив друг друга (с развалом). Это позволяет увеличить диаметры клапанов и оптимизировать конструкцию впускного и выпускного трактов. В форсированных двигателях все чаще применяют четыре клапана на один цилиндр и верхний распределительный вал с непосредственным приводом клапанов.
Материалы, используемые для изготовления клапанов, должны обладать высокой термостойкостью; контактная поверхность седла клапана подвергается закалке. Для интенсификации теплопередачи выпускные клапаны заполняют натрием. Для повышения долговечности и улучшения уплотнения клапанов применяют системы их вращения [1]. Направляющие клапанов в двигателях высокой мощности должны обладать высокой теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Износ седла клапана может быть снижен при изготовлении его из чугуна или металлокерамического материала.
Кулачок распределительного вала должен обеспечивать подъем клапана на заданную высоту с наибольшей скоростью и плавностью хода. Клапанная пружина осуществляет его закрытие, а также обеспечивает постоянный контакт сопрягаемых поверхностей элементов от кулачка к клапану. Максимально допустимое контактное напряжение, составляющее 600...750 МПа, зависит от характеристик выбранных материалов.
3.3.3. Система наддува
Назначение наддува. Мощность двигателя может быть увеличена дополнительной подачей топлива за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува.
Коэффициент наддува характеризует увеличение плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением. Одним из главных факторов при выборе параметров наддува является вид используемой системы наддува, определяющий возможную степень повышения давления. В двигателях с искровым зажиганием степень наддува ограничивается детонацией. В дизелях ограничивающим фактором является максимально допустимое давление рабочего цикла. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности. Рассмотрим основные системы наддува.
Динамический наддув. При этом простейшем способе наддува используются динамические свойства воздуха на впуске.
Инерционный наддув. Каждый цилиндр двигателя имеет специальный впускной канал определенной длины, который соединен с общей нагнетательной камерой.
Наддув с использованием специально сконструированных (настроенных) впускных каналов. При таком варианте наддува группы цилиндров двигателя соединяются короткими трубопроводами с резонансными ресиверами, причем длины патрубков подбираются в соответствии с интервалами времени между последовательными вспышками в цилиндрах. Ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегулированных патрубков и работают подобно резонаторам Гельмгольца.
Впускной трубопровод с изменяемой геометрией. Ряд зарубежных фирм (BMW,Opel, Германия;Citroen, Франция;Ford, США) используют системы с динамическим наддувом, а также комбинацию разных систем наддува. Система с динамическим наддувом позволяет повысить коэффициент наполнения при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя. В системе с изменяемой геометрией впускного трубопровода используются заслонки, с помощью которых обеспечивается соединение или разобщение впускных каналов, соединяющих разные цилиндры в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала.
Механический наддув. При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от двигателя (обычно с фиксированным передаточным отношением). Для управления работой нагнетателя часто используются электромагнитные муфты.
Преимущества механического наддува таковы: относительная простота конструкции нагнетателей; не используются нагретые до высокой температуры отработавшие газы, что в целом повышает надежность работы агрегатов наддува двигателя; практически мгновенное реагирование нагнетателя на изменение нагрузки, что очень важно для стабилизации подачи воздуха на переходных режимах работы двигателя.
Недостатком механического наддува является необходимость затраты дополнительной мощности на приведение в действие нагнетателя, что сопровождается определенным перерасходом топлива.
Турбонаддув с использованием отработавших газов. В современных двигателях с турбонаддувом используется турбина, приводимая в действие ОГ. Она обеспечивает преобразование тепловой энергии ОГ в механическую работу, которая в компрессоре расходуется на сжатие воздуха перед впуском его в цилиндры двигателя. Агрегат, называемый турбокомпрессором, является комбинацией турбины и центробежного компрессора.
Преимущества турбонаддува состоят в следующем: увеличение удельной мощности двигателя; повышение крутящего момента на частотах вращения коленчатого вала, близких к номинальной частоте; значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности; уменьшение выбросов токсичных продуктов с ОГ.
Недостатки турбонаддува: установка турбокомпрессора в одном тракте с горячими отработавшими газами требует применения термостойких материалов; необходимо дополнительное пространство для размещения турбокомпрессора и промежуточного охладителя воздуха; недостаточный крутящий момент при малых частотах вращения коленчатого вала; высокая чувствительность дроссельного управления рабочим зарядом к конструкции турбокомпрессора.
Наддув с использованием энергии волн сжатия. Нагнетатель имеет ротор, который сообщается одновременно с подаваемым воздухом и отработавшими газами.
Преимущества наддува с использованием энергии волн сжатия таковы: высокая чувствительность, так как обмен энергией между отработавшими газами и зарядом воздуха на впуске происходит при скоростях газовых потоков, близких к скорости звука; обеспечение относительно высоких значений коэффициента сжатия воздуха при малых частотах вращения коленчатого вала двигателя.
Недостатки наддува с использованием энергии волн сжатия: ограниченность пространства для размещения ротора из-за применения ременного привода и газоподводящих магистралей; необходимость увеличения подачи отработавших газов и продувочного воздуха; шумность при работе; высокая чувствительность к повышению сопротивления в зоне низкого давления. Более подробно с конструкцией различных систем наддува можно ознакомиться по источнику [1].
3.3.4. Система охлаждения и смазочная система
Система охлаждения. Чтобы избежать тепловых перегрузок, повышенного выгорания смазочного масла на направляющей поверхности поршня и цилиндровой втулки из-за перегрева отдельных деталей при сгорании топлива в ДВС, все его элементы, расположенные вокруг камеры сгорания (гильза цилиндра, головка блока, клапаны и в некоторых случаях сами поршни), должны интенсивно принудительно охлаждаться.
Непосредственное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух напрямую контактирует с нагретыми частями двигателя и обеспечивает отвод от них теплоты. Основа данного способа охлаждения — пропускание воздушного потока через оребренную охлаждаемую поверхность. Изначально этот способ применялся на мотоциклетных и авиационных двигателях. В настоящее время он также используется на некоторых дизелях и двигателях с искровым зажиганием. Преимущества такого охлаждения — надежность и почти полное отсутствие необходимости в техническом обслуживании. Недостаток данного метода связан с невысокой эффективностью рассеяния теплоты в охлаждающем воздухе.
Жидкостное охлаждение. Так как вода или другие охлаждающие жидкости обладают высокой теплоемкостью и обеспечивают эффективный отвод теплоты от нагретых поверхностей, большинство современных двигателей имеют жидкостные системы охлаждения. Система содержит замкнутый охлаждающий контур, позволяющий применять антикоррозионные и низкозамерзающие присадки (антифризы). Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через двигатель и радиатор.
При движении автомобиля поток охлаждающего воздуха проходит через радиатор свободно и (или) с помощью вентилятора. Температура охлаждающей жидкости регулируется термостатическим клапаном (термостатом), обеспечивающим при необходимости ее перепуск в обход радиатора.
Современные охлаждающие жидкости представляют собой смесь воды, антифриза (в основном этиленгликоля) и различных ингибиторов коррозии, выбираемых в зависимости от назначения двигателя. При концентрации антифриза в охлаждающей жидкости 30... 50 % возрастает температура, соответствующая точке кипения этой смеси, что позволяет использовать ее при температурах до 120 "С и давлениях до 140 кПа.
Смазочная система. В ДВС для смазки и охлаждения подвижных деталей применяется моторное масло. Кроме того, оно используется для удаления загрязняющих частиц и нейтрализации химически активных продуктов сгорания, а в ряде случаев — для передачи усилий и демпфирования колебаний в специальных системах двигателя и автомобиля. Масло выполняетэтр функции только при поступлении к соответствующим точкам в нужном количестве и при наличии специально оговоренны; фирмами-изготовителями физико-химических свойств.
Дозированную смазку осуществляет система, подающая масло порциями к точкам, где оно и расходуется. Особым вариантом данного способа смазки (используемого в основном в небольших двухтактных двигателях) является смешивание масла с топливом в соотношении от 1:20 до 1:100. На большинстве автомобильных двигателей применяется принудительная смазка Она может осуществляться в комбинации со смазкой разбрызгиванием и «масляным туманом». Основным элементом принудительной смазочной системы является масляный насос (обычно шестеренный), нагнетающий масло под давлением к подшипникам и высоконагруженным парам трения.
После отработки масла во всех подшипниках и парах трения оно стекает и собирается в масляном поддоне. Здесь происходит его охлаждение, гашение пены и осаждение загрязняющих примесей. Высоконагруженные двигатели снабжаются масляным радиатором. Для улавливания из моторного масла твердых частиц (продукты сгорания, металлические частицы износа и пыль) в смазочной системе применяются масляные фильтры. Размеры фильтра определяются степенью загрязнения масла и интервалами между обслуживаниями, регламентированными изготовителем двигателя. Обслуживание или замена фильтра и масла должны осуществляться одновременно.
Полнопоточные фильтры защищают всю систему смазки, и поэтому посторонние частицы улавливаются этими фильтрами во время их первого прохода через систему. Полнопоточные бумажные фильтры тонкой очистки обладают фильтрующей способностью, значительно более высокой, чем у сетчатых или щелевых фильтров. Полнопоточный фильтр имеет перепускной клапан и размещается в системе смазки за редукционным клапаном.
Через неполнопоточные фильтры в современных двигателях проходит лишь 5... 10 % масла с его возвратом после фильтрации в поддон. Большинство таких фильтров, имеющих волокнистые заполнители, следует использовать только совместно с полнопоточными фильтрами. Неполнопоточный фильтр способен задерживать чрезвычайно мелкие частицы (в основном нагар), которые не могут быть удалены из масла полнопоточным фильтром.
3.3.5. Система выпуска отработавших газов
Система выпуска обеспечивает снижение концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах, выделяемых двигателем. ОГ должны выходить в атмосферу с допустимой шумностью и при минимальных потерях мощности. 
Рис. 3.21. Системы выпуска отработавших газов легковых автомобилей без каталитического нейтрализатора (а) и с нейтрализаторами(б):
1 — передний глушитель;2 — центральный глушитель;3 — задний глушитель;4 — каталитические нейтрализаторы
Система выпуска отработавших газов легковых автомобилей (рис. 3.21) состоит из трех основных элементов (некоторые из этих элементов могут использоваться и в выпускных системах грузовиков).
Каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших газов двигателей с искровым зажиганием (в настоящее время нейтрализаторы используются и в дизелях). Его размещают как можно ближе к двигателю для быстрого нагревания до рабочей температуры. Так как нейтрализатор должен играть роль первичного глушителя, его снабжают устройствами, которые кроме очистки отработавших газов обеспечивают снижение шума выпуска. В зависимости от размеров автомобиля и двигателя предусматривают установку одного или большего числа глушителей. НаV-образных двигателях левые и правые ряды цилиндров часто имеют свои нейтрализаторы или глушители, которые затем объединяются трубопроводами в одну линию с установкой в ней еще одного общего нейтрализатора.
Выпускными патрубками обеспечивается объединение всех выпускных окон в головке цилиндров в один выпускной коллектор, или большее их число, а также соединение друг с другом каталитических нейтрализаторов и глушителей. Длина и площадь поперечного сечения патрубков и тип соединений влияют на мощность и акустические параметры двигателя. Поэтому система выпуска ДВС с большими рабочими объемами часто имеет две выпускные трубы.
Система выпуска крепится к днищу автомобиля с использованием упругих элементов. Так как вибрация от труб, вызываемая выпуском отработавших газов, может передаваться на кузов и повышать шумность в салоне, то места крепления системы выпуска должны тщательно выбираться. Шум выпуска у среза выпускной трубы может также привести к возникновению резонансных колебаний кузова. Общий объем глушителей на легковом автомобиле должен быть приблизительно в 3 — 8 раз больше рабочего объема двигателя. Масса системы выпуска составляет 8... 40 кг.
Каталитический нейтрализатор содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества. Для компенсации неодинакового теплового расширения стали, из которой изготавливают корпус нейтрализатора, и керамического материала и для защиты блочного носителя от ударных нагрузок и вибрации применяют два типа упругих монтажных элементов.
Монтажный элемент в виде проволочной сетки изготавливают из термо- и коррозионно-стойкой стали. Он должен противостоять довольно высоким температурам, а также пульсирующим воздействиям отработавших газов на режимах высоких нагрузок и скоростей.
Монтажный элемент в виде «подушки» изготавливают из керамического материала, состоящего из волокон силиката алюминия с вкрапленными частицами слюды, которые соединяют посредством акрилового латекса. Полученная таким образом «подушка» при высокой температуре растягивается и запрессовывается на заданное место с образованием монолита. Так как подушка сама по себе является хорошим изолятором, то исключается необходимость в дополнительной теплоизоляции.
Повышенная температура отработавших газов может привести к разрушению монолитных блоков при воздействии на них чрезмерных давлений газов. Если же температура отработавших газов недостаточно высока, то малое давление газов, воздействующее на монолитные блоки, может вызвать их перемещение и повреждение. Пульсирующий характер движения отработавших газов может стать причиной эрозии «подушки».
Часто для ограничения линейного расширения и обеспечения лучшего перемешивания отработавших газов используются несколько последовательно устанавливаемых монолитных блоков. Равномерность прохождения газов через монолитный блок достигается созданием в нейтрализаторе впускного канала определенной формы. Геометрическая форма керамического блока, определяемая монтажным пространством под кузовом автомобиля, может быть треугольной, овальной или круглой.
Альтернативой керамическому монолитному блоку является каталитический нейтрализатор на металлическом носителе сотовой конструкции. Он изготавливается из гофрированной жаростойкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляются при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается пористым слоем вторичного носителя с активным катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги при тех же габаритах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это уменьшает сопротивление прохождению отработавших газов.
Каталитические нейтрализаторы создают дополнительный шум. Причина этого — наличие узких каналов, по которым распространяется газ, из-за чего образуется множество небольших источников звука. Звуковые волны частично гасятся за счет интерференции и поглощения. При проектировании выпускной системы необходимо подбирать каталитический нейтрализатор таким образом, чтобы избежать высоких уровней сопротивления движению ОГ, в значительной мере влияющих на вибрационные характеристики всей системы выпуска ОГ и мощностные показатели двигателя.
Глушители предназначены для сглаживания пульсаций давления в потоке отработавших газов и максимально возможного снижения шума при их выпуске. В глушителях применяются в основном два физических эффекта — резонанс и звукопоглощение. В большинстве глушителей используется сочетание этих эффектов. Так как глушитель вместе с выпускным трубопроводом образует звуковой генератор с собственной резонансной частотой, его расположение влияет на уровень шумопоглоще-ния. Желательно располагать выпускную систему под днищем кузова как можно дальше от него, чтобы ее собственные колебания не вызывали резонансных явлений в кузове автомобиля. Для максимального снижения звуковых колебаний в кузове и теплоизоляции днища кузова от выпускной системы глушители часто изготавливают с двойными стенками и теплоизолирующим покрытием.
Резонаторные глушители состоят из камер различной длины, соединенных между собой трубами. Различия в площадях поперечных сечений труб и камер, отклонения потока отработавших газов и наличие резонаторов, образованных соединительными трубами и камерами, обеспечивают эффективное глушение шума, особенно на низких частотах. Чем больше камер, тем эффективнее процесс глушения. Однако такой глушитель имеет большую массу и характеризуется относительно большими потерями мощности.
Шумопоглощающие глушители имеют одну камеру, заполненную звукопоглощающим материалом, через которую проходит перфорированная труба. Звуковые колебания через отверстия в этой трубе взаимодействуют со звукопоглощающим материалом и преобразуются в теплоту. Звукоизолирующий материал обычно состоит из длинноволокнистой минеральной ваты (на основе базальта или силикатов), плотность которой составляет 120... 150 г/дм3. Степень глушения шума зависит от плотности и звукопоглощающих свойств материала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.
Для обеспечения требуемых акустических параметров глушителей, т.е. снижения отдельных спектральных составляющих нежелательных частот в суммарном шуме выпуска, применяют различные устройства.
Резонатор Гельмголъца (сквозного типа) осуществляет снижение шума в области собственных частот колебаний.
Перфорированные трубки с отверстиями действуют подобно разбрызгивателям воды. Один большой источник шума, а именно трубка, преобразуется в множество небольших звукоиз-лучающих точек, образованных отверстиями в ней (аналогично отверстиям в распылителе). При этом вследствие интерференции звуковых волн и завихрения потока отработавших газов достигается эффект широкополосного фильтра.
Сопла Вентури уменьшают низкочастотный шум. Они сконструированы таким образом, что скорость газового потока в горловине сопла всегда меньше скорости звука. Расширяющийся патрубок должен устанавливаться под таким углом, при котором отсутствует свистящий звук.
Для удаления из отработавших газов дизелей твердых частиц в выпускной системе размещают сажевые фильтры: фильтры с металлической «шерстью», керамическими фильтрующими элементами, спиральные фильтры с керамическим заполнителем и др.
Фильтры с керамическими элементами находят наиболее широкое применение. В отличие от каталитического нейтрализатора со свободным проходом отработавших газов в сажевом фильтре каналы выполнены с чередованием открытых и закрытых концов, а отработавшие газы с частицами сажи пропускаются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия. Сажевые частицы при этом осаждаются в порах стенок. В зависимости от пористости керамического материала эти фильтры могут задерживать 70...90% твердых частиц.
Для нормальной работы при длительных условиях эксплуатации такие фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени с дожиганием сажевых частиц. При использовании процесса химической очистки специальные присадки к топливу уменьшают температуру воспламенения сажевых частиц до температуры отработавшего газа. Недостатком этого процесса является дополнительный выброс вредных веществ в атмосферу из-за наличия этих специальных присадок.
При осуществлении процесса термической очистки к фильтру подключается нагревательный элемент, с помощью которого температура отработавших газов повышается приблизительно до 700 °С. Процесс регенерации фильтра чаще всего выполняется при неработающем двигателе. Выбор длительности регенерации фильтра зависит от продолжительности его работы или противодавления выпуску. Для регенерации фильтра во время работы двигателя используют два. одинаковых фильтра, которые попеременно подвергают очистке. Однако такой способ считается весьма неэкономичным.
Еще один способ очистки связан с подачей части потока отработавших газов во время регенерации через глушитель; при этом оказываются неочищенными только 5 % отработавших газов. Проводится разработка нагревательных элементов, позволяющих одновременно фильтровать газы и регенерировать фильтр (полнопоточная регенерация).
Глава 4
ЭНЕРГЕТИКА АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
4.1. Продвижение и реализация потока энергии в автотранспортных средствах
Кроме перемещения объектов перевозки АТС выполняет функции сохранения и преобразования грузов, а также жизнеобеспечения.
Структура АТС представлена на рис. 4.1, где имена классов объектов приведены в традиционном описательном варианте, а для отображения системы отношений наследования и агрегации использованы обозначения UML. Автомобиль, автопоезд (АП), прицеп (полуприцеп) являются видами АТС. В то же время АП включает в себя автомобиль и прицеп. Автомобиль состоит из элементов (условно неделимых частей на данном уровне анализа системы): двигателя, трансмиссии, ходовой части, механизмов управления, кузова, электрического и специального оборудования. При рассмотрении АТС выделяют и его компоненты (совокупности элементов, объединенных какой-либо комплексной функцией): силовой привод, силовую установку, силовой агрегат и шасси.Энергосиловым будем называть элемент, преобразующий, передающий или поглощающий энергию.
Совокупность процессов возникновения, преобразования, продвижения, реализации потоков энергии в АТС с дизелем и управления ими представлена на рис. 4.2.
Для обеспечения определенной скорости движенияи ускоренияАТС водитель регулирует подачу топлива, изменяя положение педали акселератора, оказывающей управляющее воздействиеLa через привод (ПР) на угол поворотарычага регулятора ТНВД (РТН). В соответствии с частотой вращения кулачкового вала, пропорциональной частоте вращенияпе коленчатого вала (KB), РТН обеспечивает определенное положение (ход)рейки ТНВД. Топливопоступает на вход ТНВД. Последний осуществляет цикловую подачу(в каждый цилиндр) дозированного количества топлива, зависящего отиа его избыток отводится в бак. Работа ТНВД сопровождается шумом


Рис. 4.2. Схема возникновения, преобразования, продвижения, реализации потоков энергии и управления ими в АТС с дизелем:
—углеводороды топлива;— кислород воздуха;— отработавшие газы; ТН — топливный насос высокого давления; РТН — регулятор ТН; ПР — привод рычага— двигатель без РТН и ТН; С — сцепление; КП — коробка передач;— трансмиссия без сцепления и— ходовая часть без колес (несущая часть);— управляющие воздействия педали акселератора, воздушной заслонки, педали сцепления, рычага КП, рулевого колеса и тормозной педали;— угол поворота рычага РТН;ход рейки— цикловая подача топлива;крутящий момент, подводимый к трансмиссии;— момент на ведомом валу сцепления;— момент на Ведомом валу— момент на ободьях ведущих колес;— продольная сила воздействия движителя автомобиля на его несущую часть;— продольная сила воздействия несущей части прицепа на его колеса;— сила на крюке;— сила сопротивления воздуха для автомобиля (прицепа);
—мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха движению автомобиля (прицепа);— мощность, необходимая для ускорения вращающихся масс автомобиля (прицепа);— затраты мощности на качение по опорной поверхности колес автомобиля (прицепа);
—частоты вращения KB, ведомого вала сцепления, ведомого вала КП и ведущего колеса;— скорость и ускорение АТС; ПС — привод сцепления; РП — рулевой привод; ТП — тормозной привод;
—тепловые потери двигателя, сцепления, КП, трансмиссии без сцепления и КП, шин колес автомобиля (прицепа), несущей части автомобиля (прицепа) и кузова автомобиля (прицепа);
—шум, создаваемый ТН, двигателем, сцеплением, КП, трансмиссией без сцепления и КП, шинами колес автомобиля (прицепа), несущей частью автомобиля (прицепа) и кузовом автомобиля (прицепа);— суммарная звуковая энергия, переходящая в теплоту воздуха, для автомобиля (прицепа);потоки веществ;потоки механической энергии; -^— тепловые потоки;потоки звуковой энергии;управляющие воздействия и сигналы обратной связи

В камере сгорания двигателявысвобождается энергия, доля которой по отношению к количеству теплоты, внесенной с топливом в цилиндр, оценивается индикаторнымПрименительно к полноразмерному двигателю (см. гл. 3)

Данный процесс характеризуется индикаторной мощностью кВт, и индикаторным удельным расходом топлива,

Энергия возвратно-поступательного движения поршней с помощью ЦПГ и КШМ преобразуется в энергию вращательного движения KBс маховиком. При этом теряется мощность и соответствующий КПД

В распоряжении потребителей энергии оказывается эффективная мощностьа эффективный КПД

эффективный удельный расход топлива,

Эффективные показатели определяются в стационарных стендовых условиях. Для процесса эксплуатации характерно дополнительное снижение мощности, связанное с ее затратами на привод вспомогательных агрегатови потерями вследствие отклонения состояния двигателяи атмосферных условийот стендовых, а также влиянияТаким образом, мощность, подводимая к трансмиссии,
(4.1)
Двигатель выбрасывает ОГ, выделяет тепловую энергиюи создает шум
Крутящий моментKBпередается на ведущие диски сцепления и воспринимается ведомыми дисками. Мощность, рассеиваемая дисками сцепления,

где— мощность на выходе сцепления,
Мощностьпоступает на вход КП. Функция КП — согласование нагрузки, обусловленной сопротивлением движению АТС, с характеристиками двигателя. Водитель осуществляет ступенчатое управлениес помощью рычага КП. Работа КП сопровождается потерей мощностив связи с трением и генерацией высокочастотных колебаний в зубчатых парах и подшипниках, трением в уплотнениях и перемешиванием масла:

где— мощность на выходе
Далее поток энергии проходит карданную и главную передачи, а также ряд других звеньев оставшейся части трансмиссии Т*. Их работа сопряжена с трением в зубчатых парах, шарнирах, подшипниках и уплотнениях, перемешиванием масла, генерацией высокочастотных колебаний в зубчатых парах, шарнирах и подшипниках, развитием и поглощением этих колебаний в валопроводах. Все эти процессы сопровождаются потерями мощностис выделением тепловой энергиииэнергии
звуковых волн

где— остаток мощности, подводимый к ободьям ведущих колес,
Рабочий процесс отдельного колеса сложен: на него влияют характеристики шин, свойства дорожного полотна, нагрузки, крутящий момент, скорость движения, крутизна траектории поворота, сцепление с дорогой и другие факторы. Процесс, просуммированный по всем колесам, сопровождается диссипациейэнергии, связанной с деформацией и нагревом дорогии шин, а в конечном итоге — нагревом воздухаа также генерацией шумаОн вызывает потери мощности

где— остаток мощности, подводимый к балкам мостов,— толкающее усилие со стороны ступиц.
Движитель соединен с несущей частью. Эта объединенная конструкция вызывает паразитную циркуляцию мощности в системе трансмиссия — ходовая часть. Энергетически весомым является колебательный процесс подвески.
Подвеска должна обеспечивать плавность хода рамы с кузовом, грузом и людьми в процессе движения автомобиля по неровной дороге, что возможно только при наличии колебаний неподрессоренной массы относительно подрессоренной. Эти колебания нужно непрестанно гасить. На демпфирование затрачивается энергияа работа элементовсопровождается шумом
Соответствующие потери мощности

