Решение глобальных проблем, связанных с автомобилем
Решение
глобальных проблем, связанных с автомобилем
Автор: проф. Абрам
КРОПП
Аннотация
Рассматриваются четыре направления работ решения
проблем, связанных с автомобилем.
-ое направление работ.
Принятие мер для повсеместного перевода автомобильного
транспорта на питание горючим газом. Приводятся данные экологических и
экономических преимуществ работы двигателя автомобиля на газе по сравнению с
работой на бензине или дизельном топливе.
Сообщается об опыте перевода на газ в ряде
государств Европы и Америки, в то время как в России и в Израиле эта
прогрессивная отрасль находится в зачаточном состоянии.
-ое направление работ.
Поскольку объемы углекислого газа в выхлопных
газах автомобилей и после перевода автомобиля на газ остаются недопустимо
большими с точки зрения влияния углекислого газа на процессы глобального
потепления климата Земли, предлагается развить научные работы по поиску путей
интенсификации процессов поглощения углекислого газа в атмосфере Земли. В
частности, предлагается широкое использование известной водоросли хлореллы для
этой цели, а также постановку исследований с целью создания генетически
модифицированной этой водоросли, обладающей большой поглотительной способностью
углекислого газа.
-е направление работ.
От вредных составляющих выхлопных газов в
наибольшей степени страдает население больших городов. В настоящее время многие
автомобилестроительные гиганты видят решение этой проблемы в замене
автомобилей, работающих на нефтяном топливе, на электромобили, приводимые от аккумуляторных
батарей, и на так называемые гибриды, которые содержат два силовых агрегата:
электрический привод от аккумуляторных батарей, который работает в городе, и
обычный двигатель, который используется при езде автомобиля за городом.
Показывается, что этот путь решения проблемы приводит к существенному
удорожанию автомобиля и является причиной возникновения новых проблем, которые
требуют огромных финансовых вложений.
Предлагается другой путь решения этой проблемы,
основанный на применении маховичного накопителя энергии, который также
приводится от аккумуляторных батарей, но не требует коренного изменения
силового агрегата автомобиля, как это имеет место в электромобиле и в гибридном
автомобиле.
Рассмотрен пример трансмиссии легкового
автомобиля с маховичным накопителем энергии, в котором показано, что трех
аккумуляторов Varta PBO емкостью 140 А/ч достаточно для 17-ти циклов движения
от одного светофора к другому и часовой стоянки в пробке.
-ое направление работ.
В настоящее время многим стало очевидным, что
широкое распространение электромобиля даже для легкого автомобиля весьма
проблематично, не говоря уже о других видах транспортных средств с двигателем
внутреннего сгорания. Поэтому появилось направление развития автомобиля,
которое ставит своей целью уменьшения расхода топлива и выбросов вредных
веществ в выхлопных газах, путем увеличения числа ступеней в традиционной
ступенчатой коробке скоростей. Так появились трансмиссии легкового автомобиля с
6…8 ступенчатыми коробками передач, а в грузовых автомобилях с 12…16 ступенями.
Управление такими трансмиссиями создает большие сложности для водителя и потому
их применение сопровождается установкой компьютерной системы и набором
исполнительных механизмов. Все это существенно усложняет и удорожает
автомобиль.
Предлагается другой подход к решению этой
проблемы, основанный на применении так называемого импульсного вариатора,
который позволяет создать бесступенчатую и автоматически регулируемую
трансмиссию автомобиля, в которой отсутствует муфта сцепления и коробка передач,
а в двигателе в пять раз уменьшены силы трения поршня о цилиндр, в результате
чего прогнозируются уменьшение на 16% расход топлива, повышение в несколько раз
износостойкости пары поршень - цилиндр и существенного уменьшения тепловой
напряженности двигателя.
автомобиль углекислый газ фотосинтез
накопитель
Содержание
1. Характеристика экономических,
экологических и политических влияний автомобиля на жизнь общества
2. Нефтяное топливо - источник
глобальных проблем
3. 1-ое направление работ по проекту
решения глобальных проблем, связанных с автомобиле : Газ - альтернатива
нефтяному топливу
. 2-ое направление работ по проекту
решения глобальных проблем: Развитие работ по увеличению поглотительной
способности углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза
. Я против электромобиля на
современном этапе развития техники
. 3-ье направление работ по проекту
решения глобальных проблем, связанных с автомобилем: Маховичный накопитель
энергии - альтернатива гибридам
. 4 -ое направление работ по проекту
решения глобальных проблем, связанных с автомобилем
. Выводы
. Литература
1.
Характеристика
экономических, экологических и политических влияний автомобиля на жизнь
общества
"Регулировка улучшает
работу системы на проценты, расшивка узких мест - на десятки процентов, снятие
ведущих ограничений - в разы, а смена принципа - на порядки!" (В.А.
Галкин)
Вы, уважаемый читатель, никогда не обращали
внимание на то место, которое занимают в СМИ сообщения о автомобилях? Я говорю
про СМИ, поскольку именно средства массовой информации (СМИ) отражают то, что
происходит в мире, показывают, чем живут люди и почему политики говорят и
действуют так, а не иначе. Откройте, к примеру, новостную страницу в интернете
и вы увидите, как минимум, одно сообщение о новинках, появившихся на рынке
автомобилей, скорее всего легковых, или о начавшемся производстве, или о
планируемом производстве, или, наконец, о отзыве многих тысяч уже проданных
автомобилей назад в цеха производителя из-за обнаруженных в них дефекта.
Обратите внимание на экологическую ситуацию в
мире, на прогнозы катастрофического изменения климата Земли, на загазованность
городов и влияние ее на здоровье людей. Здесь тоже основное вредное влияние
принадлежит автомобилю.
Города забиты автомобилями, их некуда поставить,
они образуют пробки на дорогах. Но год от года производство автомобилей растет
и в эту гонку за количеством автомобилей включаются развивающиеся страны,
например, Китай успешно наращивает автомобильное производство.
В экономике стран, особенно развитых, эксплуатация
автомобиля занимает одно из центральных мест. Это касается не только массовых
перевозок грузов, без которых не может функционировать нормальное производство
товаров и услуг, автомобиль и трактор в сельском хозяйстве является основой
технологий производства.
Миллионы рабочих мест заняты производством
автомобилей, их обслуживанием и торговлей ими. Когда в результате недавнего
финансового кризиса, сократилось автомобильное производство и создалась угроза
банкротства главных автомобильных корпораций США, государство вынуждено было
субсидировать миллиарды долларов, чтобы предотвратить массовые увольнения
рабочих и таким образом отвести угрозу национальной катастрофы. Аналогичные
процессы мы наблюдаем и в других развитых государствах мира, в том числе и в
России.
Из сказанного следует, что экономика мира, так
или иначе, определяется автомобилем, больше того, обладание им, повседневные
заботы о нем, комфорт и престиж, которые придают владение автомобилем - все это
определяет одно из главных забот современного общества.
К середине ХХ -го века потребность в топливе для
автомобилей настолько возросла (из-за роста числа автомобилей), что страны -
экспортеры нефти объединились в картель, названный ОПЕК (Организация
стран-экспортеров нефти). Цель этой организации, как она сама себя декларирует,
- координация деятельности и выработка общей политики в отношении добычи нефти,
поддержания стабильных цен и стабильных ее поставок. В настоящее время в ОПЕК
входит 12 стран, в которых добывается нефть. Россия в это число не входит. Она
в 2008 году заявила о готовности стать постоянным наблюдателем в картеле. ОПЕК
контролирует около 2/3 мировых запасов нефти, на долю ОПЕК приходится 40% от
всемирной добычи и половина мирового экспорта нефти. Такое исключительное
положение ОПЕК сделало их монополистами в политике цен на нефть. Поскольку ОПЕК
в большинстве составляют страны ближневосточного региона, которые находятся во
враждебной позиции к странам Запада, основным потребителям нефти, то любой
политический скандал арабских стран с Западом превращается в кризис с поставкой
нефти и сводится к ее удорожанию. Такой кризис, например, произошел в 1973-74
годах, когда добыча нефти сократилась на 7%, а цены на нефть выросли в 4 раза.