где— остаток мощности, подводимый к раме автомобиля для формирования толкающего усилия
При исследовании движения АТС его распределенную систему масс заменяют материальной точкой, приписывая ей массу, скорость и ускорение. В эту точку (центр масс) перенесем толкающее усилие(опрокидывающим моментом пренебрежем), припишем ей скоростьи ускорениеСилу сопротивления воздухаприложенную в центре парусности, и силу на крюке(при наличии прицепа) также перенесем в центр масс автомобиля. Мощностьнеобходима для преодоления автомобилем сопротивления воздушной среды (раздвигание и турбулизация слоев воздуха).
У
1Диссипация (от лат.dissipatio — рассеяние) — переход части энергии упорядоченного процесса (например, трения) в энергию неупорядоченного процесса (например, в теплоту).
151
равнение баланса продольных сил в центре масс автомобиля запишем в виде

где— сила, обусловливающая ускорение автомобиля. Дл* обобщенной скоростивыполняется баланс мощностей:

где— мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля,
—мощности, необходимые для обеспечения ускорения поступательного движения автомобиля массой т. и раскручивания вращающихся деталей соответственно;мощность, поступающая на прицеп,
Баланс мощностей прицепа представим в следующем виде:

где— мощность, расходуемая на преодоление сопротивления воздуха движению прицепа;— потери мощности, связанные с процессами, происходящими в подвеске прицепа
—мощность, затрачиваемая на качение колес прицепа,— мощность, необходимая для разгона прицепа,— мощности, обеспечивающие ускорение поступательного движения прицепа массойи раскручивание его колес.
Шум агрегатов звеньевоказывает вредное физиологическое воздействие и, гасимый средой, наращиваетet тепловую энергию.
При торможении АП с отсоединенным двигателем источником энергии торможения являются тормозные пары, режим работы которых регулирует водитель с помощью управляющегс воздействияТормозные моменты на колесах преобразуютс* в продольные силы, направленные на балки мостов. Затем усилия передаются через подвески автомобиля и прицепа наш рамы. Схема продвижения потоков мощности аналогична рассмотренной схеме передачи усилий.
Таким образом, наблюдается картина движения потоков, почти обратная той, которая характерна для схемы их движения iтяговом режиме. При работе ДВС в режиме тормоза-замедлителя поток мощности продвигается по пути, соответствующему основной схеме.
На повороте водитель контролирует движение АП с помощьк управляющего воздействия рулевого колесарулевой привод (РП) передает усилие на управляемые колеса. Дополнительны* затраты энергии АТС в этом случае обусловлены работой сш трения, связанных с уводом колес.
Что касается обратных связей, то водитель управляет АТС сообразуясь с информацией о режимах агрегатов АТС, состоянии дороги и воздушной среды. Кроме того, водитель направляет энергоресурсы на обеспечение безопасности движения и сохранности грузов, а также на жизнеобеспечение: контролирует освещение, сигнализацию, отопление, вентиляцию и холодильное оборудование.
4.2. Качественная картина диссипации энергии движущимся автотранспортным средством
При преобразовании и передаче энергии в АТС теряется ее значительная доля. Для уменьшения потерь нужно иметь представление о рабочих режимах всех энергосиловых элементов (ЭСЭ), а также закономерностях происходящих в них процессов и использовать эти знания для оптимального управления.
Начнем с того, что рабочий процесс ТС носит, как правило, неустановившийся характер. Непрестанная смена скоростных и нагрузочных режимов снижает эффективность использования энергии. Кроме того, отношение максимального значениядвигателя к минимальному гораздо ниже отношения наибольшей скорости движения ТС к наименьшей. Для изменения скоростного режима в более широких пределах, чем это можно осуществить изменением только режима работы двигателя, служит КП.
Каждый процесс преобразования передаваемой энергии сопровождается ее диссипацией, причем КПД зависит от текущего режима работы ЭСЭ. Для муфты сцепления при неполной блокировке характерны потери на трение дисков; главной передачи и КП — на трение зубчатых пар и перемешивание масла; карданной передачи — на трение в шарнирах (во всех этих элементах, а также в ступицах колес имеет место трение в подшипниках); для подвески — трение трущихся поверхностей шарниров, листов рессор и жидкостное трение в амортизаторах.

Взаимодействие эластичного колеса с поверхностью дороги сопровождается различными видами потерь энергии. Это потери на внутреннее трение, связанное с деформацией материала шины и покрытия дороги. Значительная доля энергии рассеивается в результате внешнего трения скольжения, возникающего в месте соприкосновения ведущего колеса с дорогой.
Картина преобразования энергии в цепи двигатель — трансмиссия-движитель—подвеска—корпус дополняется колебательными процесами, вызываемыми дорожными неровностями. Эти процессы развиваются в колебательной системе АТС, включающей в себя упругоэластичные колеса, валопроводы трансмиссии, элементы подвески и кузов.
Колебательному процессу присуще явление гистерезиса1— неполного возврата энергии в течение обратного полупериода колебательного цикла (рис. 4.3). Диссипация энергии определяется площадью фигуры.
Гистерезис, характерный для элементов ТС, связан с поглощением значительной части энергии, поставляемой двигателем. В ходе исследований установлено следующее:
движение ТС, являющееся в основном неустановившимся, с непрерывной сменой режимов, носит колебательный характер;
большинство функциональных характеристик ЭСЭ и законов взаимодействия ТС с внешней средой носит нелинейный характер;
при любом процессе преобразования и передачи энергии от двигателя к корпусу ТС происходит ее диссипация;
любые колебания — движущихся масс, скоростного и нагрузочного режимов движения ТС, макро- и микропрофиля дороги, режима движения транспортного потока, грузопотока, пассажиропотока — сопровождаются гистерезисом с безвозвратными потерями энергии.
Количественная оценка влияния колебаний параметров ЭСЭ на потери энергии требует привлечения аппарата теории колебаний.
4.3. Энергетика колебательных процессов
4.3.1. Основные понятия колебательных процессов
Колебания. Виды колебательных систем. Связь между вектором состояния системыи вектором воздействий на нееописывается с привлечением оператора
(4.2)
Попеременное возрастание и убывание величины во времени представляет собой колебательный процесс иликолебания. Система, способная совершать колебания, называетсяколебательной.
' Гистерезис (от гр. hysteresis — отставание) — явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, деформацияU), неоднозначно зависит от физической величины (например, механического напряжения а), характеризующей внешние условия. Упругий гистерезис возникает всегда при пластической деформации.
Колебания в механических системах называются механическими.
Число независимых параметров, определяющих положение всех материальных точек системы, носит название числа степеней свободы. Системы с бесконечным числом степеней свободы называютсяраспределенными. Замена распределенной массы конечным числом сосредоточенных масс приводит к системе с конечным числом степеней свободы.
Система называется линейной, если для любых законов изменения ее состоянияи любых множителейоператорявляется линейным:

Если статистические моменты параметров системы первого и второго порядков не изменяются на некотором отрезке времени, то ее называют стационарной на этом отрезке (рис. 4.4), при их изменении —нестационарной.
Система называется автономной, если в выражении (4.2)(колебания за счет внутренних источников), инеавтономной, если
Система является консервативной, если при колебаниях ее полная механическая энергия остается постоянной, инеконсервативной — в противном случае. Среди неконсервативных систем важное место занимаютдиссипативные, для которых полная механическая энергия при любом движении системы убывает. Неконсервативная система носит названиеавтоколебательной, если она стационарна и автономна и в ней возможносамовозбуждение колебаний.
Колебания, совершаемые при отсутствии внешнего воздействия и без поступления энергии извне, называются свободными. Они происходят лишь в автономных системах. Колебания, вызываемые внешним воздействием, являютсявынужденными. Они характерны для неавтономных систем. Колебания, обусловленные изменениями во времени параметров системы, называютсяпараметрическими.

Рис. 4.4. Процессы в стационарной (а) и нестационарной(б) системах:— момент первого порядка;— среднеквадратичное отклонение

Гармонические колебания. Колебания называютсяпериодическими, если существует такая величинаТ (период колебаний), что для любого момента времениt выполняется равенствоиОтношениеназываетсячастотой колебаний, а величина—угловой частотой.
Простейшие периодические колебания — гармонические:

где А — амплитуда;— начальная фаза;— виброперемещение.
Для гармонических колебаний скорость (виброскорость)

а ускорение (виброускорение)

Сумма нескольких гармонических колебаний называется полигармоническим колебанием. Оно представимо рядом Фурье
(4.3)
Слагаемоехарактеризует среднее значение колеблющейся величины, коэффициенты— компоненту с основной частотой со (первая гармоника), приследуют высшие гармоники. Упорядоченная совокупность частот называетсячастотным спектром, а совокупность амплитуд, упорядоченных по частотам, —амплитудным спектром (рис. 4.5).
Среднее значение величины

а среднеквадратичное —

Квадрат среднеквадратичного значенияпропорционален
энергии процесса или его средней мощности. Для процесса, описываемого уравнением (4.3) с а0 =0, справедлива формула

Вибрации и их оценка. Колебания с частотой более 17 Гц называютвибрацией. Так как параметры вибрации могут отличаться на несколько порядков, используют логарифмическую шкалу, принимая за уровень вибрации десятичный логарифм отношения измеряемой величины к ее стандартному значению. Логарифмическая единица измерения называетсябелом (Б), ее десятая часть —децибелом (дБ). Возрастание уровня на 1 Б означает увеличение параметра в 10 раз, на 1 дБ — приблизительно в 1,26 раза.
Энергетические величины оценивают логарифмическим уровнем

где— значение нулевого уровня. Если измеряются виброперемещение, виброскорость или виброускорение, то логарифмический уровень

где— нулевой уровень. Стандартное значение виброускорения= 9,81акустического давления —
Часто ось частот разбивают на октавные полосы, например, 22...44 Гц (первая полоса), 44... 88 Гц (вторая) и т.д. и вычисляют уровни вибраций по полосам.
4.3.2. Свободные колебания диссипативной системы с одной степенью свободы
Рассмотрим линейную диссипативную систему, движение которой описывается дифференциальным уравнением относительно обобщенной координаты
(4.4)
где—коэффициент диссипации, принимающий любые
значения;
Уравнение (4.4) может быть представлено в другом виде:
(4.5)
где—коэффициент демпфирования,— собственная
частота соответствующей консервативной системы:

Собственная частота демпфированной системы

Общее решение уравнения (4.5) имеет вид

где F иG — действительные постоянные величины.
Приколебания системы носят периодический характер,
призатухают во времени, принарастают.Если
то затухание сопровождается колебаниями. При за-
тухание будет монотонным. Значениеназываюткрити-
ческим.
Кромеиспользуютбезразмерные характеристики демпфирования

Прикоэффициент поглощенияпредставляет от-
ношение энергии, рассеянной за цикл колебаний, к полной энергии процесса.
Логарифмический декремент колебанийравен натуральному логарифму отношения двух последовательных максимальных значений обобщенной координаты:

Параметрназываютотносительным демпфированием. Критическому демпфированию соответствуют значения
Параметрназываюткоэффициентом затухания.
4.3.3. Диссипативные характеристики механических систем
Диссипативные силы. При колебаниях происходит необратимое рассеяние энергии, вызываемоедиссипативными силаминеупругого сопротивления. Их представляют в виде функций скорости движения масс или скорости деформации элементов системы (основные формы зависимостиприведены на рис. 4.6).

Рис. 4.6. Характеристики диссипативных сил при вязком трении (а), больших виброскоростях(б) и сухом трении(в): — параметры уравнений (4.6) — (4.8)
Вязкое трение, свойственное диссипативным силам, возникающим при малых колебаниях в вязкой среде (рис. 4.6,а), описывается уравнением
(4.6)

где— постоянная величина.
При больших виброскоростях имеет место квадратичная зависимость диссипативной силы от скорости (рис. 4.6, б):
(4.7)
где— постоянная величина.
Часто в конструкциях демпферов используют элементы сухого трения (рис. 4.6,в) с характеристикой

(4.8)
где— сила сухого трения
Приведенные зависимости представимы единым уравнением
(4.9)
где— постоянные величины (при значенияхравных 1, 2
и 0, имеем уравнения (4.6) —(4.8)).
Гистерезис. При циклическом деформировании упругодис-сипативного элемента (рис. 4.7) обнаруживаетсягистерезис — несовпадение линий нагрузки и разгрузки на диаграмме сила — перемещение (рис. 4.8).



Допустим, что характеристика элемента с линейной упругой составляющейимеет вид

Площадь петли гистерезиса характеризует энергиюрассеянную в течение цикла деформирования и равно работе диссипативных сил:

Рис. 4.8. Петли гистерезиса при циклическом деформировании упруго-диссипативного элемента в условиях вязкого трения (а), больших виброскоростей (б) и сухого трения (в):
—диссипативная сила
(4.10)
Петля гистерезиса такого элемента с линейно изменяющейся диссипативной силой в соответствии с уравнением (4.6) при деформировании по законуимеет вид эллипса (рис. 4.8,а).Уголнаклона его большой оси характеризует жесткость элементаЭнергия, рассеянная за цикл, согласно уравнению (4.10)
(4.11)
Рассеянная энергия элемента, отвечающего зависимости (4.7), для которого петля гистерезиса приведена на рис. 4.8, б,

При наличии зависимости (4.8) рассеянная энергия элемента (рис. 4.8, в)
(4.13)
Рассеянная энергия элемента, характеризуемого зависимостью (4.9),
(4,14)
где
На значениявлияет величина

Потери энергии на сухом трении больше внутренних потерь на порядок величины.
Коэффициент поглощенияВеличина(см. подразд. 4.3.2) равна отношению энергии, потерянной за цикл, к наибольшему значению потенциальной энергии П упругого элемента. При наличии у элемента линейной упругой характеристикии коэффициент поглощения

Согласно уравнениям (4.11) —(4.14) коэффициент у является функцией:
частоты — при вязком трении (уравнение (4.6)):
(4.15)
амплитуды — при сухом трении (уравнение (4.8)):
(4.16)
амплитуды и частоты — в общем случае (уравнение (4.9)):
(4.17)
4.3.4. Колебания и вязкоупругое поведение материалов
Вынужденные колебания. В системах с одной степенью свободы вынужденные колебания описывают уравнением

или нормированным относительно инерционного параметра а уравнением

с начальными условиями(ср. с уравнения-
ми (4.4) и (4.5)).
Для системы с п степенями свободы уравнения вынужденных колебаний представляют в матричной форме:
(4.18)
где— вектор-столбец обобщенных координат;А — матрица инерционных коэффициентов;В — матрица коэффициентов
демпфирования; С — матрица псевдоупругих коэффициентов;— вектор-столбец внешних сил.Классификация моделей диссипации. Модели диссипации энергии в упругих системах, подразделяемые на три группы в соответствии с видом трения, учитывают:
рассеяние энергии в окружающей среде (внешнее трение);
потери, вызванные процессами в материалах (внутреннее трение);
потери на трение в соединениях (конструкционное трение) [ 13].
Одним из оценочных параметров является коэффициент поглощения у, определяемый в зависимости от вида трения, например, по формулам (4.15) —(4.17).
Внешнее трение. Модели внешнего трения носят линейный характер. Диссипативные силы, обусловленные вязким трением, пропорциональны скорости движения. Матрицы коэффициентов демпфирования(В) и инерционных коэффициентов(А) связаны соотношениемпоэтому уравнение колебаний
(4.18) записывается в виде

Внутреннее трение. Этот вид трения связан с колебательными процессами в материале. Существуют два класса моделей:
вязкоупругого поведения материалов;
гистерезисных явлений при циклическом деформировании.
Демпфирующие свойства циклически деформируемых конструкционных материалов зависят от многих факторов: вида материала, химического состава, способа обработки, формы и размеров сечения, наличия покрытий и пр. В качестве примеров на рис. 4.9 приведены характеристики образцов стали разной твердости.
Конструкционное трение. Диссипация энергии внутри конструкции происходит вследствие трения в кинематических парах и номинально неподвижных соединениях.

В зубчатых парах возбуждаются колебания зубьев. Типичные значения коэффициента поглощенияв элементах редукторов таковы:
Зубчатые зацепления 0,12...0,30
Опоры 0,20...0,60
Зубчатые муфты 0,60...0,80
Коэффициент поглощения в подшипниках качения при из-гибных колебаниях валов изменяется в пределах 0,15...0,60.
При нагружении неподвижных соединений происходит малое проскальзывание деталей по контактным поверхностям, и силы трения совершают работу. Для оценки демпфирования используют коэффициент поглощенияи работусовершаемую диссипативными силами.
В плоских стыках при изгибных колебаниях коэффициент поглощения имеет следующие особенности:
в сухих стыках в диапазоне давленийон не зависит от давления и равен в стальных и чугунных стыках 0,15, а в парах текстолит —чугун — 0,35;
в полусухих стыках коэффициент поглощения больше, чем в сухих; он возрастает с увеличением вязкости смазки и уменьшается при повышении давления.
Коэффициент поглощения в резьбовых соединениях при изгибных колебаниях мало зависит от усилия их затягивания. Для стыка длиной 70 мм с резьбой М20 из стали 45 с термически обработанной поверхностью при частоте колебаний 50... 125 Гц коэффициентсоставляет 0,006...0,4.
В шпоночных ишлицевых соединениях коэффициент поглощения не зависит от амплитуды крутильных колебаний и составляет в шпоночных соединениях 0,004...0,008, а в шлицевых - 0,010... 0,012.
Энергопотери в тросах иканатах при их продольных колебаниях обусловлены трением между нитями и прядями, которое существенно превосходит внутреннее трение в материале. На рис. 4.10 приведены зависимости коэффициента поглощения от амплитуды механического напряжения для троса и его составляющих при продольных колебаниях.

Что касается строительных конструкций, то наибольшие значения коэффициента поглощения соответствуют клепаным и болтовым соединениям, а наименьшие — сварным. Для стальных мостов= 0,02... 0,03; для железобетонных балок и рам — 0,35...0,48.
4.4. Производство механической энергии двигателями транспортных средств в эксплуатационных условиях
4.4.1. Стендовые однопараметрические характеристики двигателей внутреннего сгорания
Процесс производства энергии двигателем в составе ТС весьма сложен: на множество закономерностей накладывается случайный характер различных факторов. Изучение этого процесса начнем с основных, однопараметрических статических характеристик ДВС.
Характеристиками двигателя называют зависимости показателей его работы от параметров, принятых за основу. В случае определения зависимостей от одного основного параметра получаютоднопараметрические характеристики. Таковыми являются типовые характеристики, описывающие множество статических режимов двигателя (скоростные, нагрузочные, ре-гуляторные, регулировочные и др.), и динамические характеристики.

Скоростные характеристики представляют собой зависимости показателей двигателя от частоты вращенияОсновными среди них являются внешняя и частичные характеристики, характеристики холостого хода (XX), принудительногоXX(ПХХ) и др.
Внешней скоростной (ВСХ) называют характеристику, получаемую при крайнем (соответствующем максимальной подаче топлива) положении рейки ТНВД или дроссельной заслонки (рис. 4.11).
Частичной скоростной называют характеристику, получаемую при неизменном промежуточном положении органа управления подачей топлива. На рис. 4.12 приведено семейство частичных скоростных характеристик — зависимостейотдвигателя КамАЗ-740 при изменении хода рейки ТНВД.
Характеристика XX представляет собой зависимости показателей (расход топлива, выброс токсичных компонентов и др.) отпри отсутствии нагрузки

Рис. 4.12. Семейство частичных скоростных характеристик — зависимостейдвигателя КамАЗ-740 при разном ходемм, рейки ТНВД совместно с компрессорными характеристиками при степени перекрытия выпускной трубы, равной 0 (1), 50(2) и 100 %(3):
ВСХ — внешняя скоростная характеристика; ПРХ — предельная регулятор-ная характеристика;— тяговый режим;принудительныйхоло-
стой ход;компрессорный режим
Характеристика ПХХ — зависимость показателей при малых подачах топлива, не обеспечивающих поддержание дажеОбласть ПХХ расположена ниже уровня
(см. верхнюю заштрихованную область на рис. 4.12). В этом случае ДВС оказывает уже тормозящее воздействие на движущееся АТС. Характеристика присоответствует нулевой подаче топлива и при отсутствии перекрытия выпускной трубы является предельной характеристикой ПХХ. Ее также называют предельной тормозной характеристикой (ПТХ) двигателя.
Компрессорная характеристика отвечает такому режиму работы ДВС, при котором отсутствует подача топлива и дополнительно создается противодавление в выпускном тракте (см. нижнюю заштрихованную область на рис. 4.12, где нанесены характеристики для трех значений степени перекрытия выпускной трубы, равных 0, 50 и 100 %).
Характеристика моторного тормоза (МТ) реализуется с помощью устройства, прекращающего подачу топлива с одновременным закрытием заслонки выпускной трубы (см. кривую3 на рис. 4.12).

Рис. 4.13. Нагрузочная характеристика двигателя КамАЗ-740 (числа около кривых — значения
—часовой расход топлива (в режиме принудительного холостого хода);— удельный эффективный расход топлива;— эффективная мощность двигателя

Рис. 4.14. Регуляторные характеристики двигателя КамАЗ-740:
—крутящий момент на коленчатом валу двигателя;— частота вращения коленчатого вала;— угол поворота рычага регулятора ТНВД;с серий-
ным всережимным регулятором;с одним из опытных двухрежимных регуляторов
Нагрузочные характеристики выявляют зависимости показателей двигателя от нагрузки при постоянных значенияхБудучи измерены для ряда значенийони позволяют судить о закономерностях изменения расхода топлива по мере увеличения нагрузки в пределах всего рабочего поля. Пример нагрузочных характеристик представлен на рис. 4.13. Характеристики в областипроведенные штриховыми линиями, касательными к сплошным, отражают внутренние потери двигателя.
Регуляторные характеристики — это зависимости показателей двигателя от частоты вращения коленчатого или кулачкового вала при разной настройке регулятора ТНВД. На рис. 4.14 приведены характеристики двигателя КамАЗ-740.
Регулировочные характеристики используют при выборе регулировок систем питания и зажигания. Данные характеристики отражают состав рабочей смеси, момент ее воспламенения и другие особенности.
Динамические характеристики применяют для оценки динамических свойств двигателя. Технология их получения недостаточно отработана.
4.4.2. Рабочее поле и многопараметровые характеристики двигателей внутреннего сгорания
Поле рабочих режимов двигателя. Это плоская фигура, построенная в координатах— обобщенная фор-
ма записи соответственно скоростногои
нагрузочногопараметров, где— остаточное дав-
ление (разрежение) во впускном коллекторе карбюраторного двигателя. На рис. 4.15 изображено рабочее поле дизеля.
Многопараметровые (универсальные) характеристики (МПХ). Для всестороннего анализа используют МПХ, построенные в поле рабочих режимов ДВС (рис. 4.16). МПХ включает в себя семейства кривых равного уровня, соответствующих нескольким функциямв одной системе координат
МПХ обобщает серию нагрузочных характеристик, измеренных на нескольких скоростных режимах. Линии равного удельного расхода топливадают представление об экономичности двигателя по рабочему полю. На МПХ наносят линии равной мощностиЗону неустойчивых режимов при= 600... 1000исключают из дальнейшего рассмотрения.
МПХ могут быть изображены в виде поверхностей в трехмерном пространстве (рис. 4.17). Характеристикапредставляет собой вогнутую поверхность с «ядром экономичной работы» в области минимальных значенийвыпуклую поверхность с максимальными значениямив этом «ядре».
Другой пример (рис. 4.18) отражает исследование дымности двигателя КамАЗ-740. Совокупность аксонометрии (рис. 4.18, а) и вида сверху (рис. 4.18,б) делает наглядным представление о возможностях обеспечения дымностипо
рабочему полю двигателя.
Приведенные примеры показывают, что оптимальные решения для разных показателей двигателя могут отличаться: для зоны «ядра экономичной работы» характерна значительная дымность, а для области малой дымности — низкая эффективность дизеля (ср. рис. 4.17 и 4.18).
Использование МПХ для отображения процессов преобразования энергии в ДВС. Только при наличии не менее двух параметровотображение информации о показателях
преобразования энергии и управлении ее потоком является

При определении дымности методом Хартриджа используется фотоэлектрический эффект. Через слой отработавшего газа, заполнившего мерную трубку, пропускают луч света до приемника с фотоэлементом. Со шкалы, отградуированной в процентах (единицы Хартриджа), пропорциональных силе тока в цепи фотоэлемента (в свою очередь, пропорциональной плотности заполнения трубки сажей), считывают показания.