В дальнейшем в течение последних десятилетий цены на нефть удерживаются на этом
спекулятивном уровне, колебались на уровне 100…120 долларов за баррель.
На настроение потребителей продуктов переработки
нефти заметное влияние оказывает прогнозы того, что в ближайшие 40 лет мировые
запасы нефти истощатся и тогда наступит катастрофа, ибо Западная цивилизация не
может существовать без автомобиля.
Таким образом, вопросы экономного расхода
топлива имеют важное значение не только экономическое, экологическое, но и
политическое.
2. Нефтяное топливо - источник
глобальных проблем
Эту картину надо дополнить тем, что вносит в
жизнь общества заботы о питании автомобиля топливом. Проследите то, что
делается на рынке со стоимостью нефти, как реагируют люди на повышение цены на
бензин. Ведь все эти события с ценами имеют непосредственное отношение к
автомобилям.
Страх, что вот-вот в недалеком будущем кончатся
природные запасы нефти, периодически охватывает население развитых стран,
которые являются основными потребителями горючего для автомобилей.
В автомобиле, как всем известно, для его
приведения в движение используется двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в
котором химическая энергия топлива превращается в механическую работу; она то и
движет автомобиль. Топливом для ДВС сейчас является, главным образом, бензин
или соляр (дизельное топливо), которые являются продуктами переработки нефти.
Так вот - о нефти.
Нефть - природное полезное ископаемое, состоящее
из сложных углеводородов и некоторых органических соединений. Большинство
залежей нефти расположено на глубине 1…3 км, но есть месторождения, где она
лежит на глубине 5…6 км. Сырая нефть, то есть нефть, не подверженная
переработке, почти не применяется. Переработка нефти позволяет получить из
нефти главным образом топливо для ДВС, а также многочисленные продукты для
химической промышленности. Нефть занимает ведущее место в мировом
топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потреблении составляет 48%.
По прогнозам, по нынешним темпам потребления,
разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной - еще на 10…50 лет,
Имеются также большие запасы нефти в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой
нефти при нынешних темпах ее потребления хватит на 110 лет. Однако добывающие
компании еще не могут производить много нефти из нефтяных песков.
Особенность нефти как товара состоит в том, что
рост цен (по разным причинам) мало влияет на спрос. Редкий владелец автомобиля
начнет ездить в автобусе из-за роста цен на бензин. Поэтому даже небольшое
падение объемов добычи нефти приводит к росту цен.
В долгосрочной перспективе спрос будет непрерывно
увеличиваться за счет увеличения количества автомобилей. В ХХ веке рост спроса
на нефть уравновешивался разведкой новых месторождений, позволявших увеличить
добычу нефти. Однако, многие считают, что в ХХ1 -ом веке нефтяные месторождения
исчерпают себя и диспропорция между спросом и предложением приведет к резкому
росту цен - наступит нефтяной кризис. В 1973-74 годах мир уже пережил такой
кризис, когда добыча сократилась на 7%, а цены на нефть выросли в 4 раза. В
дальнейшем в течение последних десятилетий цены на нефть колебались в широких
пределах и сейчас находятся на уровне 100…120 долларов за баррель.
Кроме нефти есть и другие топлива, пригодные для
ДВС. Поэтому представляет интерес проанализировать свойства бензина и солярки,
как топлива для ДВС. Это позволит нам понять, почему эти топлива заняли такое
исключительное положение и почему возникли глобальные проблемы.
Преимущества бензина и солярки
определяется, во-первых, тем, что они обладают высокой плотностью энергии,
измерителем которой служит теплотворная способность. Она для этих топлив равна
42.10
…44.10 Дж/кг.
Во-вторых, эти топлива легко хранить и транспортировать.
Наиболее серьезным недостатком
бензина является его свойство при сжатии в ДВС смеси бензина с воздухом
воспламеняться. Это явление называется детонацией (взрывное сгорание). Для
устранения этого явления в бензин добавляют специальные добавки, их еще
называют присадками. Бензин классифицируют по октановому числу. Это цифра в
марке бензина. Чем больше это число, тем лучше бензин в отношении отсутствия
детонации. Антидетанационные присадки делают бензин очень токсичным,
отравляющим веществом. Даже вдыхание некоторое время паров такого бензина
приводит к симптомам отравления.
Большой вред атмосфере наносят
выхлопные газы, продукты сгорания бензина и дизельного топлива. В составе
выхлопных газов, кроме водяного пара и углекислого газа в количестве до 16%,
присутствуют следующие токсичные компоненты: угарный газ - до 5%, оксиды азота,
углеводороды (продукты неполного сгорания), альдегиды, сажа и бензпирин
(последние два являются канцерогенами). Суммарный объем выхлопных газов можно
ориентировочно оценить следующим образом: один литр сжигаемого бензина проводит
к образованию 16 кубометров или 16000 литров смеси различных газов.
Наибольшую опасность для здоровья
людей представляют окислы азота. Они примерно в 10 раз более опасны, чем
угарный газ. Токсичность различных углеводородов сильно отличается.
Непредельные углеводороды в присутствии диаксида азота, окисляются образуя
кислотосодержащие соединения - составляющее смогов. Обнаруженные в газах
ароматические углеводороды (бензопирен и апдрицен) - сильные канцерагены.
При использовании сернистых бензинов
в выхлопных газах обнаруживаются окислы серы, а при этилированном бензине -
свинец, бром, хлор и их соединения.
Длительный контакт со средой,
отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма
и приводит к болезням дыхательных путей, раку легких, вызывает атеросклероз
сосудов головного мозга. Особенно отмечается опасность близости выхлопных газов
для здоровья детей.
Изложенным не ограничивается вредное
влияние выхлопных газов. Мировое сообщество серьезно озабочено наблюдаемым
глобальным потеплением климата Земли. Это явление объясняется парниковым
эффектом, который происходит под воздействием парниковых газов - водяного пара,
углекислого и других газов. Поскольку водяной пар и углекислый газ присутствуют
в больших количествах в выхлопных газах, то ученые видят причину опасного
процесса изменения климата, в том числе, в сжигании нефтяного топлива в ДВС.
Итак, подведем итоги сказанному. С
одной стороны автомобиль является фундаментом экономики и занимает одно из
центральных мест в жизни людей, а с другой - с ним связаны проблемы, все больше
принимающие глобальный характер.
Чтобы решать эти проблемы я разделил
их на несколько частных. В числе их я, во-первых, называю проблему освобождения
Мира от нефтяной зависимости, то есть освобождения автомобиля от питания его
бензином или соляркой.
Значение этой проблемы выходит
далеко за рамки технической или экологической задачи. Спекулятивные цены на
нефть и ее производные держат, образно говоря, за горло развитые страны,
основные потребители нефтяного топлива. Особенно это относится к странам,
которые не обладают месторождениями нефти, например, к Израилю. Не случайно
теперешний премьер-министр Правительства Израиля Биньямин Нетаниягу поставил,
как приоритетную задачу перед научной и инженерной общественностью освободить
страну от нефтяной зависимости. Так что мое выдвижение этой проблемы на первое
место совпадает с инициативой премьер-министра Израиля. Однако в путях решения
этой проблемы мы расходимся с большинством из тех, кто приступил к решению этой
проблемы.
Главным откликом производителей
автомобилей и ученых в решении этой проблемы являются многочисленные работы по
созданию электрических и гибридных автомобилей, в развитии работ по создания
биотоплива и других экзотических видов топлив и в значительно меньшей степени
появились работы, популяризирующие применение горючего газа.
Преимущества газа в сравнении с
бензином и соляркой, как топлива для автомобиля, общеизвестны. Нам остается
здесь только напомнить эти преимущества
3. 1-ое направление работ в предлагаемом
проекте решения глобальных проблем: Газ - альтернатива нефтяному топливу.
Природный газ для использования его
в качестве топлива в автомобилях не требует какой-либо предварительной
переработки, достаточно только его очистка от механических примесей и воды, в
то время как бензин получается в результате дорогостоящей переработки нефти.
Стоимость газового топлива ниже стоимости бензина на величину, позволяющую
окупить затраты на приобретение и установку газового оборудования за 25-30 тыс.
км пробега.
На основе рассмотрения
физико-химических свойств газовых топлив можно утверждать, что они безусловно
превосходят бензиновые по следующим параметрам:
позволяют добиваться более высоких
мощностных и топливно-экономических показателей, чем у аналогичных по способу
организации рабочего процесса бензиновых двигателей. Специально
сконструированные газовые двигатели по удельным показателям мощности
превосходят бензиновые, а по топливной экономичности близки к дизельным;
по экологическим показателям выхлопа
значительно превосходят бензины. Токсичность выхлопных газов при работе на
природном газе на 90 % ниже токсичности выхлопных газов бензиновых двигателей.
Перевод двигателей на природный газ вместо бензина обеспечил снижение
содержания в выхлопных газах окиси углерода с 1,3 до 0,13 %, углеводородов с
221 до 88 млн. долей, а окислов и соединений азота с 1000 и более до 100-200
млн. долей. Таким образом, применение газового топлива заметно снижает
суммарную токсичность выхлопных газов - окиси углерода СО, двуокиси азота NO2,
углеводородов CH. Вредных соединений свинца в отработанном газовом топливе
вовсе не существует. Таким образом, газ является практически безвредным для
человека топливом; Дымность выхлопа в режиме свободного ускорения при работе на
газовом топливе в 3 раза ниже, чем при работе на бензине. При правильно
выбранном режиме работы двигателя снижается и уровень шума, что особенно важно
в условиях города.
Доказанные запасы газа в мире
составляют около 173 триллионов кубических метров, если к ним прибавить ещё и
не открытые запасы, которые по предварительным расчётам составляют около 120
триллионов кубических метров в сумме получается около 300 триллионов кубических
метров. Определенный интерес представляют запасы газовых гидратов -
кристаллических соединений, образующихся при определенных термобарических
условий из воды и газа. Газовые гидраты рассматриваются как потенциальные
источника топлива. По различным оценкам запасы углеводородов в гидратах
составляют от 1,8.10
до 7,6.10
м
.С
газогидратами связано появление новых технологий и использование газогидратов в
качестве источников горючего газа одна из них.
Газовым топливом является также
метан угольных пластов. Он содержится в угленосных отложениях и является
причиной взрывов в угольных шахтах. Этот метан может добываться как
самостоятельное ископаемое топливо и попутный продукт в процессе дегазации
шахт. Его запасы оцениваются в 240 трилн. м.
Источником газообразного топлива для
автомобилей является также каменный уголь. Его разведанные запасы составляют
около 1000 трилн.т, намного больше запасов нефти и природного газа вместе
взятых. При сжигании каменного угля в атмосферу выбрасывается большое
количество углекислого газа, сажи, золы и других отходов. Это обстоятельство
существенно снижает ценность угля как топлива. Поэтому актуальна переработка
угля в другие виды топлива (например, в горючий газ, среднетемпературный кокс и
др.). Например, в Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации
угля активно применялись для производства моторного топлива. В ЮАР добывают газ
с использованием технологии слоевой газификации под давлением, первые
разработки которой были также выполнены в Германии в 30-40-е годы XX века, в
настоящее время из бурого угля производится более 100 наименований продукции.
(Данный процесс газификации известен также под названием "способ
Lurgi".)
В СССР был разработан ряд уникальных
технологий переработки низкозольных бурых и каменных углей. Данные угли могут
быть подвержены энерготехнологической переработке в такие ценные продукты, как среднетемпературный
кокс, способный служить заменителем классическому коксу в ряде
металлургических процессов, горючий газ, и синтез-газ, который
может использоваться при производстве синтетических углеводородных топлив.
Сжигание топлив, получаемых в результате энерготехнологической переработки
угля, даёт существенный выигрыш в показателях вредных выбросов относительно сжигания
исходного угля. В 1996 году был построен завод по переработке угля в сорбент и
горючий газ в г. Красноярске (Красноярский край, Россия). В основу завода легла
запатентованная технология слоевой газификации угля с обращённым дутьём (или
обращённый процесс слоевой газификации угля). Ввиду исключительно низких (по
сравнению с традиционными технологиями сжигания угля) показателей вредных
выбросов он располагается неподалёку от центра города.
Следует отметить некоторые
характерные отличия технологии слоевой газификации угля с обращённым дутьём от
прямого процесса газификации, одна из разновидностей которого (газификация под
давлением) используется на заводе SASOL в ЮАР. Производимый в обращённом
процессе горючий газ, в отличие от прямого процесса, не содержит продуктов
пиролиза угля, поэтому в обращённом процессе не требуются сложные и
дорогостоящие системы газоочистки. Кроме того, в обращённом процессе возможно
организовать неполную газификацию (карбонизацию) угля. При этом производятся
сразу два полезных продукта: среднетемпературный кокс (карбонизат) и горючий
газ. Преимуществом прямого процесса газификации, с другой стороны, является его
более высокая производительность. В период наиболее активного развития
технологий газификации угля (первая половина XX века) это обусловило
практически полное отсутствие интереса к обращённому процессу слоевой
газификации угля. Однако в настоящее время рыночная конъюнктура такова, что
стоимость одного только среднетемпературного кокса, производимого в обращённом
процессе газификации угля (при карбонизации), позволяет компенсировать все
затраты на его производство. Попутный продукт - горючий газ в этом случае имеет
условно нулевую себестоимость. Это обстоятельство обеспечивает высокую
инвестиционную привлекательность данной технологии.
Нетрудно заметить, что в этом
кратком обзоре ничего не говорится об огромных запасах горючего газа в сланцах
и о появлении новой высоко эффективной технологии добычи газа из сланцев. Мы
также не упомянули об открытых в последнее время месторождениях газа в
Средиземном море вблизи от берегов Израиля, не упомянули о публикациях, в
которых прогнозируются дальнейшие открытия крупных месторождений газа в
Средиземном море. Именно эти потенциальные запасы газообразного топлива вместе
с уже освоенными выдвигают газ как альтернативу бензину и соляру и это не
просто замена одного топлива на другое, использование газа в ДВС дает ряд
технико-экономических преимуществ и экологических достоинств в сравнении с
топливом из нефти. Таким образом, мировые запасы газа таковы, что снимают
остроту опасения о грядущем вскоре энергетическом кризисе;
Приведем также следующие данные:
при переходе с жидкого топлива на
газообразное срок службы двигателя до капитального ремонта возрастает в 1,5
раза, а сроки смены масла увеличиваются в 2 раза...
коэффициент полезного действия (КПД)
газовых двигателей достигает 38-40 % в широком диапазоне режимов. Для сравнения
укажем, что КПД бензинового двигателя составляет лишь 30-35 % и только на
наиболее экономичных режимах работы...
особенно усложнено приготовление
смеси для бензиновых двигателей при низких температурах атмосферного воздуха
вследствие того, что бензин в этих условиях плохо испаряется. При газовом
топливе приготовление равномерной смеси не вызывает труда...
использование газа в автомобильных
двигателях увеличивает срок службы свечей до 85 тыс. км.; нет испарения
топлива, не образуются паровоздушные пробки в топливоподающей системе,
обеспечиваются: устойчивая работа на холостом ходу, хорошая приемистость и
пожаробезобасность. Использования газового топлива для ДВС автомобилей, заключается
в более полном сгорании газовоздушной смеси, благодаря чему улучшаются условия
смазки трущейся пары гильза - поршневые кольца, так как газовое топливо не
смывает масло со стен гильзы. Поэтому же уменьшается нагарообразование в
головке блока и на поршнях. Масло можно менять значительно реже, так как оно не
разжижается и меньше загрязняется. Расход масла на угар при этом снижается до
15 %. Межремонтный пробег газового двигателя более продолжительный по сравнению
с бензиновым.
По данным фирмы "Ford"
(США), мощность автомобильного двигателя, работающего на СПГ после 55 тыс. миль
пробега, была на 10 % выше, чем аналогичного, работавшего на бензине
(соответственно 74 и 66 кВт), а содержание окиси углерода в выхлопных газах
двигателей было в 5 раз ниже (соответственно 0,21 и 1,2 %). Аналогичные
результаты показывают также и другие фирмы.
Приоритетность природного газа, как
наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива, очевидна для
многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии,
Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода
автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого
разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая,
налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс.