адекватным. Вернемся к схеме потока энергии в АТС (см. рис. 4.2). Итак, водитель с помощью педали акселератора оказывает управляющее воздействиечерез привод ПР на рычаг РТН (допустим,После получения сигналаРТН обеспечивает, с учетом(например,= 1700

Рис. 4.16. Многопараметровая характеристика двигателя КамАЗ-740:
ВСХ — внешняя скоростная характеристика; ПРХ — предельная регуляторная характеристика;
определенное по линии равного удельного расхода топлива=const(в выносках первое число — значениевторое — эквивалентное ему значениелинии равной мощности; зонанеустойчивой работы двигателя;принудительный холостой ход (тормозные режимы)

Рис. 4.17. Многопараметровая характеристика двигателя КамАЗ-740 в трехмерном пространстве:

Рис. 4.18. Многопараметровая характеристика дымности
дизеля КамАЗ-740 в трех- (а) и двумерном (б) пространствах:
ВСХ — внешняя скоростная характеристика; ПРХ — предельная регуляторная характеристика; около кривых указана значения дымности в единицах Хартриджа

Рис. 4.19. Отображение формирования крутящего момента на валу дизеля с помощью ряда МПХ:
ход рейки и угол поворота рычага регулятора ТНВД;частота вращения коленчато-
го вала двигателя;— цикловая подача топлива;— крутящий момент на коленчатом валу;— точки для определения соответственнои
ВСХ — внешняя скоростная характеристика; ПРХ — предельная регуляторная характеристика; XX— холостой ход; ПТХ — предельная тормозная характеристика;рабочее поле двигателя;нерабочее поле;
тормозные режимы

ложение рейки ТНВДПример такого преобразования для центробежного регулятора двигателя КамАЗ-740 можно проследить с помощью рис. 4.19,а (см. точку А).
При ходе рейки ТНВД= 5 мм в соответствии с характеристикойприведенной на рис. 4.19,б, топливный насос обеспечиваетв каждую форсунку цикловую подачу
И наконец, при указанных значенияхв соответствии
с характеристикойпредставленной на рис. 4.19, в, на
выходной конец коленчатого вала подается крутящий момент (см. точку
4.4.3. Образование механических потерь в двигателе
Структура мощностного баланса двигателей. Уравнение крутящих моментов двигателя записывается в виде [28]

где— следующие моменты: располагаемый по топливу, тепловых (полных индикаторных), механических потерь и эффективный момент соответственно. Преобразовав уравнение, получим

Энергетическое совершенство реального теплового цикла характеризуется термическиминдикаторнымэффективными механическимКПД автомобильных двигателей на режиме номинальной мощности [28] имеют следующие значения:

Структуры соответствующих мощностных балансов двигателей,мощностирасполагаемой по топливу, таковы:

Структура и характер механических потерь в ДВС. До
80 % механических потерь ДВС составляют потери на трение. При этом в дизеле отсутствуют насосные потери, связанные с работой карбюратора. С помощью рис. 4.20 можно проанализировать баланс механических потерь в двигателях [28] при движении АТС на высшей передаче КП (за 100 % приняты суммарные потери при скорости 70 км/ч). Как видим, механические

Рис. 4.20. Соотношения между различными видами механических потерь в карбюраторном двигателе (а) и дизеле(б) в зависимости от скорости движения автомобиля (на высшей передаче):
1,5— начальные потери, не зависящие от скорости и нагрузки;2, 6 — скоростные потери;3 — насосные потери;4, 7 — потери, обусловленные передачей крутящего момента;— уровень потерь относительно их величины при

потери при XXсоставляют большую долю суммарных механических потерь в двигателях (высоты прямоугольников 7 и 5 характеризуют энергозатраты, свойственные любому режиму и равные потерям на режимеXXпри минимальном значениипе). Механические потери в ДВС в основном зависят от скоростного режима и мало — от нагрузки (см. полосы4 и 7). Увеличение нагрузки приводит к росту давления газов, повышению температуры деталей и снижению вязкости масла. Силы граничного трения из-за возрастания давления газа увеличиваются, а силы жидкостного трения уменьшаются. Структуру механических потерь, %, можно представить в следующем виде:
Пары поршень с кольцами — гильза 50... 60
Коренные и шатунные подшипники 25...28
Вспомогательные механизмы 12...25
Механические потери в дизелях в 1,5 раза выше, чем в карбюраторных двигателях, вследствие больших потерь на трение в парах поршень с кольцами — гильза. По видам эти потери подразделяются на те, которые связаны с трением скольжения, затратами энергии на приведение в действие собственных вспомогательных агрегатов и на вентиляционные потери в воздушно-масляной среде. Значения КПД и составляющих крутящего момента двигателя КамАЗ-740 в точках, соответствующих

максимальному моменту и максимальной мощности двигателя, приведены в табл. 4.1.
Потери, обусловленные колебаниями. Потери этого вида весьма существенны. СистемаKBобладает множеством собственных частот, причем амплитуды колебаний определяются амплитудами полигармонических воздействий. Амплитудно-частотный спектр системы при неустановившемся режиме работы (НУР) непрерывно меняется. Основным способом снижения амплитуды колебаний является демпфирование.
Для КШМ в качестве показателя демпфирования используют момент сил сопротивления при единичной виброскорости:

где ц — удельный коэффициент демпфирования, для автомобильных двигателей составляющий
площадь поршня,радиус кривошипа,— число ци-
линдров, приходящихся на одно колено.
4.4.4. Влияние комплектации, атмосферных условий и технического состояния двигателя на его эксплуатационные показатели
Потери мощности на приведение в действие вспомогательного оборудования. Эффективные показатели ДВС определяют в стендовых условиях при комплектации его узлами, необходимыми для работы только двигателя. Однако привод, а также вспомогательные агрегаты, обслуживающие шасси и кузов, берут от КВ. Затраты мощности, связанные с работой этих узлов, учитывают с помощью составляющейОтнесение мощности, затрачиваемой на приведение в действие какого-либо агрегата, к группеилинепринципиально, главное — какой мощностью располагает трансмиссия. Обозначим мощность двигателя с учетом ее затрат на функционирование вспомогательных агрегатов через
Вспомогательное оборудование включает в себя вентилятор, компрессор, генератор, насос гидроусилителя руля и т.п.
Таблица 4.2 Сравнительные данные о затратах мощности, кВт, на приведение в действие механизмов и агрегатов, обусловливающих механические потери, и вспомогательного оборудования

Момент, необходимый для приведения в действие оборудования, зависит от угловой скоростиKBи с достаточной точностью описывается параболой[28]. Величина
определяет потери на трение в ЦПГ компрессора, зацеплениях, уплотнениях и подшипниках. Коэффициентхарактеризует вентиляционные, насосные и гидравлические потери, связанные с функционированием вентилятора, гидроусилителя руля, гидромеханической КП и т. п.
Потери на приведение в действие различных механизмов, % мощности двигателя, таковы: масляный насос — 1... 1,5; водяной насос — 2...4; вентилятор — 4...8; генератор — 0,3...0,4; глушитель — 2; воздушный фильтр — 1... 1,5. Данные о механических потерях в двигателе автомобиля КамАЗ представлены в табл. 4.2.
Суммарным затратам мощности 12,0; 27,2 и 53,4 кВт (см. табл. 4.2) отвечают значения крутящего момента, равные 114,6; 143,2 и 196,0 Н • м.
Влияние состояния двигателя. Состояние двигателя в процессе эксплуатации непрерывно меняется. Это изменение характеризуется износом деталей, увеличением зазоров в сопряжениях, отложениями продуктов сгорания, окисления топлива и масла, а также изменением свойств материалов.
Выработка моторесурса двигателя, отклонение регулировок от оптимальных, износ деталей и эксплуатационных материалов существенно ухудшают его показатели по сравнению с таковыми нового двигателя, что выражается в снижении мощности на величину(см. формулу (4.1)).
Влияние атмосферных условий. Показатели ДВС зависят от температуры, давления и влажности воздуха. При подъеме на 1000 м плотность воздуха уменьшается на 9 %, коэффициент избытка воздуха в рабочей смесина 12... 13,увеличивается на 14... 15 %.
Изменение температуры по-разному сказывается на системах двигателя. Положительная особенность низких температур — увеличение полноты диаграммы рабочего цикла — нивелируется наличием таких недостатков, как увеличение вязкости эксплуатационных материалов, снижение испаряемости бензина, кристаллизация воды в бензине и углеводородов в дизельном топливе, энергозатратный пуск двигателя.
Высокие температуры вызывают снижение наполнения цилиндров и переобогащение рабочей смеси. Уменьшение вязкости и плотности дизельного топлива приводит к перетеканию его через зазоры плунжерных пар и форсунок и ухудшению его подачи в камеру сгорания. Испарение бензина сопровождается образованием паровых пробок.
Отличие мощностиот базового уровня, обусловленное атмосферными воздействиями, также учитывается в уравнении (4.1).
4.4.5. Неустановившиеся режимы работы двигателя
Общие положения. Режим работы двигателя, при котором крутящий момент и частота вращенияKBизменяются во времени, называютнеустановившимся. Достаточным признаком НУР согласно уравнению

служит выполнение хотя бы одного из условий:
В процессе движения автомобиля на НУР ДВС приходится до 95 % времени. От одного НУР к другому реализуются переходные режимы. При увеличении скорости ТС эти режимы называютразгоном, а при возрастании нагрузки —приемом нагрузки. К режимам, существенно влияющим на производительность ТС, относят также работу двигателя с постоянной мощностью при преодолении автомобилем повышенного сопротивления движению и пуск двигателя.
Двигатель может работать на НУР при сочетаниях угловой скоростиKBи положения органа регулирования подачи топливасвойственных установившимся режимам. Характеристики двигателей на НУР в условиях, совпадающих с условиями определения статических характеристик, называютсядинамическими.
Динамические характеристикимогут быть пред-
ставлены в поле установившихся режимов работы. Это позволяет применять для анализа статических и динамических характеристик одни и те же базовые зависимости и определять степень использования статических возможностей двигателя в условиях НУР. Мгновенные значения крутящего момента на переходных режимах, как правило, меньше, чем при работе на соответствующих режимах статической характеристики [9] (рис. 4.21).
Из параметров состояния двигателя наибольшую динамику имеет угловая скорость KBПоэтому переходный режим идентифицируют поПродолжительность переходного режима служит основным показателем динамических свойств двигателя.
НУР двигателя характеризуются недостаточно интенсивным нарастаниемпри разгоне или приеме нагрузки, повышенным износом и расходом топлива, чрезмерной дымностью и токсичностью ОГ.
Работа двигателя с потребителем мощности в условиях НУР. Двигатель и его потребитель — движитель образуют вращательную систему с одной степенью свободы и одной обобщенной координатой — углом поворотаКВ. Уравнение динамического равновесия вращающихся масс имеет вид

гдекрутящие моментыKBи потребителя;приведенные моменты инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя и потребителя.


Рис. 4.22. Изменение параметров двигателя при НУР (точки на кривых соответствуют равенству крутящих моментов KBдвигателяи потребителяугловое ускорениеKB
На рис. 4.22 показано изменение параметров двигателя в условиях НУР. В зависимости от знака дисбаланса моментов, т. е. разности-KBвращается с положительным или отрицательным угловым ускорениемПо достижении условия
монотонный процесс изменения со заканчивается, и тогдаДлительность переходного процесса определяется отрезком времени между смежными точками, для которых выполняется условие
При одинаковыхмомент развиваемыйпри наличии ускоренияKB, отличается от значения, соответствующего установившемуся режиму, и тем существеннее, чем больше
При анализе неустановившихся режимов используют также уравнение мощностного баланса

гдемощности двигателя и потребителя;мощность, определяющая скорость изменения кинетической энергии системы,Избыток мощности затрачивается на увеличение кинетической энергии, и угловая скоростьвозрастает (см. рис. 4.22). При недостатке мощности часть энергии системы расходуется на покрытие дисбаланса, иуменьшается. Крутящий момент, требуемый для поддержания мощностного баланса или реализации ускоренияKB, при снижающихсяобеспечивается большими затратами топлива.Сходственные условия работы. Работу двигателя на установившихся и неустановившихся режимах при одних и тех же (средних за время цикла) значенияхназываютработой в сходственных условиях.
На установившихся режимаходнозначно определяюти мощность двигателя (см. рис. 4.19). Подаче топлива соответствуют стабилизированные параметры рабочего цикла и теплового состояния, обеспечиваемые согласованной настройкой систем двигателя. При НУРизменяются, поэтому условия протекания смежных рабочих циклов в цилиндре различаются. Для дизелей, например, в период движения рейки ТНВД к упору (и в упоре) впрыскивание и отсечка подачи топлива происходят при изменяющихся от цикла к циклу значениях угловой скоростиKBи давления газов в цилиндре. Следствием этого являются разные остаточные давления топлива в нагнетательном трубопроводе в смежных циклах, что приводит в фазе впрыскивания к отличиюи качества распыления топлива от тех же показателей в сходственных условиях установившегося режима. Разница значенийдостигает
При НУР из-за рассогласования процессов теплопередачи температура деталей и рабочего тела не успевает следовать за процессом тепловыделения при сгорании топлива в условиях изменяющихся цикловых подач. Снижениеиз-за отклонения параметров теплового состояния и ухудшения условий очистки цилиндров может составлять 12 %.
Сходственный рабочий цикл. Рабочие циклы, осуществляемые в сходственных условиях, называютсходственными. Среди них цикл установившегося режима называютбазовым. Неидентичность сходственных циклов проявляется в смещении характерных точек индикаторной диаграммы относительно ВМТ и изменении характеристик тепловыделения. Наибольшие отклонения наблюдаются при резком увеличенииВ результате совместного влияния множества факторовоказывается ниже, чем в базовом цикле. Более низкие значенияв сходственных циклах НУР являются причиной увеличения (на величину, достигающую 25 %) расхода топлива на единицу работы, произведенной двигателем.
Разгон двигателя. Время разгоназависит от избыточной мощностиМинимальное значениедостигается при работе двигателя по динамической ВСХ. Оно больше теоретического значенияопределяемого по статической ВСХ. Отношениепоказывает, во сколько раз средняя за разгон избыточная мощность меньше средней избыточной мощности, развиваемой по статической ВСХ. Для транспортных ДВС= 0,7... 0,95. Экономичность двигателя за время разгона ТС оценивают при условии, что работа совершена при среднем значении эффективной мощности

гдеугловые скорости, отвечающие началу и окончанию разгона; первое слагаемое — мощность, отбираемая потребителем; второе — мощность, обеспечивающая изменение энергии вращающихся масс системы двигатель —потребитель.
При известном расходе топливана разгон получают средний приведенный (к 1 ч) удельный эффективный расход топлива за время разгона

Помимо этого используют показатель(значениедостигает 1,4).
Экономичность разгона ТС оценивают экономическим КПД разгонаПри отбираемой потребителем мощностимеханическом КПД передачии массе

При разгоне эффективный КПД двигателяи механический КПД передачине только переменны во времени, но и различаются по характеру изменения. Возрастание крутящего момента вращающихся масс потребителя, связанное с уменьшением КПД передачи, вызывает перегрузку двигателя, ухудшает экономичность ТС и увеличивает время разгона. Целесообразна работа двигателя с максимальным дисбалансом моментовипри оптимальных соотношенияхили сокращение времени его работы при низких значениях этих КПД. Экономический КПД разгона составляет 0,15...0,25.
Прием нагрузки. Данный режим реализуется при росте сопротивления движению ТС. Желательно, чтобы прием нагрузки происходил при постоянной мощности(см. кривые5, 6 на рис. 4.21). ВСХ ДВС, однако, при снижениине обеспечивает этой закономерности, существенно отклоняясь от нее при
Пуск и прогрев двигателя. Топливная аппаратура дизелей при пусковых значенияхне обеспечивает эффективной подачи топлива. Давление в линии нагнетания топлива мало, а низкое давление впрыскивания холодного топлива с повышенной вязкостью препятствует его высококачественному распылению. Дальнобойность факела топлива увеличенная, он попадает на стенки КС. При впрыскивании малых порций топлива возможны отказы воспламенения (следуют пропуски циклов).
Для первых циклов характерны наибольшие значения периодов задержки воспламенения топлива, превышающие продолжительность его подачи. Темп нарастания давления газов может в 10—15 раз превышать номинальное значение, а максимальное давление цикла — в 1,5 — 2 раза. Для повышения надежности пуска во многих моделях дизелей, например КамАЗ-740, его осуществляют при значениивтрое превышающем номинальное.Нерегулярный, колебательный и циклический режимы.
Режим работы, при котором интервалы между последовательно поступающими импульсами крутящего момента меньше длительности монотонного измененияа частота и амплитуда импульсов носят случайный характер, представляет собойнерегулярный НУР. Такие НУР присущи автомобилям в городах с интенсивным движением и при движении по бездорожью.
Изменение импульсов, повторяющееся в соответствии с последовательностью технологических циклов потребителя, характеризует циклический НУР, а чередование знакопеременных импульсов с одинаковыми амплитудами порождаетколебательный НУР. Эти режимы типичны для двигателей дорожно-строительных и подъемно-транспортных машин.
Представление НУР в виде процесса изменения параметров двигателя (см. рис. 4.22) позволяет разбить неустановившийся режим на элементарные переходные процессы, например, по признаку монотонности изменения
При длительной работе в условиях НУР параметры рабочих циклов и теплового состояния в каждом элементарном переходном режиме отличаются от параметров сходственных циклов установившихся режимов в меньшей степени, чем рабочие циклы единичного переходного режима. Тепловая и механическая инерционность рабочих тел и систем двигателя уменьшают (по сравнению с единичным переходным режимом) диапазон изменения параметров рабочего процесса. Чем ближе характер НУР к циклическому или колебательному, тем меньше отклонения параметров рабочего процесса и теплового состояния от средних значений. Минимизация доли неизбежно возникающих НУР и правильное их использование являются существенным резервом снижения энергозатрат ТС.
Учет изменения показателей двигателя на неустановившихся режимах. Работа на НУР характеризуется ухудшением показателей ДВС до уровняа также изменениями мощностии
по сравнению с показателями сходственного установившегося режима.
Так как изменение показателей на НУР происходит в основном из-за отклонений рабочего процесса от стационарного (механические потери и затраты на функционирование вспомогательных агрегатов изменяются мало), то можно анализировать влияние рассмотренных режимов на изменение индикаторных показателейпоскольку при такой схеме
переносить приращениена эффективный
и выходнойпоказатели двигателя.
Совокупность всех приведенных положений об эксплуатационных режимах раскрывает характер составляющих формулы (4.1) для определения мгновенной эксплуатационной мощностидвигателя, которой располагает трансмиссия.
Теперь можно ввести мгновенный эксплуатационный КПД двигателя

и мгновенный эксплуатационный удельный расход топлива,


4.4.6. Совместное влияние нелинейности характеристик и гистерезиса на показатели движения автотранспортных средств
Рассмотрим характерные ситуации, связанные с флуктуацией режимов АТС.
При разгоне АТС необходимо не только сообщать ускорение поступательно движущейся массе, но и раскручивать вращающиеся детали. На низших передачах КП на проведение этого раскручивания требуется в 2 — 3 раза больше энергии, чем на разгон поступательно движущейся массы. Казалось бы, при замедлении АТС накопленная кинетическая энергия вращающихся элементов должна рекуперировать, однако полного возврата энергии нет. Причины этого таковы: трение между контактирующими поверхностями, нелинейность характеристик вязкого трения масел, неизбежные потери энергии при каждом цикле оборота колеса, обусловленные его взаимодействием с полотном дороги и воздушным потоком. Колебание скорости вращения масс привода ТС сопровождается гистерезисом и диссипацией энергии.
Допустим что проводится эксперимент с АТС при двух вариантах движения. В первом случае ТС проходит по горизонтали путьпостоянной скоростьюна одной передаче КП (графикпрямаяАВ на рис. 4.23,определяется площадью прямоугольникаОАВС). Во втором случае обеспечим движение ТС на той же передаче КП в соответствии с графикомпредставляющим собой кусочно-линейную кривуюEDF (с разгоном от некоторой низкой скоростидо некоторой высокой скоростиа затем замедлением дотаким образом, чтобы средняя скорость движения была равна скорости движеният. е. путьS остался неизменным).
В первом, базовом варианте положения педали акселератора и дроссельной заслонки карбюратора (рейки ТНВД), а также

Рис. 4.23. Два варианта прохождения дистанции транспортным средством с одинаковой средней скоростью (а) и соответствующая им схема определения значений удельного эффективного расхода топливав поле скоростных характеристик двигателя(б):
1, 2, 3 — скоростные характеристики соответственно при угловом ускорении(стационарная характеристика),(разгон)(замедление);
графики движения транспортного средства подача топлива постоянны на всей дистанции. Во втором случае на первой половине дистанции педаль акселератора выжата больше, чем в первом случае, и, строго говоря, необходимо немного изменять ее положение в процессе равноускоренного разгона с ускорениемв соответствии с положением педали акселератора угол открытия дроссельной заслонки увеличен (рейка ТНВД выдвинута больше), подача топлива повышенная и фактически непостоянная.
На второй половине дистанции картина противоположная: педаль акселератора выжата меньше, чем в базовом варианте, и, строго говоря, ее положение в процессе равнозамедленного движения с ускорениемнесколько изменяется; в соответствии с положением педали акселератора угол открытия дроссельной заслонки уменьшен (рейка ТНВД выдвинута меньше), подача топлива пониженная и, по существу, непостоянная. Картина противоположная, но не зеркально, во-первых, вследствие нелинейности скоростных характеристик двигателя, а во-вторых, из-за наличия смещения стационарных характеристик на реальных НУР.
Для разъяснения этих положений обратимся к рис. 4.23, б. Движению ТС со скоростьюсоответствует точка(она совпадает здесь с точкойна скоростной характеристикеотвечающей стационарному режиму=constпри е =0
Если измерить мгновенный расход топлива на той же частоте вращенияно в момент прохождения этой частоты при разгонеKBс угловым ускорением(сходственный режим), то скорее всего будет зафиксирован худший (больший) показательна характеристике(кривая3). Это объясняется «отставанием» теплового режима двигателя и процесса смесеобразования от реализуемого темпа разгона КВ.
Если измерить мгновенный расход топлива на той же частоте вращенияно в момент прохождения этой частоты при замедленииKBс угловым ускорениемто скорее всего снова будет зафиксирован худший (по сравнению со стационарным) показательна характеристики
Уяснение этого позволяет понять, что при разгоне ТС по линии ED (см. рис. 4.23,а) удельный расход топлива будет изменяться в соответствии с кривойED на рис. 4.23,б, представляющей множество сходственных режимов с постоянным угловым ускорениемПри замедлении ТС по линии(см.
рис. 4.23, а) удельный расход топлива будет изменяться в соответствии с кривойна рис. 4.23,б, представляющей множество сходственных режимов с постоянным угловым ускорениемВ итоге большим ускорениям и замедлениям АТС соответствуют большие отклонения показателей топливной экономичности от показателей стационарных режимов, причем в худшую сторону. Следовательно, из-за реализации на маршруте АТС ускорений и замедлений интегральные топливно-экономические показатели будут хуже, чем при строго равномерном движении.
4.5. Передача энергии трансмиссией
Энергетика сцепления. Сцепление снимает динамические нагрузки в трансмиссии за счет проскальзывания дисков. На демпфирование расходуется энергия. Мощность, рассеиваемая в сцеплении,

где— остаток мощности на выходе,
КПД сцепления
Определяющим нагрузочным режимом сцепления является трогание АТС. Процесс трогания АТС с дисковым сцеплением (рис. 4.24), состоящий из двух этапов, сопровождается фрикционными колебаниями при блокировании сцепленияи крутильными колебаниями по окончании его блокированияПодавляющая часть энергозатрат связана с первым этапом. Работа буксования сцепления [20]


Рис. 4.24. Колебания крутящего моментаполуоси, инициированные сцеплением при трогании автомобиля:
—время и период фрикционных колебаний; — время и период крутильных колебаний
гдерадиус колеса;передаточное число трансмиссии; коэффициентобщего дорожного сопротивления;максимальный крутящий момент двигателя;угловая скоростьKB
при
Значения работы буксования сцепления АТС КамАЗ при трогании на IиIIпередачах приведены в табл. 4.3.
Преобразование энергии в коробке передач, редукторах и валопроводах трансмиссии. КПД трансмиссии (без сцепления)

где сомножители в правой части уравнения представляют собой КПД соответственно коробки передач, карданной передачи, главной передачи и бортового редуктора, определяются потерями мощности на трениеи зависят от ее конструктивных особенностей, передаваемой мощности, частоты вращенияKB, характеристик и температуры материалов.
Мощностьчасто представляют в виде трех слагаемых [17], пропорциональных(характеризует потери на трение в зубчатых зацеплениях и подшипниках трансмиссии),(определяет потери на трение в сальниках и подшипниках с предварительным натягом) и(гидравлические потери в картерах).
Таблица 4.3
Работа буксования сцепления, кДж, АТС КамАЗ при трогании на IиIIпередачах в разных условиях

Суммарная мощность, теряемая в трансмиссии,
(4.19)
гдекоэффициенты, зависящие от конструкции трансмиссии, ступени передачи КП и температуры масла;число цилиндрических и гипоидных зубчатых пар соответственно;т —число карданных шарниров. С учетом уравнения (4.19)
(4.20)
Потери на трение для зубчатой пары составляют (1,0 ± 0,2) %, для карданной передачи — (0,6 ± 0,2) % суммарных затрат мощности на движение.
При выбеге АТС= 0, и уравнение (4.20) теряет смысл. В этом случае потери в трансмиссии отображают силойприведенной к ведущим колесам:

где— сила трения при скорости, близкой к нулю,коэффициент, учитывающий влияние скорости на силу трения, Н • с/м.
Для автомобиля КамАЗ-5320[17].
Потери в трансмиссии удобно отображать силойприведенной к колесам, не только при выбеге. Поскольку нагрузку формирует движитель, исходя из этой нагрузки легче выражать потери, связанные с передачей требуемого крутящего момента. Суммарные потери в трансмиссиив этом случае представляют в виде трех составляющих [28]:

где— сила, обусловленная потерями при передаче крутящего момента,— составляющие силового баланса движителя;обобщенный коэффициент потерь в трансмиссии, связанный с передачей крутящего момента.
Для автомобиля класса КамАЗ-5320 значениясоставляют 40 и 60 (соответственно для прямой и промежуточных передач).
На рис. 4.25, а показано изменение потерь в трансмиссии АТС с колесной формулой 4 х 2 по мере учета различных составляющих этой величины.
На рис. 4.25, б приведены графики зависимости КПД трансмиссии автомобиля полной массой 20 т с колесной формулой