В Нидерландах более 50% всего
автотранспорта используют в качестве топлива газ, в Италии - более 20% (около
2-х миллионов автомобилей) В Германии число автомобилей, использующих газ,
достигает 500 тыс., а в Японии - миллиона.
% автобусного парка Вены и 87% парка
Дании работают на газе.
В Аргентине 1.2 миллиона машин
использует в качестве топлива газ.
В странах Западной Европы для
стимулирования газификации автотранспорта предусматривается существенное уменьшение
налогов на автомобили, использующие газовое топливо. В среднем, эта разница
составляет 1,5-2 раза, кроме того, автовладельцы после конверсии автомобиля
освобождаются от налоговых выплат на 3 года. С 1996 года в Великобритании и
Франции существенно уменьшены налоги на автомобили, использующие газовое
топливо. В Германии эта разница составляет 1,5 раза, в Нидерландах - 1,7 раза.
По данным за 2009 год в Израиле число машин,
работающих на газе, составляет 0,27% от всего парка автомобилей. Вот так в Израиле,
не на словах, а на деле, осуществляют технический прогресс. Аналогичное
положение с использованием газа в автомобилях имеет место и в России.
В качестве газового топлива для автомобиля
применяют либо смесь пропана и бутана, в смеси их примерно поровну.(Эти газы
получают из попутного нефтяного газа или при переработке нефти), либо природный
газ, почти чистый метан. В основном используется пропан-бутан, поскольку он
сравнительно легко подвергается сжижению и хранению в баллонах под давлением 16
атм, его заправка такая же, как бензина, поскольку он жидкий, цена - примерно
50% от стоимости бензина А95.
Метан в сравнении с пропан-бутаном имеет тот
недостаток, что его хранят в баллонах при давлении 200 атм, а такие баллоны,
либо цельно металлические, либо металлокомпозитные, требуют при изготовлении
специальной технологии и потому дороже и занимают в багажнике больше места, чем
баллоны с пропан -бутаном. Метан дешевле бензина А95/98 в три раза.
Переоборудование одного микроавтобуса "Газель" окупается при пробеге
12 тысяч километров. Годовая экономия от эксплуатации трех "Газелей"
позволяет купить еще один такой микроавтобус.
При использовании метана имеет место более
экономное расходование топлива на холостом ходу и при частичной нагрузке
двигателя, что означает меньшую загазованность атмосферы при езде в городе. В
выхлопных газах двигателя, работающего на метане, на 13% меньше углекислого
газа, чем при работе на бензине. Это важно, так как углекислый газ является
основным тепличным газом, ответственным за процесс глобального потепления
планеты.
Природные запасы метана на порядок превышают
запасы нефти, и это без учета недавно открытых огромных месторождений
природного газа в Средиземном море и освоенной новой технологии добычи газа из
горючих сланцев, запасы газа в которых также огромны.
Как правило, применяется хорошо освоенная
технология переоборудования автомобиля на питания его газом. Эта технология
гораздо проще, чем бензиновая система. Газ из герметичного баллона поступает
под давлением в редуктор. Там он испаряется и уже в газообразном виде (в
парообразной фазе) идет через дозатор в смеситель. Смеситель, установленный
перед штатной дроссельной заслонкой, отвечает за подготовку топливной
газо-воздушной смеси. Перевод существующего автомобиля на питание газом в наши
дни выполняется многочисленными фирмами, Это делается быстро и просто. Однако
такой перевод на газовое топливо не использует одно из его преимуществ:
природное высокое октановое число и потому ДВС на газе допускает большие, чем в
автомобиле, питаемом бензином, степени сжатия и потому большую экономичность и
мощность. Однако такой ДВС должен быть другим по конструкции и потому такая
замена ДВС проблема не из дешевых. Поэтому передовые страны производят ДВС,
специально приспособленные для работы на газе. В них применяется значительно
большие степени сжатия, чем в двигателях, питаемых бензином. В результате
двигатели, предназначенные работать на газе, обладают большим, чем бензиновые,
КПД, что дает дополнительную экономию топлива.
Почему же до сих пор мы все не перешли на
газовое топливо для автомобиля? Основная проблема газификации автомобильного
транспорта - создание в стране системы хранения и транспортировки баллонов с
газом.
Перечисленные преимущества газа в качестве
топлива для автомобиля действительно приближают нас в максимальной степени к
решению экологических и технико-экономических проблем, связанных с автомобилем,
но массовый перевод автомобиля на газ - комплекс проблем, которые могут быть
решены только на государственном уровне, ибо для их решения необходимо
преодолеть сопротивление производителей и торговцев бензином и соляркой,
создать в стране инфраструктуру снабжения баллонами с газом на заправочных
станциях и, наконец, производить ДВС, наилучшим образом приспособленные для
использования свойств газа, как топлива в ДВС
4. 2-ое направление работ по проекту
решения глобальных проблем: Развитие работ по увеличению поглотительной
способности углекислого газа растениями в процессе биосинтеза
Следует все же признать, что проблемы перевода
автомобиля на газ не могут быть решены в одночасье, это достаточно длительный
процесс, в течение которого по дорогам страны будут бегать как автомобили на
бензине и солярке, так и на газе.
И еще: при всей привлекательности газа для
питания автомобиля, выхлопные газы и при питании газом содержат большое
количество углекислого газа, который участвует в процессах парникового эффекта,
которые приводят к глобальному потеплению.
Парниковый эффект - повышение температуры нижних
слоев атмосферы по сравнению с температурой теплового излучения планеты,
наблюдаемого из космоса. Основными газами, вызывающими парниковый эффект,
являются водяной пар, углекислый газ и другие газы, действие которых в данном
рассмотрении нас не интересует. Прямое антропогенное влияние водяного газа на
парниковый эффект незначительно. Повышение влажности атмосферы способствует
развитию облачного покрова, а облака отражают прямой солнечный свет, тем самым
увеличивают отражательную способность Земли, что приводит к антипарниковому
эффекту.
Естественными источниками углекислого газа в
атмосфере Земли являются вулканические выбросы и жизнедеятельность биосферы.
Антропогенными источниками являются: сжигание ископаемых топлив и биомассы, в
том числе сведение лесов. До увеличения масштабов деятельности человека в Х1Х
веке наблюдалось равновесие в производстве и поглощения углекислого газа. С
наступлением промышленной революции в середине Х1Х века происходило постепенное
увеличение антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу, что привело к
росту его концентрации в настоящее время на 39 %, то есть концентрация
повышалась ежегодно на 1,7 %. Согласно некоторым исследованиям, современный
уровень концентрации углекислого газа в атмосфере является максимальным за
последние 800 тысяч лет и, возможно, за последние 20 миллионов лет. Ученые
также отмечают, что на увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере
оказывают влияние и такие естественные процессы, как рост средней температуры,
который происходил по нескольким причинам и в том числе по причине исключительно
высокой солнечной активности.
По вопросу об изменении климата планеты имеются
серьезные возражения определенной части научной общественности. В частности,
остается спорным вопрос о существенном влиянии на климат планеты промышленной
деятельности человечества в последний век. Так или иначе, но выбросы
углекислого газа автомобилем очень беспокоят население, особенно развитых стран
и жителей больших городов, ибо глобальное потепление, которое рассматривается
как следствие деятельности человека, угрожает столь масштабными мировыми
катастрофами, что борьба с ним является оправданной. А это значит, что
необходимо искать способа уменьшения концентрации углекислого газа.
Потребление углекислого газа происходит в двух
естественных процесса - это, во-первых, процесс фотосинтеза и, во- вторых,
растворение углекислого газа в водах океана. Что касается второго процесса, то
известно, что растворенный в океане углекислый газ вступает в химическую
реакцию, в результате которой получается гидрокарбонат и его ионы. Однако
скорость этого процесса остается пока не определенной и не известно можно ли
интенсифицировать этот процесс.