Рис. 4.25. Зависимость характеристик трансмиссии от скорости автомобиля:
а — последовательный учет составляющих потерь в трансмиссии автомобиля с колесной формулой 4x2 при движении по горизонтальному участку шоссе;
трансмиссии автомобиля полной массой 20 т с колесной формулой 6x6 при различных условиях движения по цементобетонному шоссе: 1 — спуск на уклоне 0,5%; 2 — горизонтальная дорога (автомобиль без груза);3 — горизонтальная дорога;4 — подъем
на уклоне 3 %
6 х 6 от его скорости при различных условиях движения по цементобетонному шоссе.
Блокирование связи между элементами движителя приводит к циркуляции мощности, что обусловливает дополнительные потери в шинах и трансмиссии.
По всей совокупности условийможет изменяться в пределах 0...95 %, причем максимальные значения КПД соответствуют движению с минимальной скоростью при предельно большой силе тяги. При полной подаче топлива КПД -

трансмиссии составляет 0,80...0,92. Меньшие значенияотносятся к многоосным автомобилям и поездам, большие — к легковым автомобилям [17].
Некоторые особенности передачи энергии узлами трансмиссии. Влияние параметров на входе в КП — частоты вращения ведущего валаи его крутящего момента
а также передаточного числаступени КП нахарактеризуют данные для КП КамАЗ Т-14, представленные в качестве примера в табл. 4.4. Последовательность факторов, расположенных по убыванию степени их влияния на КПД коробки передач, такова:
КПД бесступенчатой трансмиссии ниже, чем механической.
Потери на демпфирование крутильных колебаний. Трансмиссия представляет собой распределенную колебательную систему. При исследовании нагрузочных режимов трансмиссии основными являются следующие процессы: переходные, возникающие при трогании и переключении передач; колебания частотой до 20 Гц вследствие воздействия микронеровностей дороги; высокочастотные (в диапазоне 20... 250 Гц), связанные с воздействием двигателя.
Рассеяние энергии в трансмиссии АТС вызывается сопротивлением жидкости в картерах, гистерезисными потерями в материале деталей, стыках и демпферных устройствах. Потери энергии в материале деталей относительно малы= 0,01 ...0,02). Стыки же (шпоночные и шлицевые соединения, опоры валов и зубчатых зацеплений) с= 0,6...0,9 — значимые очаги диссипации энергии.
4.6. Энергетика колесного движителя
Структура сопротивления качению автомобиля. Колесный движитель преобразует крутящий моментподводимый к колесам, в продольное усилиеприложенное к элементам подвески. Преобразующими элементами являются шины, через них передается воздействие от неровностей дороги на автомобиль. Шины связывают упругую систему трансмиссии с системой подрессоривания АТС. Поэтому потери в шинах зависят от множества взаимосвязанных свойств самих шин, трансмиссии, подвески и дороги, а сопротивление качению является функцией характеристик не только шин и дороги, но и АТС с его системами подрессоривания и трансмиссией.
Мощностьзатрачиваемая на преодоление сопротивления качению АТС, обусловлена тремя факторами: гистерезисом упругой деформации шин и дороги, внешним трением шин и других элементов движителя, а также пластической деформацией дороги (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Структура потерь качения колесного движителя
Гистерезисные потери, обусловленные упругой деформацией шин и дороги. Гистерезисные потери шин связаны с циклическим воздействием на их элементы, находящиеся в зоне контакта с дорогой:
постоянной нормальной нагрузки Zcoстороны дороги;
тангенциальной нагрузки X, вызываемой передаваемым крутящим моментом(тяговымили тормозным
переменной нагрузки вследствие воздействия микрорельефа дороги;
боковой нагрузки Y, возникающей при повороте и крене.
Гистерезисные потери дороги обусловлены циклическим воздействием на элементы ее полотна нормальнойи касательнойсил .со стороны колеса.
Шина поглощает большое количество энергии в обратимой форме. Однако не вся энергия возвращается в фазе разгрузки деформированного фрагмента шины: часть ее, расходуемая на молекулярное и механическое трение в материалах, необратимо теряется. Для поддержания качения колеса необходимо пополнять потери энергии, что и осуществляется приложением к оси колеса крутящего момента или толкающей силы. В конструкции шины около 30 % потерь энергии приходится на протектор и 70 % — на каркас.

Рис. 4.27. Упругие характеристики абсолютно жесткого (а), абсолютно эластичного(б) и эластичного(в) тел:Р — нагрузка;h — деформация;В — конечная точка нагружения
Абсолютно жесткое либо абсолютно эластичное колесо на абсолютно жесткой либо абсолютно эластичной дороге не испытывает сопротивления качению. При абсолютно жестких колесе и дороге нагрузка Р не вызывает их деформацииh (рис. 4.27,а). У абсолютно эластичного тела при прекращении действия деформирующих сил полностью восстанавливается форма (рис. 4.27,б). На практике, однако, реальному эластичному элементу соответствует характеристика с петлей гистерезиса, изображенная на рис. 4.27,в.
Качение эластичного колеса по гладкой жесткой поверхности. Контакт колеса с гладкой жесткой поверхностью считают плоским. Известны четыре вида радиуса колеса (рис. 4.28): три из них определяются геометрически, а один — кинематический — как отношение скорости поступательного движения колесак его угловой скорости
Колесо преобразует вращательное движение в поступательное с потерями мощностикоторые в случаеимогут быть представлены в виде
где— мощность, подводимая к колесу,крутящий момент, приложенный к колесу;угловая скорость колеса;— мощность, передаваемая от колеса к автомобилю,
Силу X определим из схемы, выполненной на рис. 4.28, г, с учетом сноса равнодействующей нормальных реакций дорогиZ на величину плечабесполезного момента сопротивления (по Кулону):
Тогда


Рис. 4.28. Свободный(а), статический(б), динамический(в) радиусы эластичного колеса и схема равномерного движения (г):
—нормальная нагрузка,— угловая скорость колеса;— крутящий момент, приложенный к колесу;X — продольная составляющая реакции дорожного полотна;Z— равнодействующая нормальных реакций дороги;— снос реакцииZ;— скорость поступательного движения колеса
гдемомент и сила сопротивления качению колеса со-
ответственно.
В анализе используют коэффициент сопротивления качению шины

где— составляющая коэффициентахарактеризующая силовые потери, связанные со сносомас реакцииZ,
составляющая коэффициентахарактеризующая кинематические потери, связанные со скольжением колеса
приводящим к уменьшению скорости движения автомобиляКоэффициентыназываются соответственноэнергетическим, силовым {динамическим)икинематическим коэффициентами сопротивления качению. Величинаопределяет дополнительный снос равнодействующей нормальных реакцийZ. С учетом того, чтоможно записать

где— силовые и кинематические составляющие силымоментаи мощностисопротивления качению колеса.
При наличии на колесе крутящего момента всегда имеет место частичное скольжение колеса относительно полотна дороги. Это обусловлено разницей продольных напряжений в шине (в набегающей на контакт и уходящей ее частях). Поэтому при малой нормальной нагрузке элементы беговой дорожки еще до выхода из пятна контакта скользят в пятне, причем с увеличениемдоля скользящих элементов растет. Проскальзывание шин ведущих колес на сухом асфальтобетонном покрытии в крейсерском режиме достигает 2...Ъ%.
Изменение радиуса каченияколеса в зависимости от крутящего моментапри условном отсутствии скольженияподчиняется линейной зависимости

гдерадиус качения ведомого колеса;— коэффициент тангенциальной эластичности по крутящему моменту (при= 0 см. штриховую линию на рис. 4.29). Зависимостьпри наличии скольжения элементов шины представлена на рис. 4.29 сплошной линией. Аналогично используют формулу

где— коэффициент тангенциальной эластичности по окружной силе.
Потери при упругом скольжении выражаются формулой

Коэффициент сопротивления качениюслужит измерителем потерь мощности в шине колеса. Он численно равен выраженной в ваттах мощности, теряемой при качении колеса, которое находится под действием нормальной нагрузки= 1 Н при скорости= 1 м/с. Из уравнений (4.21) и (4.22) следует, что причинами потери мощности являются, во-первых, продольный сносреакцииZ и, во-вторых, неравенство радиусовт.е. наличие
Физические процессы, обусловливающие сноси существенность коэффициентаописываются следующим образом. При входе в контакт элементы шины деформируются в

Рис. 4.29. Зависимость радиуса каченияколеса от крутящего момента
условный радиуссоответствующий отсутствию скольжения;
наблюдаемый радиус— скольжение колеса

радиальном направлении. Сжатие радиально ориентированных элементов происходит в набегающей области колеса до момента прохождения элементом вертикальной оси колеса. Затем в сбегающей области происходит их распрямление до нормального состояния.
На рис. 4.30 деформируемые элементы представлены в виде элементарных колебательных контуров, имеющих массупружину (связывающую массу с ободом) жесткостьюи демпфер с коэффициентом демпфировании
Такой элементарный контур в течение каждого цикла работы рассеивает энергию. В каждом вовлекаемом в контакт радиальном срезе колеса непрерывно происходят вынужденные колебания с рассеянием энергии. Движение элемента описывается уравнением

где— деформация;— ускорение и скорость массы
—коэффициент сопротивления;— элементарная реакция дороги.
Элементарные реакциив набегающей области больше, чем в сбегающейЭпюра реакций, показанная на рис. 4.30,
несимметрична относительно середины контакта: их равнодействующая Z смещена на расстояниеПлечотем больше, чем больше коэффициенти скорость
Выделяют семь режимов качения колеса: ведущий, свободный, нейтральный, ведомый, тормозной, юз и буксование. В ведущем режиме вся подводимая энергия расходуется на гистерезисные потери шины, работу сил внешнего трения шины о дорогу и вентиляционные потери. В свободном режиме подводимый момент используется только для качения колеса. Для нейтрального режима характерныВ ведомом режимеВ тормозном режиме к колесу подводится тормозной моментнаправленный в сторону, противоположнуюа накопленная кинетическая энергия АТС расходуется на трение шины о дорогу и гистерезисные потери в полотне дороги.
В зависимости от типа и состояния опорной поверхности, эластичности шины и режима качения колеса изменяются доли составляющих потерь. При качении ведомого колеса по асфальтобетонной дороге 90...95 % общих потерь — гистерезисные потери, 3...5 % — потери на трение шины об опорную поверхность, 2...3 % — потери на деформацию упругой поверхности, остальное — аэродинамические потери вращающегося колеса. У ведущего и тормозящего колес потери увеличиваются в результате трения в контакте [17].
Качение колеса по деформируемой опорной поверхности. При качении по деформируемой опоре контакт осуществляется по сложной поверхности. Наблюдаются потери на деформацию опоры, обусловливающие дополнительный снос реакцииZ.
Представим качение абсолютно жесткого колеса по опоре, для которой характерна лишь упругая деформация (рис. 4.31, а). Подминая поверхность, колесо вынуждено постоянно «выбираться» из лунки, испытывая воздействие продольной составляющейравнодействующейZ элементарных нормальных реакцийN. Эпюра элементарных нормальных сил в опорном слое соответствует его деформации: рост от краев лунки А: и я к краевым точкамит пятна контакта с колесом и значительное увеличение нагрузки под пятном, причем со смещением равно-

Рис. 4.31. Схема сил, действующих на колесо при движении по деформируемой опорной поверхности для случая=const:
качение абсолютно жесткого колеса по упругодеформируемой опоре; б — качение шины по мягкой опоре, подверженной упругопластической деформации; /,т — краевые точки пятна контакта;к, п — краевые точки лунки;— глубина колеи в набегающей и выходящей части колеса;— снос реакцииZ;— дополнительный снос реакцииZ;— крутящий момент, приложенный к колесу действующейZна плечои формированием коэффициента упругого сопротивления грунта

Деформация обычной шины при движении на мягкой дороге на 30...50 % меньше, чем на твердом покрытии [31]. Колесо, преодолевая силы, возникающие при упругопластической деформации, продавливает колею глубиной(рис. 4.32,б), но после его прохождения упругие силы частично распрямляют полотно, уменьшая глубину колеи до величиныОбщее сопротивление грунта качениюможет быть представлено суммой— коэффициент сопротивления сил пластической деформации грунта качению колеса.
И упругая, и пластическая деформация полотна дороги происходит за счет энергии привода АТС. Общий коэффициент сопротивления качениюможно представить в виде суммы
Взаимодействие колеса с твердым микрорельефом дорожного покрытия. Сопротивление качению зависит от размеров и характера неровностей дороги, которые вызывают дополнительную деформацию шины и затраты энергии. В табл. 4.5 приведены значения коэффициента сопротивления качению шиныпри скорости, близкой к нулю, для дорожных покрытий различных типов.
Коэффициентдля любого покрытия можно выразить через значение для гладкого покрытияи добавку

Коэффициент сопротивления качению шины для любого покрытия и микрорельефа изменяется пропорционально квадрату скорости'[28]:

где— коэффициент, зависящий от характеристик микрорельефа.
.

Рис. 4.32. Характеристики колеса при боковой нагрузке:
а, б — формы пятна контакта и эпюры поперечных напряженийсоответственно для неподвижного и движущегося колес;в — зависимость угла бокового уводаот боковой реакциикоэффициент сцепления
Потери в шине при наличии боковой нагрузки. Приложении к колесу боковой силышина и пятно контакта теряют симметрию, и возникает боковая реакция(рис. 4.32,а Деформация новых участков шины приводит к перемещению плоскости колеса в направлении действия силыКолесо катится уже в направлении вектора его скоростиподуглом бокового уводак плоскости вращения (рис. 4.32,б).
По мере удаления от входа в контакт напряженность элементов шины возрастает, в задней части площадки поперечные элементарные силывозрастают, и начинается проскальзывании элементов шины. При этом эпюра силпринимает форму, при веденную на рис. 4.32,б.
Характер зависимости углаот боковой реакциииллюстрирует рис. 4.32,в. При малыхуголизменяется пропорциональноОднако с ростомпрогрессирует процесс скольжения, и зависимость становится нелинейной уже при угла; увода 2...4°.
Характеристикой бокового увода является коэффициент сопротивления боковому уводу шиныВеличиназависит от множества факторов. С ростом нормальной нагрузки
шина становится жестче иповышается. При увеличении тяговой силы сопротивляемость шин боковому уводу уменьшается. При возрастании тормозной силы она сначала повышается, а затем падает.
При боковой нагрузке из-за увода, дополнительной деформации и скольжения шины возрастают потери на ее качение. Дополнительный коэффициент сопротивления качению

где— удельная боковая сила,принято, что
Для шин автомобилей КамАЗ 260 —508Р, например, при нагрузке 2000 данНетрудно подсчитать, что для этого автомобиля при нагрузке на переднее колесо= 2000 дан и угле его увода(0,1 рад) коэффициент сопротивления качению колеса увеличивается на величинуЭто значение получено при
Влияние эксплуатационных и конструктивных факторов на сопротивление качению колеса. Зависимость радиуса колеса от давления воздуха в шине имеет вид [28]

где— свободный радиус при номинальном давлении воздуха;— константа для шин одной модели;— соответственно номинальное и текущее давления воздуха в шине. Для шин 260 —508 модели И-252Б= 519 мм,= 1,45
Нормальный прогиб шиныв функции внутреннего давленияи нормальной нагрузкиопределяется по формуле

где— постоянный для данной шины коэффициент,
—нормальная нагрузка, даН;— атмосферное давление— давление воздуха в шине,[28].
Нормальная жесткость шины зависит от числа слоев корда в брекере, рисунка протектора, шага и угла наклона грунтозацепов и других факторов.
Оценка сопротивления качению колесав ведомом режиме прина сухой плоской твердой поверхностив зависимости от давленияи нагрузкиносит базовый характер для представления всех других режимов колеса и условий движения.
Известна формула [28]

где а,— постоянные для шин одной модели; величинавыражена в даН/см2.
Для разогретой шины 260 — 508 модели И-252Б, например, в условиях ее работы в составе задней тележкиПри
установке же ее на переднем мосту
Увеличение давления воздуха приводит к снижению потерь на качение шины по твердому основанию: повышается ее жесткость и уменьшается радиальная деформация, что вызывает снижение гистерезисных потерь.
Зависимости сопротивления качению и энергозатрат от скорости движения монотонно возрастающие: гистерезисные потери с увеличением числа циклов нагружения возрастают в большей мере, чем уменьшаются из-за нагрева шины. Достаточную для практики Точность обеспечивает формула

где— коэффициент при— скорость, м/с [17]. Применяется также модификация последней формулы:

где скорость выражена в км/ч. Тогда для шины 260 — 508 при
на скорости 80 км/ч в ведомом режиме
Конструктивные параметры шины оказывают большое влияние на коэффициенти, следовательно, на количество поглощаемой ею энергии.
Увеличение толщины протектора повышает коэффициент,особенно у диагональных шин. При износе шин сопротивление качению падает (у полностью изношенных — на 20...25 %) [17].
Увеличение отношения ширины обода к ширине профиля шины иуменьшение* отношения высоты профиля шины к его ширине приводят к снижению коэффициента сопротивления качению.
Внутреннее строение каркаса шины оказывает влияние на коэффициент сопротивления качению. Прикоэффициентрадиальных шин меньше, чем у диагональных, на 15... 20 %.
Увеличение диаметра колеса приводит к уменьшению коэффициентаЧем больше размеры и число неровностей на дороге и чем выше на таких дорогах скорость движения,, тем значительнее влияние Диаметра колеса на коэффициент[31].
Увеличение ширины колеса на дорогах с твердым покрытием незначительно повышает коэффициентно на деформируемых опорных поверхностях существенно снижает его. На АТС со сдвоенными колесами из-за неравномерного распределения нормальных нагрузок и крутящих моментов между шинами возникают дополнительные потери на качение.
Совершенствование качества резины позволяет снизить сопротивление качению. Около 60 % потерь на качение связано с гистерезисом резины. Разница в сопротивлении качению высоко- и низкогистерезисных резин может превышать 40 %.
Износ рисунка протектора снижает сопротивление качению, особенно у диагональных шин. У шины с полностью изношенным рисунком сопротивление качению при скорости 130 км/ч меньше на 25 % по сравнению с сопротивлением новой шины [31].
Тепловые явления при работе шины. Шина при работе нагревается в результате трения в материалах шины и в плоско-

тангенциальной эластичности и как следствие — уменьшению гистерезисных потерь и сопротивления качению. На рис. 4.33 приведены экспериментально полученные зависимости двух параметров шины 260 — 508 от ее температуры [28].
Снижение сопротивления качению шины с учетом роста давления в ней, сопровождающего прогрев шины, существенно. Например, у шины 1220x400—533 при прогреве ее от 20 до 100 °С сопротивление качению снижается за счет уменьшения гистерезисных потерь на 26%, за счет прироста давления воздуха — на 10 %, а всего — на 36 % [28].
Общие энергозатраты колесного движителя. Суммарные энергозатраты колесного движителя обусловлены сопротивлением качению колес, затратами мощности на колебания АТС и ее дополнительными потерями, возникающими на повороте.
Сопротивление качению и затраты мощности на колебания ATС. Работа шин в системе движителя сопровождается дополнительными затратами мощности, вызываемыми неодинаковыми условиями работы шин, неравномерным распределением крутящих моментов по колесам и колебаниями АТС. Под силой сопротивления качению ТС подразумевают потери силы при качении всех колес, приведенные к условной силе, действующей в направлении, противоположном движению ТС [28]:

где— сила сопротивления качениюколеса;— нормальная нагрузка наколесо;— коэффициент сопротивления качениюколеса.
Потери на качение шин в составе движителя оценивают единообразно — обобщенным коэффициентом сопротивления качению АТС

где— вес автомобиля.
После замены отдельных значенийосредненнымимеем

Кроме сил деформации и скольжения в контактных зонах колес с дорогой имеются силы, вызываемые колебаниями колес, а также циркуляцией мощности. Эти дополнительные силы непрерывно изменяются по величине и направлению, но в среднем их суммавсегда приводит к увеличению мощности потерьна величинучто может быть учтено соответствующим увеличением коэффициента

При средних скоростях движения на изношенном асфальтовом шоссесоставляют 5...10 %, на ровном булыжнике — 30...50 %, на хорошей грунтовой дороге — 10...30 % значений
Например, при движении КамАЗа по асфальтобетонному шоссе с сильно разжиженным битумом= 0,019, а по сухой грунтовой накатанной степной дороге= 0,032 [28].
Энергия АТС при движении по неровной дороге затрачивается как на преодоление основной горизонтальной составляющей реакции дороги, так и на возбуждение колебаний подрессоренных и неподрессоренных масс. Это потери в амортизаторахрессорахи шинах[28].
Влияние поворота. При боковой нагрузке на АТС углы увода шин могут отличаться. Тогда для расчета силового баланса АТС используют приведенный коэффициентнапример,
где L — база,а и b — расстояния от центра масс автомобиля до осей [17]. Дополнительная составляющая коэффициента сопротивления качению АТСопределяется по формуле (4.23) с учетомНа рис. 4.34 приведена зависимость коэффициента сопротивления качениюгрузового автомобиля от скорости и радиуса кривизны траектории движения [28].

Общий КПД силовой установки. КПД силовой установки (СУ) ТС, содержащей двигатель, трансмиссию и движитель,

где сомножители в правой части уравнения представляют собой соответствующие
Таблица 4.6 КПД преобразователей энергии
среднеэксплуатационные значения КПД, реализуемые на множестве эксплуатационных режимов. В табл. 4.6 приведены диапазоны значений КПД СУ и ее элементов легковых и грузовых автомобилей, а также для сравнения — КПД других ТС [14].
4.7. Преодоление аэродинамического сопротивления
Аэродинамическое сопротивление определяет энергозатраты при движении на высоких скоростях. Встречный поток воздуха, взаимодействуя с лобовой частью АТС, создает давление на кабину. Обтекая ее стенки, он уплотняется и, срываясь по периметру, образует зоны завихрения. При этом он дробится: одна часть попадает на крышу кабины и, срываясь с нее, завихряется позади кабины, другая — на стенки кузова и частично под кузов, где взаимодействует с элементами ходовой части. Области турбулентного потока (до 1/3 габарита кузова) перемещаются вместе с АТС [17, 28].
При боковом ветре с подветренной стороны кузова образуется зона завихренного воздуха (как бы увеличивающая лобовую площадь).
Формулы для оценки сопротивления воздухаН, и мощности, необходимой для его преодоленияимеют вид

где— коэффициент аэродинамического сопротивления;F — площадь миделевого сечения,— скоростной напор,
—плотность воздуха,— скорость АТС относительно воздуха,— коэффициент обтекаемости, Н • с2/м4;
W — фактор обтекаемости,
Скоростной напор— это сила, которую воспринимает фронтальная сторона куба площадью 1при скоростиотносительно воздуха, имеющего плотностьСчитается, что аэродинамическое сопротивление куба равно единице. Аэродинамическое совершенство телаВ иной формы оценивается отношениемгде— та сила, которую воспринимало бы от напора воздуха телоВ с площадью сеченияЗначениялегковых автомобилей составляют 0,3...0,4; автобусов — 0,5... 0,8; грузовых АТС — 0,6... 1,4.
Коэффициент обтекаемостиравен силе сопротивления воздуха, действующей на 1площади фронтальной плоскости при относительной скорости 1 м/с.Фактор обтекаемостиэквивалентен силе, с которой поток воздуха действует на площадь фронтальной проекции АТС.
Силуподразделяют на несколько составляющих.Сопротивление формыобусловлено разностью между фронтальным давлением перед АТС и давлением позади него.Внутреннее сопротивлениесоздается потоками, проходящими внутри АТС.Сопротивление поверхностного трениявызывается вязкостью пограничного слоя воздуха, движущегося у поверхности АТС.Индуктируемое сопротивлениеявляется результатом взаимодействия продольной и поперечных боковых сил.Дополнительное сопротивлениесоздается выступающими частями.
При скорости ветранаправленного под угломк продольной оси АТС, скорость набегающего потока определяется векторной суммойс углом набегания потокаПлощадь проекции АТС в направлении набегающего потока увеличивается при возрастаниии как следствие увеличиваетсяПоявляющаяся боковая силаприводит к уводу шин и дополнительным потерям энергии.
При встречном соосном ветре

При попутном ветре

Тогда, если АТС движется в некотором направлении при встречном ветре, а обратно — при попутном такой же скорости, средние значения силы и мощности сопротивления

При таком движении наличие ветра увеличивает средние значения силы и мощности сопротивления воздуха. Поскольку в процессе длительной эксплуатации движение с попутным и встречным ветром равновероятно, то всегда

КоэффициентАП зависит от взаимодействия потоков, обтекающих его звенья (и как бы увеличивающих парусность). Приближенно для АП величинаувеличивается на 25 % на каждое прицепное звено и на 10 % — на полуприцепное. Значения коэффициентадля АТС КамАЗ таковы: тягач без тента — 0,56; прицепной АП без тента — 0,65; тягач с тентом — 0,715; седельный АП — 0,78; АП с тентом — 0,83.
У магистральных АП при больших скоростях на преодоление сопротивления воздуха затрачивается до 50 % мощности двигателя.
Уменьшение мощностиобеспечивают улучшением аэродинамических свойств АП, применением дефлекторов и обтекателей. При установке обтекателя на кабине автомобиля КамАЗ-5320 с тентом расход топлива на скорости 70 км/ч может быть снижен на 3,5 %.
4.8. Оптимальное управление автотранспортными средствами
Роль многопараметровых характеристик и распределений режимов в выборе приоритетных режимов двигателя.
Повышение энергоэффективности машины связано с увеличением КПД ее элементов. Однако повышение КПД отдельных ЭСЭ либо на некоторых режимах работы не вполне правильно. Более эффективным является согласование их характеристик и использование приоритетных (с точки зрения энергозатрат) режимов совместной работы всех ЭСЭ.
Весь комплекс факторов, влияющих на функционирование системы двигатель — трансмиссия — машина, формирует текущие рабочие режимы двигателя, распределения режимов работы узлового ЭСЭ и соответствующие этим распределениям энергозатраты. Анализируя распределения режимов и варьируя характеристики, можно наметить пути оптимизации управления системой.
При оптимизации вместо информации о дорожных условиях, интенсивности и составе транспортных потоков и приемах вождения машины можно оперировать данными о распределениях режимов ЭСЭ машины. Например, для того чтобы оценить эффективность использования двигателя, необходимо располагать его МПХа также двумерной плотностью распределения режимов
Рабочие режимы автомобильных двигателей. В рабочем поле двигателя (см. рис. 4.15) режимы отличаются разной весомостью и частотой использования. Среди них есть наиболее характерные. Рассмотрим их, обратившись к рис. 4.35.
Режим XX двигателя реализуется на остановках АТС, при движении АТС накатом и затянувшемся переключении передач КП. Продолжительность этого режима может составлять до 20... 30 % рабочего времени двигателя.
Частичные режимы, занимающие значительную часть середины рабочего поля, имеют в основном неустановившийся характер.
Крейсерский режим реализуется в магистральных условиях, в 80...90%-ной зоне значений
Режим максимальной мощностиреализуется при большом сопротивлении движению, в том числе на высоких скоростях.
Режимы принудительного ЛХ возможны тогда, когда двигатель отсоединен от трансмиссии и при отсутствии подачи топлива снижает частоту вращения КВ. Если двигатель не отключен от трансмиссии и подача топлива мала, то он работает в тормозном режиме (режим ТД).
Режимы торможения .МТ реализуются на затяжных спусках.
Состояние двигателя ТС в каждый момент может быть представлено значениями координат вектора параметров режима, который вычерчивает в поле режимов «траекторию состояния». На рис. 4.36 приведена траектория вектора состояния двигателя

Рис. 4.35. Характерные рабочие режимы двигателя (обозначения см. на рис. 4.15)

Рис. 4.36. Траектории двумерного вектора состояния двигателя ВАЗ-2103 в процессе разгона автомобиля на I—IIIпередачах КП с последующим торможением двигателем:
движение на передачахпереключение передачторможение двигателем; около кривых указано время от начала разгона
ВАЗ-2103 в процессе разгона — торможения двигателем автомобиля в координатах
Непрерывно перемещаясь по рабочему полю, вектор состояния формирует распределение рабочих режимов. Получаемая картина представлена на рис. 4.37, где изображено реальное распределение режимов двигателя ВАЗ-2103. На осях координат отложены относительные значения частоты вращенияпараметра нагрузкии частости. Видны так называемые моды, соответствующие режимамXX, разгона и ПХХ.
Гистограмма распределения вектора режимных параметров двигателя автомобиля КамАЗ-53212 приведена на рис. 4.38.

206

Оптимальное управление силовым приводом АТС с дизелем. Перемещаясь по рабочему полю, вектор состоянияне только формирует распределение рабочих режимов (см. рис. 4.37 и 4.38). В каждый момент в соответствии с текущим значением координат этого вектора реализуются конкретные значения цикловой подачирасхода топлива, крутящего моментасоответствующих значенийи КПД
Существенно также и то, что перемещение вектора состояния из точки в точку МПХ в зависимости от траектории может осуществляться с разной эффективностью. На рис. 4.39, а показано, например, что перемещение из точкиА вВ в процессе разгона на передаче КП по пути1 оптимально по быстродействию, так как реализуются наибольшие значенияобеспечивающие наивысший темп разгона. Путь2 является оптимальным по топливной экономичности, поскольку проходит по линии градиента с наименьшими удельными расходами топлива. Путь3 уступает траекториям1 и2 как по быстродействию, так и по экономичности.
Другая ситуация: движение АТС на скорости=constпри неизменном сопротивлении движению=constтребует реализации мощности=const, где— размерный коэффициент пропорциональности. Например, это возможно напередаче КП при сочетании(рис. 4.39,б) и, кроме того, на-й передаче КП при сочетанииТогда исходя из топологии семейств кривых=constи=constболее эффективным с точки зрения энергозатрат будет режим двигателяD, так как на нем реализация той же мощности осуществляется с меньшимДля механической КП это верно всегда, поскольку, а в случае пря-
мой передачи выигрыш усиливается еще и за счет повышения КПД КП.

При разгоне с переключением передач КП вектор состояния двигателя описывает петлеобразную траекторию (см. рис. 4.36 и 4.40). При этом отношение максимальной частоты вращения
достигнутой на предыдущей передаче, к частотес которой начинается разгон на следующей передаче, обусловлено отношением передаточных чиселТогда, если на каждой передаче проводить разгон до значениято вычерчиваются петли, показанные на рис. 4.40,а. Они располагаются в области высоких значенийи верхние части петель, соответствующие тяговым режимам, обычно минуют «ядро» экономичной работы. Если же на каждой передаче не повышать
до максимума, то и соответствующие начальные значения этой величины на последующих передачах будут меньше, и петли в целом сдвинутся в область более низких частот, соответствующих «ядру» экономичной работы (рис. 4.40, б). Разгон в этом случае потребует меньших затрат топлива.
Совместный анализ распределения режимов и названных характеристик приводит к следующим рекомендациям по минимизации расхода топлива:
• необходимо стремиться к реализации рабочих режимов двигателя в зонах его экономичной работы (с минимумом
• при возможности реализации установившегося режима натребуемом мощностном уровне при нескольких сочетанияхи

Следует выбирать сочетание, соответствующее наименьшему значению
• при реализации переходных режимов с определенным уровнеммощности, запрашиваемым в данной ситуации со стороны АТС,необходимо выбирать перемещение вектора состоянияс наименьшим для отрезка траектории вектора среднеинтегральным значением
• двумерный обобщенный режим двигателя нужно «стягивать» в зону его экономичной работы — уменьшать долю краевых зон МПХ и увеличивать долю режимов зоны экономичнойработы;
• трехмерный обобщенный режимследует «стягивать» в направлении оси е к минимальным значениям этого параметра.
Зная закон распределения режимов двигателяво времени и характеристику расхода топлива в единицу времениможно определить эксплуатационный расход топлива:

где— размерный коэффициент.
Вообще говоря, имея МПХ выработкилюбого ресурса, можно определить интегральную выработку этого ресурса:
(4.26)

Наконец, можно формализовать задачу оптимального управления транспортным двигателем на обобщенном режиме: минимизировать исследуемый вид ресурса при реализации этого режима двигателя:
(4.27)
Реализация стратегии оптимального управления силовым приводом большегрузных автотранспортных средств.
Большегрузные АТС имеют до 20 ступеней трансмиссии — для широкого охвата скоростей и возможности тонкого подбора зоны экономичной работы двигателя. Однако последовательный переход по плотному ряду передаточных чисел при разгоне нерационален, поскольку теряется темп разгона. Поэтому используют делители передач, позволяющие «перешагивать» через ступени сквозного ряда передач, а для тонкого подбора режима — использовать сквозной ряд.
Например, КП Т-15 автомобиля КамАЗ имеет делитель, позволяющий вклинить в основной ряд передаточных чисел (низших — Н) промежуточные числа (высшие — В), образуя таким образом сквозной ряд из десяти передаточных чисел, показанный на рис. 4.41, а.
По результатам расчетного исследования вариантов разгона различных АТС КамАЗ, выполненного с помощью ППП СИМ-была предложена совокупность диаграмм зон использования делителя (рис. 4.41,б) для разных состояний АТС. Это позволило формировать цепочки используемых передач (ЦИП) для различной нагрузки и условий движения (по типу изображенных на рис. 4.41,а).
Сочетание ЦИП и последовательности максимально развиваемых частот вращения KBпо передачам формирует стиль управления разгоном (СУР). С помощью ППП СИМФА проведено исследование множества СУР. «Реперные» последовательности максимальных значенийприведены на рис. 4.41,в. Например, в соответствии с кривой1 на каждой из используемых передач двигатель разгоняется до частоты 2000а согласно
кривой 7— на передаче 1В до 2500а на передаче 5Н — до
2000
Расчеты показали, что в зависимости от СУР разница в расходе топлива на единицу пути разгона АТС КамАЗ до определенной скорости может достигать 17 %. При этом наиболее экономичными являются варианты, отвечающие кривым 1, 4, 5 и 7 с

создавался автором как инструментальное средство для экспериментально-расчетных исследований функционалов (4.25) — (4.27).

низкочастотными невозрастающими последовательностями максимальных значенийчто хорошо корреспондирует с данными, приведенными на рис. 4.40,б. Разница в расходе топлива на крейсерском режиме за счет использования повышенной передачи в отдельных случаях для АТС КамАЗ достигала 9 %.
После широкой апробации результатов приведенного исследования в Руководство по эксплуатации автомобилей КамАЗ были внесены соответствующие рекомендации.
4.9. Энергообеспечение вспомогательных и специальных функций автотранспортных средств, сохранности грузов и жизнедеятельности
Вспомогательные функции обеспечивают вывод на регламентируемый уровень и поддержание в рабочем диапазоне параметров конструкции и режимов движения ТС. К ним относятся тепловая подготовка и поддержание температурного режима элементов конструкции ТС; обеспечение сжатым воздухом элементов тормозной системы, оборудования салонов и др.; обеспечение соответствующей производительности и давлений рабочих жидкостей в гидравлических системах ТС; снабжение электроэнергией осветительных приборов и устройств, световой и звуковой сигнализации, контрольно-измерительных приборов, связи, отопления и вентиляции, пуска двигателя.
Тепловая подготовка и поддержание температурного режима элементов связаны с оборудованием АТС (при отсутствии теплой стоянки) средствами предпускового нагрева и поддержания теплового состояния во время стоянки.
Тепловую подготовку двигателей, аккумуляторов и агрегатов проводят в двух следующих режимах: межсменный подогрев и нагрев перед пуском.
Например, для нагрева охлаждающей жидкости и масла в картере двигателя на АТС КамАЗ используется предпусковой подогреватель ПЖД-30. Его теплоотдача 30,2 кВт/ч, расход топлива 4,5 кг/ч.
Обеспечение АТС сжатым воздухом и давлений рабочих жидкостей рассмотрим на конкретных примерах.
Рабочая тормозная система и усилитель сцепления АП Кам-АЗ-5320 + ГКБ-8350 имеют пневмопривод. Поршневой компрессор обеспечивает подачу воздуха 220 л/мин в баллоны под давлениемНа подкачку затрачивается мощность
1,1...2,6 кВт.
На автомобилях-самосвалах КамАЗ-55111 для работы опрокидывающего механизма платформы кузова от КП передается мощность 8,8 кВт. На 100 циклов подъема-опускания расходуется 4,5 л топлива.
Специальные функции свойственны специализированному подвижному составу: рефрижераторам, кранам, бетоновозам, коммунальным и другим ТС. Приведем некоторые данные о специализированных АТС КамАЗ.
Полуприцепы-рефрижераторы ОдАЗ-9772 оборудованы хо-лодильно-обогревательной установкой БИС-39 производительностью 3500 ккал/ч. Вместимость кузова ОдАЗ-9772 36Обеспечивается температурный перепад в режиме обогрева, составляющий 32 °С, в режиме охлаждения — 50 °С.
Полуприцеп-цистерна модели 9676 предназначена для перевозки светлых нефтепродуктов. Используется тягач КамАЗ-5410. Топливозаправщик осуществляет заправку топливом автомобилей и дорожных машин. Вместимость цистерны 16 300 л. Производительность гидронасоса 500 л/мин. Продолжительность слива 33 мин.
Автобетоносмеситель СБ-92В-1 6 х 4.2 установлен на шасси автомобиля КамАЗ-55111. Оборудование включает в себя загру-зочно-погрузочное устройство, смесительный барабан, привод вращения барабана, бак для воды с оборудованием для ее подачи. Максимальный объем перевозимой смеси 
Обеспечение жизнедеятельности характеризуется созданием рабочих условий для персонала и комфорта для пассажиров: приемлемые температура, влажность, чистота воздуха, освещенность и плавность хода.
Обеспечение сохранности груза заключается в поддержании требуемого уровня параметров температурного и влажностного режимов, плавности хода, а также других требований, выполнение которых связано с энергозатратами.
Глава 5
ЭНЕРГЕТИКА КОМПОНЕНТОВ
И ИНФРАСТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТА

5.1. Производство автотранспортных средств
Энергоемкость конструкции АТС определяется суммарной энергией, вложенной в нее на стадии изготовления, и зависит от объема производства, характеристик станочного парка и оборудования, массы объекта, номенклатуры используемых материалов и пр. Структура энергопотребления, %, в автомобилестроении такова: приведение в действие станков и оборудования — 46, электротермия — 19, получение сжатого воздуха — 16,электролиз — 6, вентиляция и кондиционирование — 6, освещение — 5, водопользование — 2. Значения КПД машин, механизмов и оборудования, применяемых в основных энергетических процессах, представлены в табл. 5.1 [7].


Энергозатраты, кВт • ч/кг, при производстве материалов, используемых в жизненном цикле (ЖЦ) АТС, таковы: сталь, чугун — 15; алюминий — 58; медь — 26; свинец — 23; пластмассы — 34; резина — 41; лаки, химикаты — 7; кислоты — 0,18; бензин — 5; дизельное топливо — 3,5; СНГ — 0,14; СПГ — 0,23; масло — 50; антифриз — 4 (здесь и далее выделены данные, которые понадобятся при выполнении расчетов в подразд. 5.8.2). Энергоемкость АТС коррелирует с их массой. На рис. 5.1 представлены данные о содержании материалов в конструкциях АТС [18, 19].

Рис. 5.1. Доля различных материалов в конструкциях автомобилей
Энергозатраты на изготовление узлов и сборку легкового автомобиля массой 1,16 fи грузового массой 18 т приведены в табл. 5.2[19].
Таблица 5.2 Энергозатраты, ГДж ( %), на изготовление АТС

Насколько высок уровень этих затрат? Воспользуемся данными табл. 5.2. В мире существует 460 млн легковых автомобилей, которые обладают вложенной энергией 460 •• 8,06 ГДж =. = 0,126 Гт у.т., и140 млн грузовых автомобилей с вложенной энергией 140 •• 523 ГДж = 2,5 Гт у. т., что в сумме численно равно 1/6 части мирового потребления энергии за год.
5.2. Строительство и содержание автомобильных дорог
Система производств в дорожном строительстве. Энергетический эквивалент 1 км автомагистрали определяется расходом топлива транспортного потока интенсивностью 10 тыс. автомобилей/сут при движении его по этому отрезку в течение 4 лет и составляет около 5 •Дж. Это немало.
Схема системы производств в дорожном строительстве приведена на рис. 5.2. Она включает в себя добычу сырья, производство строительных материалов и полуфабрикатов, собственно строительство (прокладка трассы, отсыпка полотна, возведение сооружений, укладка основания, нанесение покрытия), а также содержание и ремонт дороги (техническая эксплуатация, ремонт, утилизация отходов). Неоднократное использование перевозок отображено в виде двухслойной схемы взаимодействия, где затемненными стрелками представлен слой потока транспортных услуг, а светлыми — слой передачи энергии, вложенной в объекты.
Строительство автомобильных дорог (АД) осуществляется с применением машин и механизмов, работа которых требует определенных энергозатрат. АД заключает в себе вложенную энергию, т.е. суммарные энергозатраты на всех стадиях ЖЦ этого объекта. Энергозатраты в дорожном строительстве удобно представлять как сумму энергозатрат по видам работ.
Энергетика строительных материалов. Объемы и темпы строительства и содержания АД определяют развитие производства дорожно-строительных материалов на камнедробильных заводах, базах по приготовлению вяжущих материалов,

Рис. 5.2. Схема системы производств в дорожном строительстве и транспортных услуг:
поток транспортных услуг;передаваемый поток энергии, вложенной в объекты эмульсий, заводах по переработке гудрона в битум, асфальтобетонных (АБЗ) и цементобетонных (ЦБЗ) заводах, заводах железобетонных конструкций (ЖБК) [19].
Энергозатраты на исходные материалы — это то количество энергии, которое необходимо для подготовки (в карьере, на заводе) 1 т материала к использованию в дорожном строительстве. Среднее количество вложенной энергии, МДж/т, составляет: природный песок, гравий — 20; щебень — 60; отходы в карьерах — 70; битум — 620; цемент — 8000 [32].
Песок и гравий. Разброс затрат энергии на выемку и первичную обработку составляет 4... 45 МДж/т при среднем значении 20 МДж/т.
Щебень. При приготовлении щебня 17 % энергии расходуется на бурение и взрывные работы, 10 % — на погрузку и перемещение в технологическом цикле и 73 % — на дробление породы. Энергия, необходимая для производства щебня, изменяется в зависимости от типа камня, расположения, конфигурации и оснащенности карьера, положения слоев, толщины вскрыши и составляет 40...80 МДж/т. Средняя энергия, затрачиваемая на обработку 1 т заполнителей всех типов, равна 60 МДж, что эквивалентно 1,5 л дизельного топлива.
Битумные материалы. Потребность в энергии для получения битума находится в пределах 300...700 МДж/т и зависит от качества сырья и совершенства технологических процессов.
Цемент. Энергозатраты на производство цемента в 10 —13 раз больше, чем на изготовление битума. Источниками энергии служат уголь, нефть, подземный газ и электрический ток. В среднем для производства 1 т цемента требуется 8,0 ГДж энергии. Лучшие мировые показатели приближаются к 3,5 ГДж/т.
Стальная арматура для цементобетонных покрытий. Средний уровень затрат энергии на производство стали для арматуры 27 ГДж/т.
Энергия строительства автомобильных дорог. Энергопотребности собственно строительства АД включают в себя две категории:
энергию в виде топлива, используемого при транспортировании материалов и полуфабрикатов;
энергию, применяемую в виде топлива в дорожно-строи-тельных машинах и оборудовании.
Показатели потребления топлива по видам работ приведены в табл. 5.3 [32].
Земляные работы. На возведение полотна АД приходится 50...60% общих энергозатрат. При возведении полотна основные энергозатраты связаны с транспортом. Они зависят от дальности возки и грузоподъемности самосвалов. В табл. 5.4
Таблица 5.3 Показатели потребления топлива при строительстве АД

приведены потребные объемы земляного полотна [19]. При сооружении полотна в равнинной местности из выемок получают 40 % объемов насыпей, в пересеченной — 60 %, в горных условиях — 100 %. На строительство из боковых резервов приходится 20 % общей протяженности дорог.
При проведении земляных работ важным является соблюдение геометрических параметров, что требует многократных энергоемких проходов техники — грейдеров, бульдозеров. Обязательное уплотнение грунта, щебня и асфальтобетона является главной операцией, обеспечивающей прочность и долговечность полотна АД.
Существует несколько видов технических средств грунтоуп-лотнения, но основным является самоходный одновалыдовый виброкаток, шарнирно сочлененный с пневмоколесным тягачом и имеющий в качестве рабочего органа гладкий или кулачковый валец. Уплотнение грунта происходит под воздействием двух факторов: вибрации и динамических частоударных нагружений.
Таблица 5.4 Потребные объемы земляного полотна, тыс.дороги

Относительная значимость этих факторов, в том числе частоты и амплитуды колебательных процессов (виброускорения доа также давления на грунтзависит от типа и состояния грунта. Толщина обрабатываемого слоя может составлять 2 м. Поэтому общая масса катков может достигать 25 т, вибровальцового модуля — 18 т, а требуемая мощность для их работы — 150 кВт.
Энергетические потребности для возведения слоев оснований АД. На устройство дорожной одежды приходится 15...30% общих энергозатрат. Строительство и реконструкция дорог и инженерных сооружений на них связаны с потреблением значительных объемов не только природных строительных материалов, но и битума, металла, краски, термопласта. Удельное потребление битума и металла составляет соответственно 610 и 820 кг/км [19].
Укладка слоев основания и их уплотнение могут отличаться по энергопотреблению из-за изменения состава смеси. Для нанесения связующих слоев, укладки битумных оснований и асфальтобетонных смесей потребность в энергии составляет 18 МДж/т.
Исходные материалы для основания под дорожное покрытие доставляют на смесительный пункт, а затем укладывают смеси. Каждая операция требует расхода определенного количества энергии. Энергопотребление,при укладке слоя дорожного основания толщиной 1 см с учетом работы смесителя, ТС, укладчиков и катков следующее: из щебня — 5... 8; тощего бетона — 16; укрепленного цементом — 10... 20; битумопесчаного —10; битумогравийного — 12; укрепленного золой — 5...8.
Видно, что битумное основание с точки зрения экономии энергии остается конкурентоспособным по отношению к цементному.
Сумма энергии строительстваи энергии транспортированияопределяет количествопрямой топливной энергии. Об уровне энергозатрат на транспортирование можно судить исходя из примера возведения основания из дробленого щебня: при расстоянии перевозки 32 кмсоставляет 60 % общей энергии, а при 208 км — 89 % общей энергии.
Прямая топливная энергия строительства бетонных оснований превосходит соответствующую энергию для щебеночного или обработанного битумной эмульсией основания: энергия производства цемента значительно увеличивает общую энергию для всех категорий оснований.
Асфальтобетонные покрытия. Из энергии, необходимой для приготовления и укладки асфальтобетонной смеси, на получение смеси на АБЗ в условиях России расходуется 38 %, транспортирование смеси к месту строительства (на расстояние 20 км) — 59,5 %, укладку и уплотнение — 2,5 %.
Энергоемкость асфальтосмесителей формируется в соответствии с реализацией составляющих рабочих процессов на АБЗ: сушки и нагревания заполнителя; хранения и нагревания битума; транспортирования холодного заполнителя; приведения в действие сушильного барабана и отсоса пыли; перемешивания.
Сушка и нагревание заполнителя. Для снижения на 1 % влажности 1 т заполнителя требуется 29,5 МДж энергии. Для сушки 1 т заполнителя с 5%-ной влажностью с нагреванием от температуры 21 до 163 °С и сопутствующими сушке прочими процессами необходимо около 240 МДж/т.
Хранение и нагревание битума. Затраты энергии, связанные с хранением битума, составляют около 7 МДж/т. Затраты на поддержание температуры разогретого битума — того же уровня. Передовые технологии, при использовании которых битум нагревают один раз на НПЗ и доставляют на АБЗ по часовому графику, в России пока не применяются повсеместно. Крайний случай — повторный разогрев холодного битума — требует энергии до 700 МДж/т.
Транспортирование холодного заполнителя. При расходе бензина погрузчиком 25 л/ч и часовой подаче им в питатель 200 т заполнителя энергоемкость этой операции приблизительно равна 5 МДж/т.
Сушильный барабан и отсос пыли. Расход энергии на приведение в действие сушильного барабана и отсос пыли составляет около 5 МДж/т.
Приготовление смеси. Если оборудование состоит из теплого элеватора, теплого грохота, насоса для подачи связующего материала, дозатора заполнителя, смесителя с принудительным перемешиванием и бункера готового материала, энергоемкость смеси приблизительно равна 4 МДж/т.
Таким образом, энергоемкость приготовления 1 т асфальтобетонной смеси в традиционной асфальтосмесительной установке при сухом заполнителе составляет около 21 МДж/т. При использовании барабанного смесителя этот показатель на 16 % меньше.
В среднем расход топлива на приготовление асфальтобетонной смеси составляет 11,3 л/т, в том числе на нагревание и сушку заполнителей — 7,5 л/т, перевозку, укладку и уплотнение — 3,8 л/т.
Укладка теплой с м е с и. Производительность укладки асфальтобетонных смесей зависит от применяемой технологии и производительности дорожно-строительных машин. Допустим в качестве примера, что часовая производительность при укладке составляет 150 т/ч. Для распределения и уплотнения смеси имеется один асфальтоукладчик и три катка. Расход дизельного топлива каждой машиной 17 л/ч. Тогда удельный расход энергии на укладку составляет 4 • 17 • 38,7/150 = 17,5 МДж/т.
Поверхностная обработка — это процесс создания на дорожных покрытиях тонкого слоя с целью обеспечения их шероховатости, водонепроницаемости, износостойкости и плотности. Процесс разбрызгивания битума состоит из двух частей: нагрева связующего материала и собственно разбрызгивания. В табл. 5.5 приведена энергоемкость рабочих операций для различных связующих материалов.
Поверхностное распределение измельченного щебня. При мощности распределителя щебня 44 кВт, скорости его движения 137 м/мин, ширине разбрасывания 3,7 м энергия, необходимая для распределения, составляет 12 кДж/.
Уплотнение холодной с м е с и. Усредненный показатель расхода топлива укатывающими катками составляет 13... 17л/ч. При толщине слоя 2,5 см и ширине 3,7 м уплотнение обеспечивается за четыре прохода катка. При скорости катка 4,8 км/ч его производительность 4440/ч. При этом удельная энергоемкость на 1 см толщины слоя равна 60 кДж/
Изготовление покрытия. Для получения покрытия из 1 т смеси (распределение смеси асфальтоукладчиком и уплотнение катками) требуется 2 л дизельного топлива. -