Таким образом, для поиска путей более
интенсивного потребления углекислого газа в целях уменьшения его концентрации в
атмосфере остается только фотосинтез - процесс образования органического
вещества из углекислого газа и воды на свету. Фотосинтез является основным
источником биологической энергии, его роль в развитии жизни на Земле
исключительна. Весь свободный кислород атмосферы - биологического происхождения
и является побочным продуктом фотосинтеза. Наличие кислорода в атмосфере
изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появления дыхания и в
дальнейшем позволило жизни выйти на сушу.
Установленным фактом является то, что есть
растения, в которых фотосинтез происходит более интенсивно, это следует из
большей интенсивности накопления ими биомассы. Признанным рекордсменом в этом
процесс является зеленая водоросль хлорелла. Описание свойств хлореллы в
интернете сопровождается таким эпитетами: хлорелла - это удивительная
водоросль, которая не имеет себе аналогов в животном мире. Хлореллу безошибочно
можно назвать одним из величайших чудес Света, а ее открытие смело причислить к
самым выдающимся достижениям научного мира.
Хлорелла относится к классу одноклеточных
зеленых водорослей. Ее среда обитания - пресноводные водоемы, где в процессе
фотосинтеза поглощает углекислый газ и насыщает воздух кислородом. Для процесса
фотосинтеза хлорелле требуется только вода, углекислый газ и свет.
До начала освоения космоса хлорелла интересовала
(и интересует до сих пор) как источник весьма питательного продукта,
обладающего рядом лечебных свойств. Но с началом освоения космоса встал вопрос
об обеспечении космонавтов не только продуктами питания, но и кислородом и
технологией очистки воздуха и воды в изолированном пространстве космического
корабля. Все это оказалось можно осуществить с помощью хлореллы.
Глобальные процессы изменения климата,
продовольственные проблемы и многое другое все в большей степени формирует у
людей представление о том, что Земля является своеобразным космическим
аппаратом и для нее, как объекта существования людей и животного мира,
требуется единый подход к оценкам ряда параметров жизнеобеспечения и
поддержания этих параметров на заданном уровне. Хлорелла как нельзя лучше
предназначена решать эти глобальные задачи. Но мы не видим, чтобы человечество
интенсивно занималось разработкой схем и процессов использования хлореллы для
решения этих проблем. Откройте сегодняшние газеты, обратитесь к интернету и Вы
убедитесь, что о хлорелле нет ни слова. Сообщают о новых автомобилях, о свадьбе
принца, о разводе артистки, но ни слова хлорелле. А надо говорить не только о
хлорелле, надо на государственном уровне решать вопрос о запрете вырубки лесов,
надо в ООН поставить вопрос об оводнении и озеленении пустынь. Все это будет
решать указанные глобальные проблемы. Необходимо на государственном уровне
решать вопросы размещения прудов и озер с хлореллой. Ведь хлорелла кроме
поглощения углекислого газа является интенсивным производителем белковой массы,
близкой по свойствам к мясу. Эта белковая масса может быть использована (и уже
используется, например, в Японии) для подкормки скота. В водорослях видят
интенсивного производителя биотоплива. Приводятся такие цифры: один акр пруда с
хлореллой может вырабатывать свыше пяти тысяч галлонов биотоплива в год, в то
время как этанола (биотоплива, производимого из кукурузы) получается с той же
площади в один акр только 350 галлонов в год (см. Майкл Тотти, The wall Street
Jornal).
Необходимо также инициировать научные разработки
(если они отсутствуют) методов генной инженерии с целью создания растений
(водорослей), более интенсивно поглощающих углекислый газ, чем хлорелла.
5. Я против электромобиля на современном
этапе развития техники
Наконец, третье и четвертое направления нашего
проекта решения глобальных проблем, связанных с автомобилем, характеризуется
оппонированием увлечению многих производителей автомобилей созданием
электромобилей и, так называемых, гибридов. Нетрудно заметить тождество целей
нашего проекта и проекта, связанного с заменой существующего автомобиля
электромобилем.
Нынешний всплеск интереса к электромобилю
является ответом на резкое подорожание нефти и продуктов ее переработки, на
прогнозы ближайшего истощения мировых запасов нефти, на загазованность
атмосферы городов продуктами выхлопа автомобиля, на угрозу глобального
потепления климата Земли из-за выбросов в атмосферу промышленных отходов, в том
числе выхлопных газов автомобилей.
Электромобиль создавал впечатление решения этих
проблем. Действительно, казалось, что нет ничего проще перейти на электрическую
тягу, все элементы которой хорошо известны и отработаны в стационарных машинах;
перейти на электрическую тягу и тем самым избавиться от нефтяной зависимости,
ибо все перечисленные проблемы автомобиля были и есть следствием использования
нефтяного топлива.
Так казалось, так виделось…
Сегодня, по прошествии десятилетия со времени
появления первых электромобилей (первых - в наши дни, так как идея
электромобиля имеет давнюю историю) все выглядит совсем не так просто и
очевидно.
Во-первых, пришлось вспомнить, что автомобиль -
изделие массового производства и переход на электрическую тягу потребует
переделать коренным образом всю силовую его часть, а это будет стоить огромных
затрат. Сказанное относится в полной мере к созданию новой инфраструктуры
обслуживания электромобиля.
Во-вторых, сегодняшняя цена электромобиля (речь
идет о легковом автомобиле, о грузовых - пока даже не упоминают) - около 40000
долларов; в этой цене около 13000 составляют затраты на аккумуляторные батареи.
А их срок службы - 7 лет. Через 7 лет хозяин машины будет вынужден вложить еще
13000 долларов в свой автомобиль.
В- третьих, электрическая энергия для
перезарядки аккумуляторов берется из сети. Для того, чтобы было что брать из
сети потребуется чуть ли не вдвое увеличить производство электроэнергии и это
тоже огромные затраты.
В- четвертых, оказалось, что утилизация
отработанных аккумуляторов представляет отдельную проблему, решение которой
пока не видно.
Сегодня пробег электромобиля для пяти пассажиров
на одной зарядке аккумуляторов составляет165…200 км., при этом он везет
аккумуляторов весом около 300кг.
Здесь уместно заметить, что кроме аккумуляторных
батарей могут быть использованы несколько других источников электричества,
например, топливные элементы, но до их практического применения настолько
далеко, что не видно горизонта.
Тут перечислены основные проблемы, связанные с
реализацией массового производства электромобилей.
Нет, я не против электромобиля. Более того, я
считаю, что ему принадлежит будущее. Будущее, возможно, отдаленное.
Говорят, что политика - поиск возможного. То же
самое можно сказать и о деятельности инженера, о его поиске приемлемых решений.
Это поиск экономически оправданных решений, решений, соответствующих настоящему
уровню техники.
Уважаемый читатель! Ты задумывался, почему
произошел недавний экономический кризис, почему Греция оказалась перед
дефолтом, почему тоже самое угрожает Испании, Португалии и некоторым другим
странам? Я открою тебе секрет: экономический кризис в этих странах произошел
из-за того, что они жили и хотят дальше жить не по средствам, жить шикарно, не
задумываясь о том, что, откуда и почему берется, работать поменьше или вовсе не
работать, ездить на дорогих автомобилях, в том числе на электромобилях.
Оказалось, что это невозможно. На днях Ангеле Меркель, канцлер Германии сказала
об этом открыто(пересказываю): "Шикарная жизнь закончилась навсегда".
Не будет у людей электромобиля. Это им сегодня не по карману.
Хочу привести мое доказательство этого
утверждения. Появление электромобиля, его захват рынка угрожает производителю
нефтяного топлива. Почему же не видно, чтобы этот торговец нефтяным топливом
был обеспокоен деятельностью появившегося конкурента?. Да потому, что он не
видит в нем серьезного противника, не верит в широкое применение электромобиля.
Другими словами, вся история техники
свидетельствует, что только то изделие завоевывает рынок, становится предметом
серийного производства, которое предлагает решение актуальной проблемы более
экономичными средствами.
6. 3-ье направление работ по проекту
решения глобальных проблем, связанных с автомобилем: Маховичный накопитель
энергии - альтернатива гибридам
Рассмотрим в этой связи решение проблемы
загазованности городов выхлопами автомобилей, работающих на бензине или
солярке.
Известно, что городской цикл езды автомобиля
существенно отличается от условий его езды по загородному шоссе. В городе
водитель то и дело вынужден останавливаться, стоять в пробках, маневрировать.
Следствием этого является то, что удельный расход топлива в городе у автомобиля
почти в два раза выше, чем при езде за городом., а скопление автомобилей в
городах довершают отравление атмосферы.
Гибрид лучше электромобиля - он решает наиболее
острую проблему городов, почти вдвое уменьшает удельный расход топлива в
сравнении с автомобилем, приводимом ДВС, снимает проблемы ограниченного пробега
электромобиля и зарядки батарей, так как они при езде на ДВС подзаряжаются. Но
вот стоимость гибрида - это его уязвимое место в его характеристике: ведь в
гибриде два привода и устройство для их взаимодействия.
Как уже было сказано выше, ведущие автомобильные
гиганты видят решение этой проблемы в замене существующих автомобилей электромобилями
или их модификацией, названной гибридами. Оставим в стороне электромобили (о
них мы подробно поговорили выше и поговорим еще далее) и остановимся на анализе
гибридов.
В гибриде два силовых агрегата: обычный, с ДВС,
и электрический привод, кроме того имеется электронная система управления. При
езде в городе ДВС отключен и автомобиль движется за счет энергии аккумуляторных
батарей, при езде за городом автомобиль приводится от ДВС, в то же время
происходит подзарядка аккумуляторных батарей. Очевидно, что в гибриде имеет
место усложнение конструкции автомобиля, и потому его удорожание. Спрашивается,
можно ли решить ту же проблему более дешевыми средствами. Мы предложили такое
решение.
Наше решение состоит в том, что рядом с обычным
приводом от ДВС устанавливается маховик, который раскручивается от энергии
аккумуляторных батарей. При езде по городу ДВС отключается и привод автомобиля
происходит от маховика, при езде за городом - автомобиль приводится обычным
образом. В реализации этой схемы состоит третье направление работ в нашем
проекте.
Рассмотрим это направление работ более подробно.
Многократно доказано, что маховик (его еще называют супермаховиком) -
наиболее эффективный накопитель энергии. Уже разработано множество конструкций
маховиков, энергия которых используется для привода автомобиля, автобуса,
локомотива небольшой мощности, прокатных станов, землеройных машин, самолетных
катапульт, торпед и для многих других случаев, где требуется преодолевать
пиковые нагрузки.
Предпосылкой эффективного применения маховичного
привода в рассматриваемом случае состоит в том, что скорость движения
автомобиля в современном городе составляет, как правило, 20-50
км/ч. А это означает: для движения автомобиля в городских условиях требуется
мощность двигателя в 4-5 раз меньше той, которой
современное АТС, развивающее максимальную скорость 120-150
км/ч, располагает.
Схема предлагаемого маховичного привода содержит
вал1 (Рис. 1), на который соосно со штатным маховиком 2 двигателя на
подшипниках 3 установлен маховик-накопитель 4. Между этими маховиками
располагается фрикционная муфта 5, которая во включенном состоянии соединяет
оба маховика между собой. (Включается она с помощью электромагнита 6.) Когда же
эта муфта выключена, маховик 4 свободно вращается на подшипниках 3.
Рис 1.
Маховик-накопитель 4 помещен в кожух 7, зазор
между ним и кожухом устанавливается таким же, как между статором и ротором в
асинхронных электродвигателях.
В кожухе 7 размещена электрообмотка 8,
образующая два полюса электромагнита статора, питаемого от батареи
аккумуляторов (на рисунке не показана). В цепи питания обмотки предусмотрен
инвертор для преобразования постоянного тока батареи в переменный ток с
параметрами, которые требуются для обмотки 8. В цепи питания этой обмотки
должен быть реостат для регулирования сопротивления цепи и тем самым -
силы тока в ней. (Электрическая цепь может быть либо присоединенной к обмотке
8, либо отсоединенной от нее.)
Обод 9 маховика-накопителя 4 -
стальной. Он с помощь спиц связан со ступицей 10, в которой находятся
подшипники 3 вала 1. На ободе 9 размещена обмотка 11, аналогичная обмотке
ротора асинхронного электродвигателя.
Применительно к этой схеме был выполнен пример
расчета маховичного накопителя для легкого автомобиля среднего класса (рабочий
объем двигателя Vл = 1,8…2,5 л), снаряженная масса которого ma =
1500 кг. При этом принят маховик 4 массой 6 кг. (его размеры: наружный диаметр-
500мм, внутренний диаметр обода 9 - 400 мм, ширина обода 9 - 100 мм). Маховик в
раскрученном состоянии совершал 3000 об/мин. Движение автомобиля в городском
цикле совершалось на энергии маховика. При этом движение принималось состоящим
из одинаковых циклов, каждый из которых содержал стоянку у светофора, разгон до
скорости 50 км в час и последующее движение до следующего светофора. Кроме того
учитывалась стоянка в пробке около одного часа. В примере было определено, что
автомобиль с тремя аккумуляторами Varta PBO емкостью 140 А/ч может совершить 17
указанных циклов.
Если теперь сравнить описанное здесь устройство
для движения автомобиля в городском цикле с известными гибридами, то можно
констатировать, предложенное устройство существенно проще, чем гибрид, и,
значит, дешевле в производстве. Эксплуатационные расходы для обеих сравниваемых
вариантов будут одинаковыми.
7. 4-ое направление работ по проекту
решения глобальных проблем, связанных с автомобилем: Трансмиссии автомобилей с
импульсным вариатором
Рассмотренные выше гибриды и предложенное нами
устройство (маховичный накопитель), функционально эквивалентное гибриду, решают
не только экологическую проблему городов, они решают также и проблему
повышенного расхода топлива при движении автомобиля в городском цикле.
Надо отметить, что показатель расхода топлива -
удельный расход в граммах на 100 км пробега автомобиля - является важнейшим
показателем качества автомобиля и потому всегда приводится в его
характеристике. Это настолько важный показатель качества, что когда фирма
производитель рекламирует свою новую машину, то всегда указывает удельный
расход топлива, даже если он отличается от этого показателя для предшествующей
модели на несколько грамм.
Вся эта зависимость от нефти, от ее цены, от ее
запасов привело к тому, что многие из тех, кто имеет отношение к производству
автомобиля, к его эксплуатации и снабжению топливом, приступили к интенсивному
поиску путей решения проблемы замены нефти. Таким образом, сегодня мы слышим о
биотопливе, электромобилях, о гибридах и о многом другом. Не будем
останавливаться на анализе этих во многом экзотических путях решения названной
проблемы, одно можно сказать определенно - эти пути или вообще не дают
существенного сдвига в решении проблемы, либо создают лишь видимость ее
решения, поскольку основываются на нерешенных задачах или (и) порождают новые
серьезные проблемы.
В наши дни можно говорить в первую очередь о
сформировавшимся и интенсивно развивающимся направлении избавления от нефтяной
зависимости, которое можно кратко назвать электромобиль, то есть автомобиль,
приводимый в движение электродвигателем.
Выше мы достаточно подробно рассмотрели причины,
препятствующие широкому распространению электромобиля. Преимущества этого
привода очевидны (бесшумность, простота управления, отсутствие выхлопных газов
и многое другое), а пока мы имеем аккумуляторные батареи, которые обеспечивают
от одной зарядки пробег легкового автомобиля на 160…200 км и только. И это
притом, что этот легковой автомобиль постоянно должна везти с собой около 300
кг аккумуляторных батарей. Несмотря на эти более чем скромные показатели, на
отсутствие инфраструктуры замены и зарядки аккумуляторных батарей, их
утилизацию - на создание электромобилей различные фирмы вкладывают ежегодно
миллионные суммы.
Ограниченные возможности электрического привода
и гибрида не позволяет применить эти приводы к некоторым легковым автомобилям,
не говоря уж о грузовых. Между тем, стремление к удешевлению затрат на топливо
и уменьшение вредных составляющих в выхлопных газах диктует поиск новых
тенденций в развитии автомобилестроения. Таким относительно новым является
направление увеличения числа ступеней в традиционной коробке скоростей (КП).