На изготовление 1000двухслойного асфальтобетонного покрытия с однократной поверхностной обработкой расходуется 506...737щебня и 36песка при использовании щебня в качестве материала основания [19].
Цементобетонные покрытия. В передовых странах затраты энергии на получение покрытий из цементобетона в три раза выше, чем из асфальтобетона.
Цементобетонные заводы. Цементобетонные смеси приготавливают на ЦБЗ. Транспортирование заполнителя на ЦБЗ по энергоемкости аналогично его транспортированию на АБЗ (5 МДж/т). Расход энергии при использовании бетоносмесителя производительностью 230/ч вместе с пневмотранспортером, автоматическим дозатором и погрузчиком составляет 7,3 МДж/т.
Изготовление покрытия. Рассмотрим следующий пример. Укладка цементобетонного покрытия осуществляется с помощью бетонораспределителя и бетоноукладчика, каждый мощностью 130 кВт, с производительностью 230/ч и расходом энергии 1,54 ГДж/ч. Две машины для отделки и выглаживания (мощностью 7,5 кВт каждая), работающие на бензине, потребляют энергию 120 МДж/ч. Общее потребление энергии составляет 1,66 ГДж/ч. Машина для нарезки швов с двигателем мощностью 32 кВт и производительностью 3 м/мин потребляет энергию 1 МДж/л на 1 пог. м шва [32].
На 1000однослойного цементобетонного покрытия на подстилающем слое из песка расходуется,, песка — 371 и щебня — 190, при получении двуслойного покрытия необходимо песка — 280 и щебня — 208 [19].
Сравнение по виду покрытия показывает, что строительство дорог с цементобетонным покрытием менее энергоемко, чем с асфальтобетонным: для дороги Iкатегории различие составляет 11,4%,IIIкатегории — 4,7 %. При формировании дорожной одежды из асфальтобетона энергозатраты ниже, чем при использовании цементобетона. Однако приготовление асфальтобетонных смесей более энергоемко, чем цементобетонных, что и обусловливает указанную разницу в общих энергозатратах.
Средние значения энергозатрат, МДж/м, на изготовление основных видов дорожного покрытия при толщине слоя 1 см составляют:
Нижний слой асфальтобетонного покрытия 12... 14
Асфальтобетонное покрытие на основе гравия 12
Асфальтобетонное покрытие 14
Асфальтобетонное покрытие с крупным щебнем 15
Литой асфальт 22
Шероховатое покрытие 15
Цементобетонное покрытие 28
Энергозатраты на уплотнение катком асфальтобетона различных типов примерно одинаковы. Высокая энергоемкость литого асфальта по сравнению с асфальтобетоном объясняется значительно (в три раза) большим содержанием битума и минерального порошка, высокой температурой (220...260°С), которую необходимо поддерживать при транспортировании в специальных асфальтовозах. Но существенные энергозатраты компенсируются более продолжительным сроком службы. Энергозатраты на строительство цементобетонного покрытия вдвое больше, чем асфальтобетонного.
Энергия транспортирования асфальто- и цементобетона отличается незначительно при одинаковых расстояниях возки, однако она различается при транспортировании на короткие и длинные дистанции. Энергия обработки (исключая тепловую энергию) для асфальтобетона значительно ниже, чем для цементобетона или армированного бетона. Однако если учесть расход тепловой энергии, то общие энергетические потребности для асфальтобетона превышают потребности для цементобетона.
Анализ с использованием удельных энергозатрат. Энергозатраты при строительстве участка дороги связаны с расходом моторного топлива в двигателях строительно-дорожных машин и энергоресурсов в технологических процессах строительства. Удельные энергозатраты при строительстве АД зависят от вида дорожного покрытия и других факторов (табл. 5.6) [19].
Удельные энергозатраты в технологических процессах строительства приводят к толщине соответствующего слоя покрытия в 1 см. Эти данные используют для оценок энергозатрат в строительстве дорог при известной толщине каждого слоя покрытия. Так, для сооружения 1 м2дороги, имеющей толщину, см, моро-зозащитного слоя грунта — 25, укрепленного слоя грунта — 15, несущего — 15, битумно-связующего — 10, слоя асфальта — 10, расход энергоресурсов составляет около535 МДж/м2 [19].
Энергия содержания и ремонта АД. Содержание АД включает в себя обустройство и эксплуатацию инженерных объектов, средств связи, сигнализации и управления движением, средств контроля технического состояния АД и др. Все названные объекты и действия являются энергоемкими.
Осветим один аспект — уборку снега с городских дорог (в Москве за год вывозится 35 млн м3снега [11]). Наличие в снежной массе большого числа веществ с превышением ПДК в сотни раз обусловливает ее вывоз в те места, где при ее плавлении можно осуществить очистку. Три основных способа утилизации — речной сплав, «сухие» снегосвалки и снегосплавные пункты — требуют энергозатратной уборки и транспортирование снега, а последний способ — существенных энергозатрат на плавку снега и операции с оседающим мусором.
Таблица 5.6
Вид работы с материалом Морозо-защит-
ный
слой Укрепление земляного полотна Щебеночный несущий слой Гравийный несущий слой Битумный
несущий
слой Битумный связующий слой Битумный слой Бетонный слой
АБ асфальт Добыча 15,9 15,9 73,9 16,0 58,1 66,2 90,2 117,7 852
Погрузка 5,03 5,03 6,6 6,6 — — — — —
Транспорти- 99,5 99,5 99,5 99,5 99,5 99,5 99,5 129,3 99,5
рование Распределение 0,27 0,27 0,5 0,43 — — — — —
Уплотнение 0,77 0,77 1,55 1,16 — — — — —
Эксплуатация — — — — 259 255 255 286,4 6,19
смесителей Распределение — — — — 17,4 17,4 17,4 4,26 2,71
и уплотнение Перемешивание заменителя ------ 49,15 — — — — — — —
Удельные энергозатраты в дорожном строительстве, МДж/т
Данные по снегосплавному пункту автобусного парка № 10 Москвы таковы: тепловая мощность 170 кВт; скорость плавления снега 15 т/ч; расход дизельного топлива 170 л/ч [11].
Дорожные покрытия с бесконечным сроком службы являются несбыточной мечтой транспортников. Множество эксплуатационных факторов рано или поздно приводит к появлению дефектов на дорожном покрытии. Первичными дефектами являются трещины. Неотремонтированные трещины превращаются в очаги разрушения дорожной одежды.
Ремонтные воздействия на АД различаются по степени регулярности, периодичности, оперативности и объему работ. В каждое воздействие вкладывается энергия. При осуществлении ремонта дороги традиционными технологическими процессами являются следующие [19]:
удаление верхнего слоя дорожного полотна фрезой (энергозатраты связаны с получением и расходом тепловой энергии на размягчение верхнего слоя асфальта и на приведение в действие фрезы для снятия этого слоя);
ремонт дорожного покрытия (после фрезерования поверхность дорожного полотна разогревают, разрыхляют, выравнивают, наносят битумную смесь, которую затем уплотняют);
заделка швов (энергозатраты связаны с очисткой швов, изготовлением материала для заделки и балластировкой швов);
транспортирование отходов до места хранения или переработки (энергозатраты связаны с расходом топлива в двигателях ТС).
В табл. 5.7 приведены данные об энергопотребности ремонтных работ [30].
Рассмотрим пример [19]: при ремонте дороги замена верхнего слоя дорожного полотна толщиной 10 см сопровождается потреблением 178 МДж/м2энергии, удаление слоя фрезой — 85 МДж/м2 и транспортирование отходов до места переработки — 27 МДж/м2. В результате суммарные энергозатраты на ремонт дорожного покрытия толщиной 10 см составят290 МДж на 1 м2поверхности дороги, что примерно в два раза меньше, чем на сооружение новой дороги.
Отсутствие своевременного и надлежащего ремонта сети российских АД пагубно отражается на состоянии их покрытий и условиях движения транспорта. Объемы «умирающих» дорог с истекшими Сроками службы и низким качеством покрытий продолжают превышать объемы ремонтируемых [11]. Это оборачивается значительным сокращением долговечности конструкций, снижением уровня сохранности грузов и комфорта пассажиров, дополнительными потерями энергии.
Новым рентабельным методом реанимации дорожной сети является холодный ресайклинг дорожной одежды на месте [11]. Данный метод обеспечивает 30%-ное сокращение суммарных
Таблица 5.7
Энергопотребности ремонтных работ

энергозатрат в сравнении с обычно применяемым методом фрезерования и вывозом крошки на склад (для последующей заводской переработки и возврата, обмена АБС).
Энергия транспортирования. Энергетические показатели перевозок строительных материалов обладают большим разбросом из-за влияния многих факторов: типа оборудования, нагрузки при ездке, скорости, условий местности, состояния транспорта, водительского мастерства. Большинство перевозок материалов осуществляется по дорогам без покрытий при низких скоростях. Исключение составляют перевозки на большие расстояния при оптимальных нагрузках и скоростях. Обратные рейсы обычно порожние, что сказывается на производительности.
Средние энергозатраты грузовых автомобилей, используемых в строительстве АД, приведены в табл. 5.8 [32].
Таблица 5.8
Средние энергозатраты грузовых автомобилей в строительстве АД


Средний удельный расход энергии при транспортировании материалов на автомобилях с бензиновыми двигателями составляет 4,4 МДжДт- км), а с дизелями — 2 МДжДт- км). Потребление топлива трехосными автомобилями грузоподъемностью
Таблица 5.9 Потребление топлива при перевозке смесей автомобилями

Таблица 5.10
Характеристики автомобилей КамАЗ, применяемых в строительстве АД

228
10 т при перевозке смесей приведено в табл. 5.9 (машины загружены в одном направлении, а возвращаются порожними).
Основные энергозатраты на транспортирование зависят от дальности возки (возрастают с ее увеличением) и грузоподъемности автомобилей (см. рис. 5.3). Оптимальные энергозатраты свойственны автомобилям-самосвалам грузоподъемностью 12... 18 т [32]. В табл. 5.10 приведены характеристики автомобилей КамАЗ, используемых в строительстве АД.
5.3. Поддержание работоспособности техники и персонала
5.3.1. Поддержание работоспособности подвижного состава
В процессе работы машины изнашиваются, их работоспособность снижается. Для поддержания их работоспособности и показателей функционирования предусмотрена система технического обслуживания (ТО), планового и текущего ремонта (ТР).
При восстановлении работоспособности ТС осуществляются уборочно-моечные, контрольно-регулировочные, крепежные, подъемно-транспортные, разборочно-сборочные, слесар-но-механические, кузнечные, жестяницкие, сварочные, медницкие, смазочно-заправочные, аккумуляторные, окрасочные и другие работы. Они связаны с расходом материалов и энергоресурсов, загрязнением окружающей среды.
Удельные энергозатраты на участках и предприятиях характеризуются отношением годовых объемов энергопотребления к среднегодовому пробегу группы АТС. Прямые энергозатраты на
Таблица 5.11 Расход материалов на ремонт и восстановление автомобилей (без запчастей), г/1000 км пробега

Таблица 5.12 Расход материалов в виде запчастей при выполнении ремонта АТС, г/1000 км пробега

постах обслуживания, ремонта и при маневрировании АТС в АТП составляют, кВт • ч/1000 км [19]: ВАЗ-ПИ - 174; ГАЗ-2410 -205; ГАЗ-5312 - 148; ЛиАЗ-6б7М - 145; КамАЗ-5320 - 110; КрАЗ-260 - 220.
При ТО и ремонте используются материалы с энергией, вложенной при их изготовлении (табл. 5.11), а также материалы в виде запчастей (табл. 5.12).
Доля энергозатрат при выполнении капитального ремонта в суммарном энергопотреблении мала и не превышает 0,2 % [19].
Организация работ и энергопотребление при поддержании работоспособности дорожно-строительной техники принципиально не отличается от соответствующих мероприятий для АТС.
5.3.2. Производственно –технологические и коммунально-бытовые тепло- и топливопотребители
предприятий автомобильного транспорта
Характеристики основных технологических процессов — потребителей теплоты. ПредприятияATпотребляют теплоту на производственно-технологические и коммунально-бытовые нужды. Потребители теплоты различаются по виду и температуре теплоносителя, тепловой нагрузке, режиму потребления теплоты. Основные технологические процессы-потребители, использующие теплоту пара или горячей воды, перечислены в табл. 5.13 [6]. На технологические нужды и отопление помещений расходуется около 60 % топлива, поступающего на предприятияAT.
Опишем особенности применяемого оборудования.
Выварочные ванны. Перед дефектацией и ремонтом детали АТС подвергают очистке от грязи, масла, старой краски и отложений. Для этого используют выварочные ванны, представ ляющие собой металлические емкости с пароводонагревателем. Очищаемые детали погружают в специальный раствор, подогретый до температуры 90...95 °С. Расход теплоты на 1 т очищенных деталей составляет 1,07... 1,2 ГДж.
Таблица 5.13 Технологические процессы — потребители теплоты на предприятиях AT
Технологический процесс Давление пара, кПа Примечание
Обмывка ремонтируемых деталей 300...400 Можно исполь-
автомашин моющим раствором зовать пар более
и водой с температурой 80... 90 °С низкого давле-
для удаления грязи, масла, старой ния и нагретую
краски и коррозионных отложений воду
Наружная обмывка автомобилей 300 ...400 Тоже
водой с температурой 60... 70 °С Подогрев смазочных материалов 500...700 »
при хранении и раздаче Сушка после пропитки обмоток 500... 700 »
ремонтируемых электромашин и электроаппаратуры в автоклавах и сушильных печах при температу- ре 160... 180 "С Подогрев нефтепродуктов при 500...600 Пар может быть
сливе из цистерн и в хранилищах заменен нагре-
топливного склада той водой
Приготовление и подогрев воды 300...400 Приготовление
для систем охлаждения ДВС дистиллята в испарителях
Промывка и выщелачивание секций 300...400 —
водовоздушных холодильников; промывка (кипячение) секций масляных холодильников; пропарка для очистки цилиндровых блоков ДВС Обогрев в холодное время года 300 ...400 Душирование
автомобилей при постановке на горячим
смотровые канавы в отделениях воздухом
осмотра и приемки Моечные машины. На СТО и АРЗ для очистки деталей применяют моечные машины непрерывного и периодического действия. Загрязнения удаляют с деталей раствором каустической соды, нагретым до температуры 80...90°С. Раствор поступает под давлением через сопла душирующей системы. Очищенные детали обмываются в машине водой и просушиваются потоком воздуха из вентилятора. Для подогрева раствора и воды используется пар с температурой 130... 150 °С. Расход теплоты на единицу массы очищаемых деталей, зависящий от категории и режима работы машин, соизмерим с расходом теплоты в выварочных ваннах.
Устройства для обмывки и очистки подвижного состава. Перед рейсом, ремонтом или осмотром кузов и ходовые части автомашин должны быть очищены от грязи. Для обмывки и очистки применяют открытые стационарные и закрытые подвижные устройства.
Обмывку АТС проводят водой, подогретой до температуры 45... 80 "С, с использованием моющих растворов, подаваемых насосами через сопла под давлением 1 МПа. Доступные поверхности очищаются с помощью щеточных устройств. С ростом температуры воды качество очистки повышается, но увеличивается расход теплоты.
После обмывки АТС подвергают сушке подогретым воздухом. Расход пара в обмывочных установках мощностью до 140 кВт составляет 200...300 кг/ч.
Подогрев нефтепродуктов на предприятиях AT. Нефтепродукты хранятся в стальных наземных, бетонных или железобетонных подземных (полуподземных) резервуарах. Резервуары оборудуются дыхательными и предохранительными клапанами, огневыми предохранителями, смотровыми и замерными устройствами, устройствами для подогрева.
Рекомендуемые температуры подогрева нефтепродуктов при сливе не превышают 6 °С. При очистке вязкие нефтепродукты подогревают до 50...60 °С в емкостях, в которых проводят их отстаивание. Теплота, расходуемая на подогрев нефтепродуктов, уходит в окружающую среду.
5.3.3. Нормирование расхода топлива на автомобильном транспорте
Классификация норм расхода топлива и методы их расчета. Эффективность использования топливно-энергетических ресурсов зависит от нормирования расхода теплоты и топлива предприятиями.
Оценка потребностей в энергетических ресурсах предприятий и служб ATбазируется на научно обоснованных нормах удельного расхода энергии. Обоснованная норма включает в себя как полезные затраты энергии, так и технически неизбежные потери, связанные с особенностями технологии производства или эксплуатируемого объекта.
Научно обоснованное нормирование позволяет выявить пути повышения коэффициента полезного использования энергии. Потери энергии, обусловленные эксплуатацией неисправного оборудования, низкой технологической и исполнительской дисциплиной, плохим состоянием машин и механизмов, в норму не включаются.
Нормы удельного расхода топлива подвижным составом и строительно-дорожными машинами делятся на три группы: индивидуальные, групповые и отраслевые.
Индивидуальная норма — это норма расхода топлива, необходимого для выполнения единицы транспортной работы в зависимости от типа машины и конкретных условий эксплуатации. Индивидуальная норма является опорной при разработке групповых норм.
Групповая норма учитывает конкретные условия работы группы однотипных машин. Эту норму устанавливают для выполнения однотипной повторяющейся номенклатуры транспорт-но-технологических операций. Она рассчитывается по объемам транспортной работы как средневзвешенная величина из индивидуальных норм. Групповые нормы определяются на основе анализа статистических данных о фактических расходах топлива за определенный период.
Отраслевые нормы составляются на основе индивидуальных и групповых норм. Они охватывают всех потребителей энергии различных служб и подразделенийAT.
При разработке норм расхода топлива пользуются тремя методами: экспериментальным, расчетно-статистическим и аналитическим.
Экспериментальный метод применяется при разработке индивидуальных маршрутных норм для конкретных условий эксплуатации. Данный метод наиболее трудоемкий. Достоверность оценок обеспечивается большим числом реализаций.
Расчетно-статистический метод основан на анализе статистической информации о фактических расходах топлива и факторах, влияющих на эти расходы, с использованием моделей множественной регрессии.
Этот метод не позволяет учесть многие эксплуатационные факторы. Однако создание регрессионных моделей расхода топлива упрощает нормирование. Данный метод удобен при разработке групповых норм.
Аналитический метод отличается оперативностью и автономностью расчета на различных уровнях. Метод предусматривает расчетное определение расхода топлива по отдельным статьям транспортного процесса и условиям эксплуатации. Ему присущи сложности в разработке математической модели, учитывающей широкий круг различных факторов. Точность метода обеспечивается полнотой математической модели, но требует серьезной экспериментальной проверки.
Нормирование расхода топлива для транспортных машин и механизмов. При нормировании расхода топлива транспортными машинами и механизмами удельные расходы устанавливаются в килограммах условного топлива на измеритель работы с учетом условий и режима эксплуатации, а также конструктивных особенностей техники. При этом нормируются расходы стандартизированных сортов топлива. В зависимости от типа машин, выполняемой работы и системы учета нормы устанавливаются на 100 т • км транспортной работы, 100 км пробега, один час работы машины или механизма.
Нормы расхода топлива принимаются для средних условий эксплуатации с учетом минимизации потерь при транспортировании, хранении и раздаче топлива, систематического контроля за расходом топлива каждой машиной и индивидуальной регулировки топливной аппаратуры машины.
Для специальных транспортных машин, механизмов, бортовых автомашин и автобусов в зимнее время разрешается повышать нормы расхода топлива: в южных районах — на 5 %, в зоне умеренного климата — на 10 %, в северных районах — на 15 %, а в районах Крайнего Севера — на 20 %.
При эксплуатации машин на дорогах с усовершенствованным покрытием в зимнее время и на дорогах с каменным покрытием в течение всего года нормы снижаются на 10 %, а при усовершенствованном покрытии в летнее время — на 20 %.
Для передвижных электростанций норму расхода топлива устанавливают в килограммах топлива на 1 кВт • ч выработанной энергии.
Экономия теплоты и топлива при эксплуатации стационарных установок. Относительное несовершенство теплоэнергетического хозяйстваATи нехватка квалифицированных кадров для его обслуживания приводят к перерасходам теплоты и топлива.
Основные направления совершенствования теплоэнергетического хозяйства ATследующие:
централизация теплоснабжения предприятий AT— отказ от услуг большого числа мелких котельных в пользу централизованного теплоснабжения от одного источника энергии, имеющего высокий КПД;
повышение эффективности и экономичности собственных котельных установок путем оптимального распределения нагрузки между котлами, перевода котельных агрегатов на газообразное и жидкое топливо, механизации и автоматизации работы котельных агрегатов;
возврат конденсата в котельную.
5.4. Погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы
Погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы (ПРиТСР) являются важной и энергоемкой составляющей перевозочного процесса. В некоторых странах на эксплуатацию, например, только парка машин напольного безрельсового электротранспорта приходится около 4 % всей вырабатываемой энергии.
В настоящее время доля погрузочно-разгрузочных работ (ПРР) в себестоимости доставки грузов может достигать 70 %, что совершенно неоправданно [8].
ПРиТСР выполняют с помощью подъемно-транспортных машин (ПТМ), общие характеристики которых приведены в табл. 5.14.
Снижению удельных энергозатрат способствует объединение машин, механизмов, устройств, зданий и сооружений, предназначенных для комплексной механизации ПРиТСР, в транспортно -технологические комплексы. Особое значение имеет создание в портах и станцияхтранспортно-технологических терминалов, обеспечивающих высокомеханизированное проведение всех ПРиТСР по обработке грузов (пассажиров), их перемеще нию с одного вида транспорта на другой. Снижению удельных энергозатрат способствуетконтейнеризация.
Таблица 5.14 Общие характеристики подъемно-транспортных машин
Класс машин Основные типы машин Основная
техническая
характеристика
Погрузочно-разгрузочные Инерционно-разгрузочные, ковшовые загрузчики, гидронасосы, пневмозахватыва-ющие устройства, погрузчики Производительность
Грузоподъемные Авто- и электропогрузчики, домкраты, подъемные краны, тали Грузоподъемность
Транспортирующие Автокары, гидротранспорт, конвейеры, роботы-тележки, рольганги, тележки с подъемной платформой Производительность
Транспортно-склад-ские Автоматические складские комплексы, автоматизированные стеллажные штабе-леры, ручные штабелеры, механизированные стеллажные штабеллеры Темп складирования
Оценим в качестве примера долю энергозатрат на ПРР при перевозке угля, продолжив решение задачи 7.1, рассмотренной в работе [8]. Там рассчитано необходимое количество автосамосвалов МАЗ-457040 и ковшовых погрузчиков Д-565, работающих 7 ч в сутки, для вывоза со склада ежесуточно 900 т угля. При коэффициенте использования объема ковша= 0,9, коэффициенте использования погрузчика= 0,68 требуется два погрузчика. Для бесперебойной работы погрузчиков при протяженности маршрута с грузом= 15 км, без груза —=15 км, технической скорости= 30 км/ч, времени погрузки экскаватором Д-565 угля на один автосамосвал= 3,2 мин, времени разгрузки= 8 мин и времени оборота автосамосвала= 1,18 ч необходимо 45 автосамосвалов с вместимостью кузова 3,8 м3.
Подсчитаем расход топлива на работу двух погрузчиков: 60:7-2 = 840 л.
При расходе топлива автосамосвалами с грузом= 0,4 л/км, без груза= 0,15 л/км, расходе топлива двигателем на холостом ходу= 5 л/ч и расходе топлива за цикл работы самосвального оборудования= 0,045 л/цикл

Таким образом, доля ПРР в балансе энергозатрат перевозки составляет 840/(840 + 2463) = 25 %.
Характеристики грузоподъемных машин приведены в табл. 5.15 [27].
Таблица 5.15
Мощностные характеристики грузоподъемных машин
Машина Грузоподъемность, т Мощность, кВт
Мостовой кран общего назначения 5... 16 12... 120
Козловой кран с электроталью 5... 12,5 15,5 ...27
Контейнерный козловой кран 6,3 66
для переработки универсальных контейнеров Контейнерный козловой кран для 34 114
перегрузки контейнеров массой 24 и 30,5 т и автоприцепов массой 34 т
Козловой кран для лесоматериалов 16 103
Электрическая цепная таль 1 0,55
Однобалочные мостовые краны 1... 5 3...11
с электроталями Таблица 5.16 Годовая выработка электропогрузчиков
Грузоподъемность, т коэффициент использования грузоподъемности погрузчика Годовая выработка, т
0,8 1,0 1,6 2,0 3,0 5,0 0,75 0,7 0,69 0,75 0,7 0,6 10500 12250 19320 26250 36750 52 500
Для перегрузки и складирования тарно-штучных грузов и контейнеров используются электро- и автопогрузчики. Грузоподъемность автопогрузчиков варьирует в пределах 0,9...40 т, а число моделей универсальных машин превышает 160. Эффективность электро- и автопогрузчиков неодинакова. Если принять стоимость потребленной энергии при выполнении определенного объема TCPавтопогрузчиком с карбюраторным двигателем за 100 %, то уровень этого показателя у автопогрузчиков с дизелем составит 90 %, а у электропогрузчиков — 28 % [27]. Последние не имеют отработавших газов, бесшумны, высоко-маневренны. К помощи автопогрузчиков прибегают из-за их большей универсальности и возможности применения в различных эксплуатационных условиях.
Автопогрузчики дешевле электропогрузчиков примерно на 10... 30 %, однако эксплуатационные расходы, зависящие от режима работы, у них выше из-за частого ремонта двигателя.
Годовая средневзвешенная по многим производственным предприятиям выработка электропогрузчиков при их односменной работе (при среднем числе рабочих циклов за смену, равном 70, и среднем пробеге за цикл 70 м), по данным ВНИИ-электротранспорта, представлена в табл. 5.16.
5.5. Связь и управление
Цель управления заключается в обеспечении эффективного использования ресурсов для достижения максимального эффекта при минимальных затратах. Поскольку интегральные энергозатраты прямо коррелируют с суммарными экономическими издержками, оптимальное управление по экономическим критериям способствует сбережению энергоресурсов.
Оценку эффективности можно проиллюстрировать с помощью схем, представленных на рис. 5.4. Если состоянию систе-

Рис. 5.4. Схемы метода оценки эффективности:
а — затраты — эффект;б — состояние — эффективность;R — затраты ресурсов;А — полезный (целевой) эффект;к — коэффициент эффективности;
S — состояние системы
мысоответствуют затраты ресурсова полезный эффект равенто эффективность(рис. 5.4, я). Чем больше угол наклона луча, связывающего точкус началом координат, тем выше эффективность. Поэтому при модернизации системы для повышения эффективности необходимо выполнять условие

Можно выделить две группы средств и действий, от которых существенно зависят функционирование и энергоэффективность современного транспорта:
научно-методические средства и планирование, направленные на сохранение энергоресурсов, связанное с оптимизацией управления парком машин и процессом перевозки;
технологические действия, направленные на снижение энергозатрат, связанных с долевой загрузкой глобальных информационно-компьютерных систем.
Научно-методические средства и планирование в производственно-транспортных системах направлены на реализацию логистических технологий, применение которых способствует повышению энергоэффективности перевозок. Процессы этого уровня транспортной логистики таковы: планирование, управление, слежение, трассировка й доставка.
Задачи и модели этого слоя включают в себя сетевые задачи перевозок (оптимизация интермодальной перевозки, программирование цепи поставки, оптимальная комплектация ТС); оптимальное распределение ресурсов; задачу об аренде ТС; оптимальное планирование кольцевых маршрутов; планирование задач завоза в дистрибуционных центрах и грузовых терминалах; формирование партионности перевозки грузов и др.
Что касается технологических действий, то отметим, что существует система диспетчеризации и спутниковой связи, которая включает в себя энергоемкое оборудование: наземные станции, космические аппараты (КА) системы позиционирования, КА-ретрансляторы, бортовую аппаратуру ТС.
В 2004 г. объем глобального телекоммуникационного рынка услуг превысил 1000 млрд долл. В 2000 — 2005 гг. в мире должно быть запущено свыше 2700 КА общей стоимостью 24 млрд долл. Общие инвестиции, млрд долл., на мировом рынке спутниковой связи в 1997 — 2006 гг. составят 600, в том числе в космический сегмент и средства выведении на орбиту — 60...80, в наземные сети — 120... 150, в оборудование абонентского доступа и предоставление услуг — 400 [30].
Полезными для нужд транспорта являются глобальные телекоммуникационные системы GPS, ГЛОНАСС; региональныеGalileoиEurofix(в Европе),Starfix,Skyfix,GRASи др. Каждая система имеет три компонента: орбитальную группировку спутников, наземный комплекс управления и сегмент потребителей. В 2004 г. группировка спутниковGPSсостояла из 17 ед., ГЛОНАСС — 17 ед.,Galileo— 30 ед. Масса одного КАGPS525... 1094 кг, ГЛОНАСС — 1400 кг,Galileo— 600 кг. Средний радиус орбиты 19 000... 24 000 км. Мощность внутренних источников питания одного КА 0,44... 1,25 кВт — вGPSи 1 кВт — в ГЛОНАСС. Используются также солнечные батареи [30].
По инициативе ЕС развивается Проект Galileo. Предполагается совместное использование системGPS, ГЛОНАСС иGalileo. Учитывается, что максимум потребностей в навигационных услугах смещается из сферы авиации и морского флота в область обслуживания наземных ТС (в 2000 г. удельный вес общей стоимости аппаратуры для автомобильной навигации на европейском рынке составил 73 % общей стоимости навигационных средств для всего транспорта). Принимается во внимание рост интенсивности дорожного движения.
Управление общественным и частным транспортом позволит диспетчеру регулировать интенсивность его движения и планировать необходимые мероприятия. Уменьшение прохождения маршрута наземным транспортом на 1 % приведет к снижению интенсивности движения, уменьшению загрязнения ОС и числа аварий, а также дополнительным выгодам в размере 200 млрд евро. Общая стоимость системы составит 3,2 млрд евро [30].
Если принять долю автотранспорта в использовании этой системы за 50 % (т.е. 1,6 млрд евро инвестиций условно отнести на счет AT), то в этом секторе можно ожидать 125-кратной окупаемости в течение нескольких лет. Это на два порядка выше самых высоких темпов роста эффективности производства наAT. Данную оценку эффекта можно перенести и на область энергоэффективностиAT, помня о прямой корреляции этих показателей.
5.6. Утилизация транспортных конструкций как завершение их жизненного цикла
Утилизация замыкает ЖЦ ТС или участка дороги и включает операции разборки компонентов, сортировки, переработки отдельных видов материалов, сжигание и захоронение отходов. Переработка непригодных узлов АТС осуществляется прессованием, резкой или дроблением. После очистки от загрязнений тяжелые металлы отделяются от легких, все отправляется в переплавку.
Повторное использование материалов является одним из путей снижения энергозатрат. Для сравнения в табл. 5.17 приведены данные по переработке материалов для автомобильных конструкций [19]. Видим, что при регенерации отработанного моторного масла энергозатраты на гидроочистку и восстановление его свойств в 20 раз меньше затрат энергии на производство масла из нефти.
При утилизации легкового автомобиля количество твердых отходов 172 г/кг, удельные энергозатраты 0,12 кг у.т./кг АТС.
Технология переработки строительных отходов включает в себя множество энергозатратных процессов: разрушение; разделение металлических, деревянных и иных фрагментов; раздельное складирование бетонного, кирпичного и другого лома; просеивание и дозирование, удаление железа, измельчение, промывка, просушка.
Часть материалов не подлежит повторному использованию и должна быть захоронена на свалках или переработана промышленными методами. Термическую переработку отходов стремятся осуществлять с рекуперацией тепловой энергии.
Энергозатраты сопровождают любую технологическую операцию на всех этапах ЖЦ АТС, дороги и других объектов.
Таблица 5.17
Энергозатраты при первом и повторном использовании материалов, кВт-ч/кг
Использование Сталь Алюминий Медь Свинец Масло
Первичное Повторное 15 11,5 58 15 26 22 23 20 50 2,5
Энергетический баланс транспортного средства в ЖЦ.
Суммарные энергозатраты АТС до списания равны

где— энергозатраты при изготовлении, ТО и
ТР, капитальном ремонте, а также при производстве конструкционных и эксплуатационных материалов, расходуемых в ЖЦ, кВт • ч.
Например, энергетический баланс легкового автомобиля (масса 1160 кг, расход топлива 10 л/100 км, ресурс 130 000 км, срок службы 10 лет) при суммарном энергопотреблении 19,7 кг у. т./кг таков, %: получение сырья и материалов — 15,6; транспортирование сырья — 3,5; производство — 9,2; эксплуатация — 71,1; утилизация — 0,6 [19].
5.7. Парк машин на дорожной сети
5.7.1. Уровни моделирования транспортного потока
Конечным продуктом транспортной системы является массовая перевозка — интегрированная по номенклатуре грузов и пассажиров, типам транспортных средств, совокупности отправителей и получателей, множеству элементов транспортного пространства и дорожной сети. Эта система имеет высочайшую степень описательной сложности. Одно из «сечений» этой системы, с которым связана проблема энергоэффективности транспорта — работа парка машин на дорожной сети. Хотя формализация представлений о названном «сечении» в науке далека от завершения, затронем его все же на концептуальном уровне, опираясь в основном на передовые разработки МАДИ (ГТУ).
При изучении определенного типа автомобиля выделяются свойства, присущие всем автомобилям данного типа, при этом игнорируются отклонения, вызванные его состоянием, качеством управления и т.д. «Портрет» отдельного автомобиля при этом представляетмножество однотипных машин. Энергетика отдельного изолированного АТС адекватно оценивается с помощью детерминированных моделей.
АТС движется в составе транспортного потока, включающего в себя разнотипные автомобили. На отдельный автомобиль налагаются дополнительные связи и ограничения. Теория движения автомобиля содержит дифференциальные уравнения движения этой системы. Существенными являются такие условия, как окружение, дорога, стиль управления. Неуправляемых параметров так много, что получить точный закон движения АТС в окружении невозможно. На этом уровне появляетсямодель коллективного поведения системы — АТ-поток. Для описания плотности и интенсивности АТ-потоков используются гидродинамические аналогии и элементы теории массового обслуживания. Удовлетворительные результаты получают для участков, расположенных далеко от перекрестка, где возникают волны плотности.
Следующий уровень исследований — моделирование потока па ограниченном фрагменте улично-дорожной сети. Математический аппарат усложняется, например, привлекается теория графов.
При моделировании УДС города кроме усложнения моделей (подключение теории принятия решений, функционального анализа, теории потоков на сетях, дифференциальных уравнений на графах) возникают следующие проблемы мониторинга — оперативного управления на базе модели совокупного потока на УДС: трудности в организации сбора и анализа оперативной информации, поддержание режима реального времени. На этом уровне моделирования переходят к усредненным характеристикам АТ-потоков.
Наконец, предельной по сложности является задача моделирования транспортного потока как подсистемы образования на моторизованной территории (так называемойА-террито-рии). При моделировании АТ-потоков на УДС сложной формы необходимо учитывать обстановку на всей сети в целом, геометрические и другие аспекты [18].
5.7.2. Нестационарные режимы транспортных потоков
Движение АТ-потоков нестационарно в силу многих обстоятельств:
УДС не является прямолинейной, плоской, однородной по количеству полос и качеству покрытия;
поток состоит из меняющейся смеси различных типов АТС;
возникают случайные обстоятельства, изменяющие дорожно-транспортную обстановку;
функционирует система управления движением, чередование управляющих сигналов которой носит нерегулярный характер;
оценка обстановки и принятие решений водителями носит разобщенный характер [18].
На рис. 5.5 представлены фазовые «портреты» в координатах легкового автомобиля для случаев его разгона и последующего торможения двигателем (рис. 5.5,а аналогичен рис. 4.36), а также движения по городской магистрали (рис. 5.5,б). Чем больше ускорениетем выше степень нестационарности и

Рис. 5.5. Фазовые «портреты» легкового АТС: а — разгон с переключением передач и последующим торможением двигателем;б — движение в городских условиях;— зона квазистационарного процесса; стрелками показано направление движения по траектории изменения вектора состояния
значительнее потери энергии. Если размах колебаний ускорения укладывается в узкую полосу около нуля (например,< 0,2 м/с2), то процесс называютквазистационарным и для его анализа применяют методы оценки стационарных энергетических процессов.
В силу маневрирования АТС по полосам поток перемешивается. Процесс перемешивания траекторий элементов потока моделируется с помощью матрицы перемешивания. В каждой строке этой матрицы располагаются либо числа случаев перехода объекта в другие состояния, либо статистические доли. При перемешивании АТ-потока по полосам дороги состоянию объекта отвечает номер полосы. Ниже даны два условных примера потока на фрагменте трехполосной дороги (первый — без перемешивания, второй — с перемешиванием):

Увеличение размытости матрицы характеризует возрастание доли маневров АТС в потоке с большими энергозатратами на движение.
Поведение потока на перекрестке моделируется с помощью матрицы перераспределения потоков: строки соответствуют входам на перекресток, а столбцы — выходам. Преодоление перекрестков характеризуется большой диссипацией энергии

Рис. 5.6. Варианты обобщения ^-территории:
а — со стыковкой входов-выходов соседних клеток;б — с передачей мощностейпо граням клеток;в — в виде поля
АТ-потоком. Разводка потоков носит партионный характер с дискретным управлением со стороны системы УДД. Подходя к перекрестку, АТС перестраиваются. Замедление потока характеризуется диссипацией энергии торможения. Ожидание сигнала светофора зеленого цвета сопровождается выбросом энергии без совершения полезной работы. Следствием маневрирования АТС на перекрестке является малая производительность АТ-потока. Ускорение потоков на выходе также характеризуется повышенной диссипацией энергии. Эти потери неизбежны. Средствами повышения энергоэффективности АТ-потоков на сети является совершенствование УДС и системы УДД.
Модель расчета энергетических показателей потоков на больших УДС, будучи построена на базе приведенных представлений, потребовала бы большого числа уравнений и их параметров. Одним из путей упрощения сетевых моделей является клеточное моделирование [18].
Идея этого метода заключается в том, что /^-территория с линеаризованным графом УДС подвергается регулярному клеточному разбиению на А-клетки. Для каждой у4-клетки рассчитывается векторхарактеризующий интенсивность и направленность движения множества ТС на клетке, а также определяются составляющиевекторапо каждой из четырех граней клетки. Абстрагируясь от внутренней структуры Л-клетки, ее можно представить как элемент ^-территории с множеством входов-выходов на границах и распределением интенсивностей по этим входам-выходам. Поскольку вся территория состоит из множества примыкающих друг к другу клеток, то передача интенсивностей производится по стыкующимся входам-выходам соседних клеток (рис. 5.6,а) или интегрированно для каждой грани (рис. 5.6,б). Каждая А-клетка может быть представлена и как полевой элемент с вектором, играющим роль напряженности поля. По этим векторам можно построить силовые линии транспортного поля агломерации (см. рис. 5.6,б).
5.8. Энергетическая эффективность автомобильного транспорта
5.8.1. Единица измерения эффективности транспорта тран
В задаче транспорта — доставить груз по назначению на определенное расстояние точно в заданный срок — неявным образом присутствует скорость доставки. К сожалению, широко применяемые тонна-километры не учитывают скорости доставки.
При перемещении объекта массой т в среде обитания на расстояниеL преодоление силы сопротивленияР среды является объективной реальностью. Неизбежность преодоления названной силы не зависит от вида носителя объекта, и мы можем временно абстрагироваться от наличия транспортного средства и мысленно выделить работу, связанную с перемещением только объекта перевозки, а именноА = PL. Сила сопротивления движению объекта со стороны среды (будь то воздух, вода или земля) пропорциональна квадрату скорости(с чем мы не раз сталкивались в предыдущей главе) и массе объектат. Таким образом,т.е. ценность транспортной услуги по доставке объекта и ее объем пропорциональны массе объектат, квадрату скоростии расстояниюL между начальным и конечным пунктами.
В соответствии с этим в 1980-х гг. П. Кузнецов и Р. Образцова предложили использовать в экономических расчетах величину, которой они дали название «тран» и которая отражает энергетическую сущность транспортного процесса: рассеяние мощности на 1 км пути при доставке 1 т груза. Транспортная услуга в 1 тран равна полезной работе, затраченной на перемещение груза массой 1 т на расстояние 1 км со среднерейсовой скоростью движения 1 км/ч. Размерность трана —
Эту размерность можно записать и так:, откуда видна аналогия с формулой кинетической энергии, если мере инерции движения тела — массет — поставить в соответствие меру инерции транспортной услуги — выработкуW, т.е.Далее, 1 тран = 1(км/ч)2-км = 77,16 Дж•км == 2,083 • 10"2Вт • ч • км = 2,56 • 10"6кг у.т. • км. Таким образом, 1 тран можно представить как энергию величиной 77,16 Дж, необходимую для продвижения объекта перевозок (без ТС) на расстояние 1 км.
Применение трана должно приводить к такой системе стимулирования, которая в целом требует более высокого темпа перевозок. Тран точнее всего отражает энергетическую суть транспортного процесса.
Имеются предложения по использованию единицы тран в анализе эффективности ТС [4]. Если А — абсолютная величина транспортной услуги за рейс(А=т • км3/ч2, гдеQ — масса перевозимого груза, т;L — дальность перевозки, км;— рейсовая скорость, км/ч) и— расход материалов за рейсто эффективность транспортной работы можно оценить с помощью выражениятран/т. Однако разнородность
материалов, их неодинаковая ценность, различие размерностей величин А исоздают ряд неудобств.
5.8.2. Обобщенный коэффициент энергоэффективности перевозок
Если перейти от массы материалов к вложенной в них энергии и оценить энергетический эквивалент величиныто можно определить безразмерный коэффициент эффективности, близкий по смыслу к КПД. Легче всего сделать это для пробега АТС за его ЖЦ.
Рассмотрим условный пример. Грузовой автомобиль (типа КамАЗ-5320), перевозя в среднем 8 т груза со скоростью доставки 40 км/ч и совершая за год пробег 50 тыс. км, выполняет объем услуг= 850 000 • 402= 6,4-108тран = 0,64-77,16-50ГДж-км. За 7 лет при гарантированном пробеге 350 тыс. км он выполняет объем услуг= 350 ГДж- км = 1 МДж- 350 000 км, т.е. «абсолютно чистые» энергозатраты, связанные с услугой по перемещению названного груза на расстояние 1 км со скоростью 40 км/ч, равны= 1 МДж (и они не зависят от вида ТС, а характеризуют необходимый уровень рассеиваемой на отрезке 1 км энергии движения массы 8 т в среде обитания при скорости доставки 40 км/ч).
Рассматриваем под грузом носитель — АТС, движущееся по АД: это конструкция с вложенной при ее изготовлении энергиейдорога с частью вложенной в нее энергии(приведенной к конкретному АТС); топливо, энергия которогоиспользуется для продвижения АТС по АД в вязкой воздушной среде и связывающем транспортном потоке; расходуемые эксплуатационные материалы с вложенной в них энергиейэнергозатраты на ТО и ремонт с учетом энергии, вложенной в запасные части при их изготовлении и установке на АТСпрочие сопутствующие энергозатратыСумма энергозатрат
(5.1)
Энергозатраты на изготовление АТС= 523 ГДж (см. табл. 5.2).
Вложенная в 1 м2дороги энергия с учетом одного ремонта за 7 лет равна (см. подразд. 5.2) 535 + 290 = 825 МДж/м2. При ширине полосы 4 м в ее 1 пог. м длины вложена энергия 825 • 4 = 3,3 ГДж/м. При условной интенсивности движения по полосе 2000 автомобилей/сут через сечение полосы за 7 лет пройдет 2000 • 365 • 7 = =АТС. Тогда на 1 автомобиль, проходящий 1 пог. м по полосе, можно отнести энергию дороги 3,3/5 110 000 = = 0,646 кДж/(м • автомобиль). Наш автомобиль, пройдя 350 тыс. км, утилизирует= 0,646 • 350 000 000 = 226 ГДж энергии, вложенной в АД.
Допустим, что расход топлива автомобиля 35 л/100 км, тогда суммарный расход за 7 лет Qт= 35 • 3500 = 122 500 л. Количество химической энергии, заключенной в топливе: 122 500-35,3~ 4324 ГДж. Кроме того, при изготовлении топлива промышленностью в него вложено энергии (см. подразд. 5.1) 3,5 • 0,83 • 3,6 • 122 5001281 ГДж. Таким образом, суммарное количество первичной энергии, утилизированное через топливо,= 4324 + 1281 = 5605 ГДж.
Что касается эксплуатационных материалов, то расход масла составляет 2 % расхода топлива, т.е. 122 500 • 0,02 = 2450 л. На изготовление такого количества масла затрачено энергии 50 • 0,85 • 3,6 • 2450375 ГДж. Расход антифриза 200 л, что соответствует вложенной энергии 4 • 1,07 • 3,6 • 2005 ГДж. Расход свинца 70 кг, что соответствует вложенной энергии 23 • 3,6 • 70 6 ГДж. Всего= 375 + 5 + 6 = 386 ГДж.
Далее, определим энергозатраты на ТО и ремонт. Энергетические эквиваленты затрат материалов на ремонтно-восста-новительные работы для автомобиля КамАЗ-5320 (без запчастей, см. табл. 5.11) имеют следующие значения:
г/1000 км кг/350 тыс. км кВт-ч/кг ГДж/350 тыс. км
Сталь, чугун 3651,3 1278 15 69
Алюминий 2,6 0,9 58 0,2
Медь 18,0 6,3 26 0,6
Резина 9,1 3,2 41 0,5
Лаки 279,7 97,9 7 2,5
Химикаты 311,6 109 7 2,7
Топливо 391,7 137,1 3,5 1,7
Суммарные энергозатраты этого вида составляют 77,2 ГДж на 350 тыс. км.
Энергетические эквиваленты материалов в виде запчастей (см. табл. 5.12) при выполнении ремонта АТС КамАЗ-5320 таковы:
г/1000 км кг/350 тыс. км кВт -ч/кг ГДж/350 тыс. км
Сталь, чугун 1027,4 359,6 23 29,8
Алюминий 12,0 4,2 64 1.0
Медь 62,0 21,7 34 2,7
Резина (без шин) 22,0 7,7 45 1,2
В данном случае итоговое значение энергозатрат составляет 34,7 ГДж/350 тыс. км.
Прямые энергозатраты на выполнение ТО и ремонта АТС КамАЗ-5320 (см. подразд. 5.3.1) равны ПО кВт-ч/1000 км = = 38 570 кВт • ч/350 тыс. км = 139 ГДж/350 тыс. км.
Суммарные энергозатраты на ТО и ремонт автомобиля

Сумма всех энергозатрат, вложенных в обеспечение выполнения грузовым АТС транспортной услуги=350 ГДж • км, в соответствии с уравнением (5.1) составляет= 523 + 226 + + 5605 + 386 + 251 = 69917000 ГДж (неучтенными и сравнительно малыми затратамиможно пренебречь). В расчете на 1 км получаем= 7000 ГДж/350 000 = 20 МДж.
Таким образом, для продвижения в среде обитания груза с помощью грузового АТС (с неизбежной диссипацией энергии в эту среду, на 1 км движения, равной 1 МДж), требуется вложить в автотранспортный комплекс 20 МДж энергии. Значение = 1/20 = 5 % является обобщенным КПД процесса транспортирования, осуществляемого данным типом АТС.
Обратившись к табл. 4.6 и выбрав для грузового АТС среднее значение КПД= 25%, можем заключить, что непосредственная утилизация энергии силовой установкой (двигатель — трансмиссия—движитель) грузового автомобиля при транспортировании груза составляет лишь 1/5 часть общего энергопотребления АТК по обеспечению перевозки.
Глава 6
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ И ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ТРАНСПОРТЕ КАК СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ОБЩЕСТВА
6.1. Взаимодействие транспортно-дорожного комплекса с окружающей природной средой
Транспорт имеет прямое отношение ко всем аспектам проблемы охраны окружающей среды. Многомиллионный парк автомобилей, локомотивов, судов и самолетов, крупные и мелкие транспортные предприятия (заводы, заправочные станции, депо, станции, вокзалы, сортировочные узлы, морские и речные порты, аэродромы, аэропорты, топливные и материальные базы, стационарные и теплоэнергетические установки, каменные, песчаные и гравийные карьеры и многие другие объекты) непосредственно воздействуют на биосферу, равно как и строящиеся автомобильные и железные дороги, трубопроводы, аэропорты и пр.
Нельзя исключить из транспортной сферы объекты машиностроения, нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов и целого ряда других отраслей экономики, связанных с транспортом.
В то же время транспортно-дорожный комплекс (ТДК) является сложной социологической системой, поскольку в его состав входят отдельные люди и коллективы, непосредственно занятые в этой сфере, а также фактически все население планеты, пользующееся услугами транспорта.
В городах неотъемлемой частью транспортной инфраструктуры являются также троллейбусы, трамваи, метрополитен и электропоезда, энергию для которых обеспечивают тепловые электростанции, выбрасывающие в окружающую среду токсичные и канцерогенные вещества.
Транспортно-дорожный комплекс взаимодействует с окружающей средой, характеризующейся определенными ландшафт-но-климатическими и биологическими факторами, а также конкретными параметрами архитектурно-планировочной структуры в населенных пунктах и фоновым загрязнением окружающей среды, типичными для рассматриваемой (выделяемой) экологической системы или техносферы в регионе.
Методика оценки взаимодействия ТДК с окружающей средой должна учитывать возможно большее число доминирующих факторов и в то же время быть реальной, т. е. основываться на доступной или легко прогнозируемой фактической информации, позволяющей объективно установить опасность (степень риска) антропогенного воздействия ТДК на окружающую среду и здоровье населения в зависимости от параметров этого воздействия, прежде всего от численности парка автотранспорта в регионе, его типажа, технического состояния и режимов эксплуатации.
В этой связи информацию о взаимодействии ТДК с окружающей средой, как правило, разделяют на три группы [2]. К первой относятся данные:
о геолого-геоморфологических, ландшафтных и климатических особенностях территории размещения ТДК;
степени загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод и почвы, акустическом режиме, электромагнитных полях и радиационной обстановке;
состоянии флоры и фауны.
Наличие такой информации и параметров ТДК позволяет рассчитать антропогенное загрязнение среды.
Вторая группа данных включает в себя градостроительные характеристики (планировка и застройка городов).
Третья группа данных — это параметры объектов ТДК:
виды дорог;
состав и объемы (интенсивность) движения транспортных средств;
эффективность применяемых природоохранных технологий и т.д.
Обязательными при рассмотрении условий взаимодействия ТДК с окружающей средой являются и социальные факторы:
социально-экономические и демографические особенности территории, на которой размещаются объекты ТДК, а именно: численность и состав населения, характер распределения трудовых ресурсов и степень их использования (занятость населения);
здоровье населения, рабочих и служащих на сопредельных с объектами ТДК промышленных предприятиях в зоне влияния (переноса) вредных загрязнителей ТДК.
В настоящее время внедрение новых природоохранных технологий на автомобильном транспорте регулируется стандартами, которые устанавливают предельно допустимые концентрации (ПДК) выбросов вредных веществ, и сопровождается организацией контроля за их соблюдением при производстве и эксплуатации автомобилей, а также проведением соответствующих мероприятий на автотранспортных предприятиях.
Таблица 6.1 Значения удельных предельно допустимых выбросов вредных веществ (норм) с отработавшими газами легковых автомобилей с бензиновыми двигателями, г/км