Считается, что увеличение числа скоростей позволяет улучшить управляемость
трансмиссией, то есть позволит назначать режимы работы ДВС наиболее выгодный с
точки зрения экономии топлива и уменьшения вредных составляющих в выхлопных
газах. Известно, что появились в эксплуатации КП легкового автомобиля с числом
передач 6…8, а грузовых автомобилей КП с 12…16 ступенями. Управление такой КП
становится задачей весьма сложной для водителя. Поэтому в таких
многоступенчатых КП наряду с ручным управлением применяются системы
электронного автоматического управления. Все это означает усложнение и
удорожание автомобиля. Возникает вопрос: является ли эта тенденция в развитии
автомобиля оправданной и нельзя ли предложить альтернативу этому пути развития
конструкции автомобиля.
В поисках этой альтернативы мы исходили из того,
что искомая альтернатива только тогда завоюет рынок, если она наряду с решением
тех же проблем, предложит более простые конструкции, сообщающие этим
конструкциям новые полезные свойства.
В этой связи следует отметить, что известны
многочисленные устройства (механические, гидравлические и электрические) для
бесступенчатого изменения передаточного числа в трансмиссии. Очевидно, что
применение бесступенчатого регулирования решает обсуждаемую проблему наилучшим
образом. Тем не менее, многолетний опыт попыток применить в автомобиле
механические или другие бесступенчатые передачи (вариаторы) свидетельствуют о
весьма скромных, единичных успехах в этой области. Что характерно, некоторые
успехи применения вариаторов не получают развития, автомобилестроение выбирает
путь увеличения числа ступеней в традиционной КП.
Из большого числа схем и конструкций
механических вариаторов наименее изученными (особенно применительно к
трансмиссии автомобиля) оказались импульсные вариаторы (ИВ). Одна из причин
этого является то, что в них применяются обгонные муфты (аналог храпового
механизма, их еще называют муфты свободного хода или автолог). В настоящее
время в результате работы большого числа ученых в России проблема создания
обгонной муфты для ИВ, работающего в условиях автомобильной трансмиссии,
решена.
Интерес к ИВ определяется тем, что в них
относительно просто получить широкий диапазон бесступенчатого регулирования: от
выбранного максимума скорости выходного вала до нуля, то есть такого положения,
когда ведущий вал вращается, а ведомый - неподвижен. Такая кинематика
применительно к автомобилю позволяет придавать ему новые свойства: обойтись без
муфты сцепления и осуществлять управление трансмиссией без размыкания кинематической
цепи привода. Другие особенности и преимущества возможного применения ИВ в
трансмиссии автомобиля рассмотрены нами далее.
В этой статье описана одна схема ИВ, а в
настоящее время появились и другие их схемы, представляющие интерес, кроме того
появилось устройство для придания трансмиссии с ИВ автоматизма.
Принцип работы ИВ заключается в том, что в нем
имеется качающееся звенья, движение которых далее с помощью обгонных муфт
преобразуется во вращение выходного вала вариатора. В случае использования ИВ с
приводом от электродвигателя или с приводом от обычного ДВС на входе в ИВ мы
имеем вращение вала, которое (в соответствии с принципом действия ИВ)
преобразуют в качание некоторых промежуточных звеньев, о чем сказано выше.
Однако ДВС обладает тем замечательным свойством, что в нем уже имеются
качающиеся (возвратно - поступательно движущиеся) звенья - это поршни. Поэтому,
если отказаться от вращения кривошипного вала, которое применено в обычном ДВС,
а ограничиться только его качанием, то конструкция ИВ существенно упрощается:
нет необходимости в превращении вращающегося вала в качание неких звеньев. В
этом смысле ДВС органически предназначен работать с ИВ.
В ДВС была применена деаксиальная схема
преобразования поступательного движения поршней в качательное движение колена
выходного вала ДВС. В результате угол отклонения шатуна от вертикали стал
существенно меньшим, чем в обычном ДВС. Результатом этого является уменьшение
силы трения поршня о цилиндр. В рассмотренном в примере показано, что работа этих
сил трения в пять раз меньше, чем в прототипе, в результате прогнозируется
повышение механического КПД ДВС на 22%, только от этого уменьшается расход
топлива на 16%, уменьшается тепловая напряженность деталей и увеличивается
долговечность поршня и цилиндра..
На рис.2 представлена одна из возможных схем
механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня в
колебательное движение коромысло R1 относительно точки О1. Поршень в этой схеме
движется по вертикали. Точка О лежит на линии движения поршня
Рис. 2
Расстояние ОО1 называется деаксиалом. Ход поршня
равен 2R, размер коромысла R1 = 1,41R.
В этой схеме коромысло О1 колеблется в пределах α = ±
45°. Именно в расчете этой схемы нами получены выше приведенные цифры
уменьшения работы силы трения в паре поршень - цилиндр.
Приводим схемы эскизно-технического проекта
трансмиссии автомобиля с ИВ применительно к четырехтактному четырех
цилиндровому бензиновому двигателю с параметрам двигателя Заволжского моторного
завода (Нижегородская обл.) ЗМЗ-4062.10 (принят за прототип). Эти схемы
разработаны в двух вариантах:
вариант 1. Рядное расположение цилиндров (Рис
3);
Рис. 3. 1, 3, 5 я 14- зубчатые колеса; 2 -
распределительный вал двигателя; 4 - кривошип двигателя; 6 и 10 - валы
вариатора; 7 - выходной вал вариатора; 8 - маховик; 9 - коромысло маховика; 11
и 12 - обгонные муфты; 13 - коромысло шатуна; 15 - шатун двигателя, В- вариатор
ИВА-2
Двух рядное расположение цилиндров (Рис. 4).
Рис.4. Поперечный разрез. Компоновка с
импульсным вариатором ИВА-1
Рассмотрим устройство и работу силового агрегата
с импульсным вариатором по рис. 3. Пусть цилиндры двигателя Р1, Р2, РЗ, Р4
пронумерованы в соответствии с порядком их работы. При этом будем считать, что
валы 6 и 10 вариатора приводятся в качательное движение от штатных шатунов 15 и
коромысел 13 ДВС. Но для привода маховика (в конструкцию двигателя введен
кривошипно-коромысловый механизм, коромысло 9 которого приводится от вала 10.
Передаточное отношение данного механизма выбрано таким, чтобы при качании
коромысла 9 из одного крайнего положения в другое кривошип 4 поворачивался на
180°.
Из рис. 3 видно, что вариатор В (здесь применен
вариатор ИВА-2) встроен в конструкцию двигателя и составляет с ним единое
целое. Управление клапанами газораспределения осуществляется от
распределительного вала 2, который приводится во вращение либо от вала 10, либо
от вала 6. На последних размещены обгонные муфты 11 и 12, которые, в
зависимости от направления их вращения, приводят зубчатые колеса 1, 3, 5 и 14,
связанные с валом 6, либо - с валом 10.
Работа двигателя сводится к следующему.
Допустим, что рабочий такт совершается в
цилиндре Р1. Тогда в цилиндре Р2 будет такт сжатия, в цилиндре РЗ - такт
всасывания, в цилиндре Р4 - такт выхлопа. Для того чтобы совершались эти такты,
валы 6 и 10 должны вращаться в разные стороны и амплитуды их качания должны
быть равны. Оба эти условия соблюдаются, поскольку в вариаторе предусмотрен
механизм конического реверса.
В тот момент времени, когда заканчивается
рабочий такт в цилиндре Р1, заканчивается такт сжатия в цилиндре Р2 и в нем
начинается рабочий такт. Это значит, что вал 6 начнет вращаться по часовой
стрелке, а вал 10 - против часовой стрелки, и в цилиндрах Р1 и РЗ будут
происходить соответственно такты выхлопа и сжатия, а в цилиндре Р4 - такт
всасывания. Далее рабочий такт совершается последовательно в цилиндрах РЗ и Р4.
То есть все такты совершаются в соответствии с принципом работы четырехтактного
четырехцилиндрового двигателя.
Нормальная работа ДВС возможна только при
наличии маховика. В рассматриваемой схеме он есть: это маховик 8, который
приводится во вращение от качающихся вала 10 и коромысла 9. То есть в тех
случаях, когда двигателю требуется подпитка энергией маховика, она
автоматически поступает через привод маховика 8, коромысла 9 и вала 10.
Рассмотрим теперь устройство и работу двигателя
по Рис.4, при этом не будем рассматривать вариатор ИВА-1. Цилиндры ДВС
расположены по обе стороны от линии О1О1 на расстоянии от нее, равное R. По
одну сторону от линии О1О1 расположены нечетные цилиндры (Р1 и Р3), а по другую
сторону - четные (Р2 и Р4). Работа ДВС происходит аналогично описанной
применительно к Рис.3: пусть рабочий такт совершается в цилиндре Р1, под
действием сил в этом цилиндре ось 5 повернется по часовой стрелке относительно
оси О1О1. Это значит, что в цилиндре Р2 может совершаться такт сжатия, в Р3 -
выхлопа, в Р4 - всасывания, Далее рабочий такт совершается в цилиндре Р2 и ось
6 поворачивается относительно оси О1О1 против часовой стрелки. Далее происходит
рабочий такт в цилиндре Р3 и поворот оси 5 по часовой стрелке. Таким образом
происходит колебательное движение вала 1 и привод ИВА.
В проекте рассмотрены вопросы уравновешивания
ДВС по рис.3 и 4. В связи с этим предложен механизм уравновешивания моментов
тангенциальных сил.
Ограничимся рассмотрением только импульсного
вариатора ИВА-2. (Рис. 3 и 5). Отметим, во-первых, что он встроен в двигатель и
составляет с ним неразделимое целое. Как видно из рисунка, он имеет два (8 и
15) входных вала, расположенные на одной геометрической оси О О. Каждый из них
несет кривошип В и коническое зубчатое колесо (вал 8 - колесо 12, вал 15 -
колесо 14). Данные колеса находятся в зацеплении с коническим же колесом 16,
ось которого находится в блоке цилиндров двигателя. Таким образом, колеса 12,
14 и 16 образуют механизм реверса, который связывает между собой валы 8 и 15.
Это означает: если вал 8 вращается, скажем, по часовой стрелке, то вал 15-
против часовой стрелки. Каждый из кривошипов В валов соединен со своим
коромыслом (вал 8 - с коромыслом 9, вал 15 - с коромыслом 11), закрепленных в
опорах 13, которые расположены на одной геометрической оси О1О1 в
ползуне 10. Данный ползун с помощью регулирующего механизма (на рисунке не
показан) может перемещаться в вертикальном направлении. В итоге опоры 13
обеспечивают свободу коромыслам 9 и 11 (первое из которых в точке А1
соединено с шатуном 6, а второе в точке А2 - с шатуном 7) в
колебательном и поступательном движениях.
Рис.5 Схема импульсного вариатора: 1 - выходной
вал; 2 и 4 - колеса с храповиками; 3, 5, 9 и 11 - коромысла; 6 и 7 - шатуны; 8
к 15 - входные валы; 10 - ползун; 12, 14 к 16- конические колеса механизма
реверса; 13 - опора
Второй конец шатуна 6 соединен с коромыслом 3, а
шатуна 7 - с коромыслом 5, которые свободно посажены на выходной вал 1
вариатора и несут храповики, взаимодействующие с храповыми колесами 2 или 4.
Коромысло 3 вместе с установленным на нем
храповиком и храповым колесом 2 (так же, как коромысло 11 с сидящем на нем
храповиком и храповым колесом 4)
образуют зубчатый обгонный механизм, предназначенный для передачи вращения от
шатуна к валу 1 только в одном направлении (по рис. 5 - по часовой стрелке).
Для простоты объяснения на рис. 5 показан весьма
примитивный вариант обгонного механизма. Реально созданные механизмы, которые
удовлетворяют высоким требованиям по несущей способности и долговечности,
предъявляемым к ним при работе в современных двигателях внутреннего сгорания,
разумеется, гораздо сложнее.
Импульсный вариатор работает следующим образом.
Валы 8 и 15 совершают колебательные движения.
Пусть, например, в данный момент времени роль рабочего (ведущего) играет вал
15. Тогда его поворот по часовой стрелке приведет к вращению колеса 4 (и,
значит, вала 1) также по часовой стрелке, а при его повороте против часовой
стрелки обгонный механизм не передаст движение на вал 1.
Далее. Поскольку валы 8 к 15 связаны между собой
коническим механизмом реверса, то вращение вала 15 по часовой стрелке заставит
вал 8 вращаться против часовой стрелки, потому его вращение не будет
передаваться на вал 1. И наоборот, вращение вала 15 против часовой стрелки
приведет вал 8 во вращение по часовой стрелке, которое приведет во вращение ват
1.
Таким образом, качание вала 15 в обе стороны
дает один и тот же результат - вращение вала 1 в одном направлении.
Режим работы вариатора задается (регулируется)
перемещением ползуна 10, т. е. синхронным изменением отношения плеч коромысел 9
и 11. В итоге, при постоянной амплитуде качания кривошипа В амплитуда качания
точек А1 и А2 изменяется в нужном направлении. Тем самым
меняется амплитуда качания коромысел, а значит, угол поворота вала 1 за одно
качание этих коромысел. В частности, опыт показал: положение ползуна можно
менять так, что точки А1 и А2 оказываются неподвижными.
Это означает, что, например, при неизменной амплитуде качания вала 15 вал 1
останется неподвижным. В целом же диапазон регулирования вариатора может быть
реализован в пределах от передаточного числа, равного единице, до передаточного
числа, равного бесконечности. Другими словами, частота вращения вала 1
вариатора можно менять от равной частоте вращения выходного вала ДВС до нуля.
Такой диапазон регулирования позволяет в трансмиссии обойтись без коробки
передач и без муфты сцепления.
Кроме тех преимуществ, о которых сказано выше, в
этом проекте показано, что габариты силового агрегата (ДВС+ИВ), в котором муфта
сцепления и КП отсутствуют, оказываются существенно меньше силового агрегата с
прототипом, то есть двигателя ЗМЗ 4062.10 + муфта сцепления + пятискоростная
КП. Важным нам представляется также тот факт, что новые уникальные свойства
трансмиссии автомобиля с ИВ, предлагается получить при использовании только
хорошо известных и всесторонне исследованных механизмов и деталей машин.
Опубликованные статьи о трансмиссии с ИВ,
приведенные в них в них результаты обозначили новое перспективное направление в
автомобилестроении, способное, по мысли его авторов, конкурировать в решении
глобальных проблем, связанных с автомобилем. Однако это новое направление
только обозначено. Чтобы оно развилось и завоевало рынок, необходимо создание
опытных образцов и натурные их испытаний. Без деятельного участия инвесторов и
автомобильных инженеров это вряд ли возможно осуществить.
8. Выводы
Глобальные проблемы, связанные с автомобилем,
предлагается решать следующими способами:
перевод ДВС автомобиля на питание горючим газом;
развернуть работы по биологическому, с применением
генной инженерии, усилении поглощения углекислого газа атмосферы;
развить маховичный привод для автомобилей,
работающих в городе;
развить автоматическую трансмиссию с импульсным
вариатором.
9 Литература
1. Кропп А.Е. Устройство для
экономии топлива при движении автомобиля в городском цикле. Журнал "
Автомобильная промышленность" 2012 год. В печати
2. Кропп А.Е. Новые обгонные
муфты и области их применения. "Вестник машиностроения", № 6, 2005
3. Кропп А.Е. Автотракторная
бесступенчатая трансмиссия". Автомобильная промышленность,№6, 2007.
. Кропп А.Е. Трансмиссия грузового
автомобиля с импульсным вариатором. Доклад на научно-практическом семинаре
Автомобильного института Нижегородского государственного технического
университета им. Р.Е. Алексеева. 08.06.2010 год
. Кропп А.Е. Система автоматического
регулирования автомобильной трансмиссии. Журнал "Автомобильная
промышленность". 2011г, в печати.
. Кропп А.Е. Схемы авто- тракторной
трансмиссии с импульсным вариатором. Журнал "Автомобильная
промышленность" 2012год, в печати
. Кропп А.Е. Трансмиссия автомобиля
с импульсным вариатором. "Журнал Ассоциации автомобильных инженеров., № 6
2011 год.
. Кропп А.Е. Газ - альтернатива
бензину и электромобилю. Статья в EXRUS-90.