В Российской Федерации принята система природоохранных стандартов отраслевого и государственного значения [8], действие которых распространяется на сферу производства двигателей и автомобилей и их эксплуатацию.
В табл. 6.1 — 6.6 приведены нормы выбросов вредных веществ с ОГ автомобильных двигателей для стран ЕЭС. Нормы ЕВРО-2 (см. табл. 6.1 — 6.4) введены в действие в Российской Федерации с 01.07.2002 (ГОСТ Р 41.83 — 99). В отношении табл. 6.3 и 6.4 отметим, что к автофургонам отнесены автомобили общей массой до 3,5 т.
Автотранспорт косвенно контролируется системой стандартов качества атмосферного воздуха, почвы и водоемов при анализе выбросов предприятий на соответствие ПДК и введение в действие новых нормативов.
Таблица 6.2 Значения удельных предельно допустимых выбросов вредных веществ (норм) с отработавшими газами легковых автомобилей
с

дизелями, г/км
Таблица 6.3 Значения удельных предельно допустимых выбросов вредных веществ (норм) с отработавшими газами автофургонов с бензиновыми двигателями, г/км

Таблица 6.4 Значения удельных предельно допустимых выбросов вредных веществ (норм) с отработавшими газами автофургонов
с


дизелями, г/км
Под экологической безопасностью автотранспортного средства понимают совокупность свойств, характеризующих способность АТС минимизировать уровень вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, в том числе за счет экономии материальных и энергетических ресурсов на всех стадиях его жизненного цикла [29]:
при добыче (получении) сырья;
переработке сырья и получении конструкционных материалов, топлива и энергии;
изготовлении узлов и деталей, сборке;
эксплуатации автомобиля (в том числе ремонте);
• разборке и утилизации автомобиля, захоронении отходов.Понятие экологической безопасности АТС включает в себя
следующие составляющие:
безопасность перевозочного процесса;
отсутствие вредного воздействия на окружающую среду;
комфортабельность транспорта;
сохранение природных ресурсов;
эффективность транспорта.
Рассмотрим более подробно меры, принятие которых обеспечивает ресурсосберегающую эксплуатацию и экологическую безопасность транспортных энергетических установок.
6.2. Системы, обеспечивающие топливную экономичность, снижение дымности и токсичности транспортных двигателей внутреннего сгорания
Совершенствование способов снижения расхода топлива и количества вредных выбросов. Для обеспечения ресурсосбережения и уменьшения выбросов загрязняющих веществ транспортными энергосиловыми установками применяются альтернативные рабочие процессы, устройства и технические системы, например, обеспечивающие поддержание оптимального температурного режима работы двигателя, физико-химическую обработку ОГ на выпуске и т.д. Пока не существует универсального способа значительного снижения расхода топлива и количества вредных выбросов с ОГ. Эта задача может быть решена только с применением комплексных подходов.
Современная стратегия решения проблемы уменьшения токсичности ОГ бензиновых двигателей основана на применении трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. Для дизелей предполагается использовать окислительные каталитические нейтрализаторы и регенерируемые сажевые фильтры, обеспечивающие определенное улучшение гигиенических характеристик двигателей. Так, правилами Госгортехнадзора России при эксплуатации дизелей в условиях ограниченного воздухообмена (например, в рудниках горнодобывающей промышленности) применение каталитических и жидкостных нейтрализаторов обязательно, хотя данные устройства не обеспечивают ощутимого снижения выбросов
Ряд адсорбентов, например цеолиты, позволяют эффективно очищать ОГ отОднако для обеспечения процесса очистки необходимо обезвоживание ОГ и снижение их температуры до 20... 30 °С. Весьма эффективным способом снижения выбросов оксидов азота можно признать и их каталитическое восстановление аммиаком. Отметим, что применение обоих способов требует наличия в выпускной системе двигателя дополнительного оборудования и организации в условиях эксплуатации весьма сложного и трудоемкого обслуживания систем автоматического регулирования процесса каталитического восстановления.
В последние десятилетия для дизелей разрабатывались способы снижения токсичности, преимущественно основанные на совершенствовании рабочего процесса двигателей. В настоящее время это направление исследований практически исчерпано. В связи с ужесточением требований к двигателям с точки зрения выбросов вредных веществ наблюдается возрастание интереса к системам обезвреживания отработавших газов и более широкому применению альтернативных энергосиловых установок, например водородных двигателей, в том числе работающих на топливных элементах.
На автомобилях и энергосиловых установках находят применение термические дожигатели, каталитические и жидкостные нейтрализаторы, регенерируемые сажевые фильтры, устройства улавливания топливных испарений и другие системы снижения токсичности (ССТ) и ресурсосбережения.
Основные требования к системам снижения токсичности отработавших газов. ССТ в общем случае должны обеспечивать эксплуатацию техники в различных климатических условиях при температуре окружающего воздуха -60... +50 °С, относительной влажности 20... 98 % и соблюдении общетехнических требований, например, к противодавлению выпуска, обеспечивающему соответствующие мощностные и топливно-экономи-ческие показатели энергосиловой установки, или ее шумности.
Ресурс ССТ и ее отдельных элементов при отсутствии механических повреждений и соблюдении правил эксплуатации должен составлять 80... 160 тыс. км пробега машины или 2...4 тыс. моточасов наработки двигателя. Действие системы снижения токсичности не должно приводить к ухудшению основных технических характеристик трактора или автомобиля. Необходимо, чтобы она была дешевой, относительно простой в обслуживании и имела оптимальные габариты и массу.
Установка ССТ на транспортном средстве должна обеспечивать требования технической и противопожарной безопасности в соответствии с условиями его эксплуатации, что может быть достигнуто, например, введением защитных экранов, ограждений, тепловой изоляции и т. п.
Улавливание паров бензина. Выброс паров бензина в атмосферу связан в первую очередь с его испарением из топливного бака и карбюратора. Уменьшение выброса паров из бака можно обеспечить ослаблением его нагрева элементами выпускной системы двигателя и солнечным излучением, применением топливного бака специальной конструкции с минимальным отношением площади поверхности испарения топлива к объему бака, установкой в нем перегородок, уменьшающих смачивание его внутренней поверхности при разгоне и торможении автомобиля, и т.п.
Интенсивность испарения топлива из карбюратора определяется площадью неэкранированной поверхности, температурой поплавковой камеры, конструкцией главной дозирующей системы, наличием или отсутствием термоизолирующих прокладок и экранов, защищающих поплавковую камеру от теплового облучения горячими деталями двигателя. За рубежом корпус поплавковой камеры часто выполняют из материала с малой теплопроводностью, например из пластмассы.
Для уменьшения испарения топлива современные автомобили оснащаются системами улавливания паров бензина (СУПБ). На практике нашли применение способы улавливания паров бензина из указанных систем двигателя с последующим накоплением их в адсорберах, содержащих поверхностно-активные вещества. По достижении в адсорбере избыточного давления, соответствующего накопительному режиму, пары бензина подаются в цилиндры двигателя либо направляются в каталитический нейтрализатор,
В экологическом отделении ФГУП «НАМИ» были разработаны СУПБ для базовых отечественных моделей легковых и грузовых автомобилей, а также автобусов с бензиновыми двигателями (рис. 6.1). СУПБ включает в себя адсорбер 8, заполненный активированным углем, блоки1 и 7 клапанов, а также жиклер9 паропроводящей магистрали.
Адсорбер заполнен поверхностно-активным веществом с высокой поглотительной способностью. Он должен иметь достаточно стабильные характеристики при изменении температуры окружающей среды и обеспечивать эффективную десорбцию (выделение накопленных паров при нагреве) и многократное повторение циклов адсорбция — десорбция. Он также должен обладать невосприимчивостью к атмосферной влаге и высокой механической прочностью.

Рис. 6.1. Схема системы улавливания паров бензина:
1 — блок клапанов карбюратора;2 — клапан для перекрытия балансировочного канала карбюратора;3 — карбюратор;4 — пароотделитель;5 — герметичная пробка;6 — топливный бак; 7 — блок клапанов топливного бака;8 — адсорбер с активированным углем;9 — жиклер паропроводящей магистрали
При работе двигателя происходит регенерация адсорбента за счет продувки его воздушным впускным зарядом. Отвод паров бензина в этот период осуществляется либо в диффузор карбюратора, либо во впускной трубопровод. При работе автомобиля в теплое время года температура бензина в системе питания повышается до 70 °С, что приводит к образованию паровых пробок. Для их устранения впускной клапан блока 7 регулируют на открытие при избыточном давлении 1,5 кПа.
Пароотделитель 4 предотвращает попадание жидкой фазы в пароотводящую магистраль. Перекрывание балансировочного канала поплавковой камеры необходимо для исключения попадания паров в атмосферу и их скапливания в горловине карбюратора и впускном трубопроводе.
Такие системы СУПБ почти полностью улавливают топливные испарения. Установка СУПБ на серийные автомобили не оказывает влияния на показатели их топливной экономичности.
В СУПБ только выпускной клапан, отрегулированный на давление открытия в 1,5 кПа, обеспечивает снижение количества образующихся паров бензина в 3 — 5 раз (бензин остается в топливном баке автомобиля). Использование СУПБ на легковом автомобиле позволяет экономить в среднем около 36 г бензина в сутки, а на грузовом — до 100 г. Согласно современным требованиям испарение паров бензина и других видов топлива и масла на автомобиле должно быть сведено к минимуму.
Термические нейтрализаторы. Это устройства окислительного типа, в которых за счет остаточного или дополнительно вводимого кислорода осуществляется дожигание продуктов неполного сгорания топлива. Процесс дожигания проводится в специальной реакционной камере, где температура должна поддерживаться в пределах 650...850 °С. В дизелях дожигание СО,и других горючих веществ обеспечивается кислородом, содержащимся в отработавших газах.
Сущность каталитической очистки ОГ заключается в беспламенном окислении продуктов неполного сгорания топлива или восстановлении оксидов азота в присутствии катализатора. Так, догорание СО на поверхности катализатора описывается уравнением

Каталитический гетерогенный процесс (например, процесс окисления СО иобычно представляют в виде нескольких стадий: диффузии реагентов из потока ОГ к поверхности активного слоя пористого катализатора; адсорбции (хемо-сорбции) реагентов с образованием промежуточных химических комплексов типа реагент — катализатор; перегруппировки атомов исходных компонентов ОГ с образованием промежуточных соединений типа продукт — катализатор; десорбции образовавшихся продуктов (например,с поверхности катализатора в поток ОГ.
Таким образом, скорость нейтрализации ОГ определяется как диффузией, так и химической гетерогенной реакцией на поверхности катализатора. При этом скорость и завершенность процесса нейтрализации лимитируются самой медленной стадией.
Для очистки отвозможно применение восстановительных катализаторов. Селективное восстановлениеможет происходить при добавлении в ОГ реагентов-восстановителей. При использовании СО осуществляются реакции

Восстановлениеаммиаком происходит при температурах


Возможно также неселективное восстановлениепри добавлении в ОГ метана, протекающее при температурах 350...в соответствии с уравнениями

Трудности практической реализации данных методов восстановлениясостоят в сложности поддержания относительно узкого диапазона температур ОГ, при которых осуществляются реакции, и состава реагентов. Кроме того, при несовершенстве системы автоматического поддержания оптимальной температуры и состава реагентов в нестационарном режиме работы двигателя непрореагировавшие СО,и другие вещества сами по себе представляют опасность, так как являются вредными соединениями. По этой причине восстановительные процессы применительно к дизелям получили весьма ограниченное распространение.
Каталитический гетерогенный процесс очистки ОГ современных бензиновых двигателей осуществляется в две стадии. Первая (окислительная) протекает при наличии свободного кислорода в ОГ. Вторая (восстановительная) заключается в каталитическом преобразовании оксидов азота в отсутствии кислорода.
Жидкостная нейтрализация ОГ. Этот процесс может эффективно применяться для очистки ОГ от мелкодисперсных частиц (сажа, смолистые вещества, окалина и др.), связываемых водой, а также хорошо растворимых в воде химических веществи др.). Жидкостная очистка позволяет уменьшить общий уровень токсичности двигателя, неприятный запах, слезоточивое воздействие, а также понизить температуру ОГ. Очистка с помощью жидкостного нейтрализатора (ЖН) отработавших газов включает в себя следующие основные процессы: улавливание мелкодисперсных частиц жидкой фазой реактора, их поверхностную адсорбцию, конденсацию и фильтрацию.
Первая стадия — улавливание мелкодисперсных частиц — обеспечивается жидкостью, которая их поглощает. Второй стадией (адсорбцией) является процесс поглощения газовых компонентов ОГ жидкостью, в которой эти компоненты растворяются.
Третья стадия (конденсация и фильтрация) происходит в ЖН при температуре ОГ, более низкой, чем порог насыщения каждого из нейтрализуемых газообразных компонентов. Затем следуют коагуляция аэрозольной смеси (слипание жидких и твердых частиц ОГ) и улавливание их с помощью фильтроэле-ментов.
Растворениесопровождается диссоциацией образующейсясогласно уравнению

При растворении С02в щелочах происходит химическая адсорбция, скорость которой определяется концентрацией непро-реагировавших веществ. Поглотительная способность щелочного раствора по отношению к С02достаточно велика.
Оксид азота практически нерастворим в воде, тогда как альдегиды достаточно хорошо растворяются в ней. При растворении в воде сернистокислого натрия и гидрохинона поглотительная способность раствора значительно возрастает. В таком растворе поглощение альдегидов составляет 90 % и более.
В современных ЖН реализуются различные физические механизмы улавливания полидисперсных частиц, основными из которых являются гравитационное оседание, соударение частиц при тангенциальной закрутке газового потока, их инерционное соударение в процессах турбулентного перемешивания потока, захват частиц путем поверхностной или диффузионной адсорбции, электростатическое оседание и т. п.
Непосредственная фильтрация ОГ находит все более широкое применение для улавливания частиц дизельного выпуска. Фильтр, как правило, представляет собой пористую структуру из моноблочного, гранулированного или волокнистого материала, в котором происходит механическое отделение твердых частиц от ОГ. Применяются также регенерируемые каталитические фильтры, в которых осуществляется процесс сжигания сажи и других сконденсированных углеводородных продуктов на поверхности пористого катализатора при температурах 300... 600 °С, чаще в присутствии катализатора из оксида меди.
6.3. Обеспечение экологической безопасности моторного топлива, контроль его качества при испытаниях и реализации
Борьба за долговечность, «всеядность», топливную экономичность и экологичность тепловых двигателей охватывает наиболее приоритетные направления изысканий не только инженеров и конструкторов, но и представителей академической науки.
На протяжении многих десятилетий применение этиловой жидкости в качестве присадки к легким моторным топливам (бензинам) позволяло эффективно использовать низкооктановые фракции перегонки нефти, пока не было обнаружено и доказано ее высокотоксичное действие и несовместимость с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Достаточно одной заправки этилированным бензином, чтобы вывести из строя активный слой дорогостоящего нейтрализатора и датчика свободного кислородат. е. лишить автомобиль инструментов подавленияа также стехиометрического дозирования топлива с последующими непредсказуемыми последствиями, вплоть до возгорания автомобиля.
В конце 1970-х — начале 1980-х гг. параллельно с внедрением бифункциональных каталитических конвертеров и систем электронного дозирования топлива на смену этиловой жидкости стали приходить антидетонационные присадки в виде различных металлоорганических веществ, а затем кислородосодер-жащих соединений.
Несмотря на то что замена этиловой жидкости в ряде стран происходила очень болезненно, эта проблема была решена благодаря разъяснительной работе и гибкой налоговой политике.
Первые широкомасштабные внедрения присадок второго поколения выявили, что они далеко не идеальны как в отношении экологии, так и влияния на двигатели. С начала 1990-х гг. они и вовсе перестали отвечать растущим требованиям к долговечности и экологической безопасности автомобильных двигателей. Сегодня практически выведены из употребления метал-лоорганические соединения ввиду их непосредственной опасности для здоровья и высокой окислительной способности, следствием чего является образование кислот, оказывающих негативное влияние на ресурсные показатели двигателей.
Фактически запрещено применение в странах Европы и США марганцевых антидетонаторов — вредных веществ, отрицательно влияющих на работу двигателей и присутствующих в отработавших газах. Известно, что присадки, содержащие марганец и железо, являются зольными. Даже незначительная их передозировка может привести, например, к нарушению нормальной работы свечей зажигания. Изменение 1 к ГОСТ 51105 — 97 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия» не разрешает поставлять бензин с марганцевым антидетонатором в регионы, где запрещено применение этилированных бензинов.
Высокотоксичными веществами признаны сегодня и некоторые представители класса ароматических аминов. Кроме того, известно, что они способствуют смолообразованию со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями для деталей цилиндропоршневой группы двигателей автомобилей. Все с большей осторожностью по этим же причинам начинают относиться к оксигенатным антидетонаторам.
В этой связи уже давно в мире уделяется особое внимание внедрению технологий производства автомобильных бензинов с высокооктановыми компонентами (продукты алкилирования, изомеризации, глубокого каталитического крекинга). Наметился приоритетный интерес к деструктивным технологиям глубокого превращения (крекинга) нефтепродуктов, способствующего повышенному выходу высокооктановых изомерных углеводородных фракций. Доля продуктов, полученных с применением таких технологий, по отношению к общему объему первичной перегонки в странах Западной Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона к 2000 г. достигла 21 %; в Южной Америке — 24 %, а в странах Северной Америки приблизилась к 50 % и в 2005 г. должна увеличиться до 52 %, тогда как в России и странах СНГ она остается на значительно более низком уровне (около 9 %).
По данным Национальной ассоциации нефтехимических и нефтеперерабатывающих фирм (NPRA) в США, потребуется 8 млрд долл. капвложений в НПЗ для повышения качества моторных топлив до уровня, соответствующего новым требованиям Американского агентства по охране окружающей среды (ЕРА). Во Франции, по данным Объединения промышленных предприятий в области нефти (UFIP), для удовлетворения новых требований к качеству нефтепродуктов к 2005 г. потребуется 1 млрд франков капвложений в каждый НПЗ Франции. В Западной Европе общий объем необходимых капвложений оценивается в 20 — 25 млрд долл. При этом в связи с нехваткой средств на переоборудование технологической оснастки в Европе ожидается закрытие 15 — 20 НПЗ.
В России 1970—1980-х гг. (СССР) не уделялось должного внимания широкомасштабному внедрению систем термокаталитической нейтрализации отработавших газов, а следовательно, и технологий производства соответствующих моторных топлив на НПЗ. И в настоящее время в России нет производства каталитических конвертеров и систем впрыска с электронным управлением дозированием топлива, необходимых для внутреннего парка автотранспорта.
В 1990-е гг. увеличилось отставание автомобилестроительной и нефтеперерабатывающей отраслей от уровня индустриальных мировых держав в результате болезненного реформирования экономики России. Потребителю практически невозможно было разобраться в потоке предлагаемых на рынке новых топлив, нередко, по мнению специалистов, с сомнительными и явно не соответствующими рекламным заявкам свойствами. Главными причинами столь негативных явлений на отечественном рынке реализации моторных топлив оказались объективная для «революционных» условий передела собственности недостаточная компетентность контролирующих служб, отсутствие и невостребованность современной экспериментально-аналитической инструментальной базы контроля качества нефтепродуктов и недостаточное государственное регулирование данной сферы деятельности.
В настоящее время на отечественном рынке в соответствии с вышеупомянутым ГОСТ 51105 — 97 мы должны иметь бензины, строго соответствующие европейским, марок Нормаль-80,
Регуляр-91, Премиум-95 и Супер-98, хотя и с некоторыми оговорками. Госстандартом России поручено заинтересованным организациям подготовить предложения о прекращении применения на территории Российской Федерации автомобильных бензинов марок А-76, АИ-91 и АИ-95 по ГОСТ 2084 — 77. Взят стратегический курс на коренную реконструкцию и модернизацию технологической оснастки отечественных НПЗ по аналогии с положительным зарубежным опытом. Таким образом, автотранспортный комплекс России осваивает действующий уровень международного нормирования вредных выбросов.
В то же время ведущие индустриальные державы наряду с планами ужесточения существующих норм вводят ограничения на выбросы так называемых парниковых газов, основным из которых является диоксид углерода (С02). Вступившая в силу в марте 1994 г. Рамочная конвенция ООН об изменении климата (UNFCCC) и Киотский протокол 1997 г. к ней установили обязательства для стран-участниц в отношении снижения выбросов С02.
В период с 2008 по 2012 г. развитые страны должны сократить выбросы парниковых газов, как минимум, на 5 %. В дополнение к этому каждая страна обязалась снизить выбросы на фиксированную, но разную для каждой из них величину (например, страны ЕС — на 8 %, Россия — на 0 %). До 2008 г. страны решают эту проблему на добровольных началах.
Фактически это означает необходимость принятия следующих мер: снижение расхода топлива примерно на такую же величину; использование новых источников энергии; применение альтернативных источников энергии.
Первая из перечисленных мер — уменьшение расхода топлива — автоматически приведет к эквивалентному снижению выбросов с ОГ автомобильных двигателей продуктов неполного сгорания топлива, а именно: сажи, углеводородов, оксида углерода, бензпирена, формальдегида.
Управление экологически значимыми характеристиками топ-лив в России осуществляется на основе использования следующих инструментов государственной политики: установление в стандартах ограничений на экологически значимые показатели качества моторных топлив; сертификация моторных топлив; лицензирование деятельности нефтебаз и автозаправочных станций; контроль за соблюдением лицензионных требований владельцами нефтебаз и автозаправочных станций.
Законодательной основой системы сертификации моторных топлив служит Закон Российской Федерации от 10.06.1993 № 5151-1 «О сертификации продукции и услуг». В развитие этого Закона Госстандарт России своим постановлением от 08.10.1998 № 78 утвердил Правила проведения сертификации нефтепродуктов. В соответствии с этими документами обязательной сертификации подлежат практически все нефтепродукты, выпускаемые только по ГОСТу.
В целях преодоления сложившейся практики Госстандартом России было принято постановление от 18.01.2000 № 2, в соответствии с которым начиная с 01.07.2000 все бензины, выпускаемые по многочисленным ТУ, должны в обязательном порядке проходить сертификацию на соответствие ГОСТ Р 51313 — 99. Бензины необходимо проверять по таким показателям, как октановое число, содержание свинца и серы, давление насыщенных паров, фракционный состав, объемная доля бензола. Начиная с 01.01.2003 объемная доля бензола является браковочным показателем.
Правовая база сертификации нефтепродуктов по экологическим характеристикам основывается также на ст. 15 Федерального закона от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха». В соответствии с этой статьей производство и использование топлива на территории Российской Федерации допускаются только при наличии сертификатов, подтверждающих соответствие топлива требованиям охраны атмосферного воздуха.
Законодательной основой для лицензирования рынка нефтепродуктов является Федеральный закон от 25.09.1998 № 158-ФЗ «О лицензировании отдельных видов деятельности». Закон предусматривает государственное лицензирование деятельности предприятий и индивидуальных предпринимателей, осуществляющих эксплуатацию автозаправочных станций, а также хранение нефти и продуктов ее переработки.
В системе российской сертификации новых механических транспортных средств (ГОСТ Р 51313 — 99), работающих на жидких нефтяных топливах, установлены следующие требования:
для АТС категорий: до 1999 г. — не ниже требований ЕВРО-1; с 1999 г. — не ниже требований ЕВРО-2;
для АТС категорийдо 1998 г. — не ниже требований Правил № 49-01; до 1999 г. — не ниже требований ЕВРО-1; после 1999 г., на три— не ниже требований ЕВРО-2.
Общая ситуация, складывающаяся в Российской Федерации на рынке нефтепродуктов, может быть охарактеризована следующими цифрами: в 1999 г. доля неэтилированных бензинов составила 90,4 % общего объема их производства; доля малосернистого дизельного топлива (содержание серы до 0,2 %) составила 86,5 % его общей выработки, в том числе с содержанием серы 0,05 % - 7,3 %.
1Постановление Госстандарта России от 26.05.1999 № 184 «О принятии и введении в действие государственных стандартов».
Дальнейшее снижение объемов производства этилированных бензинов сдерживается преимущественно экономическими причинами: недостатком средств у производителей и недостаточностью стимулов для модернизации производства. Необходимо отметить, что сохраняется довольно высокий импорт этилированных бензинов из соседних государств (Украина, Беларусь и др.), приводящий к увеличению доли этилированных бензинов в общем объеме продаж до 30... 35 %.
Рост производства малосернистого дизельного топлива сдерживается необходимостью привлечения значительных инвестиций и отсутствием действенных экономических стимулов для производителей.
Серьезным препятствием для внедрения автомобилей, оснащенных каталитическим нейтрализатором, является высокий риск «отравления» нейтрализатора в результате заправки этилированным бензином. Для снижения этого риска Госстандарт России обратился к правительству с предложением осуществить целый комплекс мер, направленных на удаление этилированного бензина с российского рынка.
Одной из таких мер будет введецие требования о том, чтобы каждая автозаправочная станция (АЗС) имела хотя бы одну колонку с неэтилированным бензином. Причем такое требование должно содержаться в лицензии, выдаваемой АЗС.
По мнению Госстандарта России, необходимо увеличить таможенные тарифы на импортируемый этилированный бензин или вообще запретить его ввоз.
Федеральной целевой программой «Топливо и энергия», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 06.03.1996 № 263, предусмотрено прекратить выработку этилированных бензинов в период до 2010 г.

Приложенные файлы

  • docx 26707646
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий