Тема 2 Вдосконалення конструкції автомобіля
Автомобіль є складною технічною системою, що складається з безлічі підсистем. Під технічною системою розуміється сукупність об'єднаних між собою конструктивних елементів, призначених для вирішення загального технічного завдання. Основними системами, що визначають облаштування автомобіля, являються двигун, трансмісія, рульове управління, гальмівна система, система, що несе, підвіска і колеса.
Двигун є джерелом механічної енергії, необхідної для руху автомобіля. Механічна енергія виходить шляхом перетворення інших видів енергії, серед яких найбільше поширення отримали енергія згорання палива і електрична енергія. Двигун пов'язаний з трансмісією, яка у свою чергу перетворить і передає енергію до провідних коліс. Колеса перетворять механічну енергію в енергію поступальної ходи автомобіля.
Усі системи автомобіля базуються на системі(кузові), що несе. Кузов також є важливим елементом системи пасивної безпеки. Пружний зв'язок коліс і кузова забезпечує підвіска. Управління автомобілем робиться за допомогою двох основних систем - рульового управління і гальмівної системи. Рульове управління служить для зміни напряму руху. Гальмівна система забезпечує зміну швидкості руху автомобіля, його зупинку і утримання на місці.
Напрями вдосконалення конструкції автомобіля
Конструкція сучасного автомобіля розвивається одночасно в декількох напрямах, серед яких :
1. Підвищення безпеки. Автомобіль є об'єктом підвищеної небезпеки, що визначає розвиток різних систем безпеки. Широке поширення отримали системи активної безпеки, у тому числі антиблокувальна система гальм, система курсової стійкості. Значно підвищується захищеність водія і пасажирів із застосуванням засобів пасивної безпеки.
2. Підвищення паливної економічності. Витрата палива значною мірою залежить від конструкції двигуна і коробки передач. Економічність двигуна забезпечується застосуванням системи безпосереднього уприскування, системи уприскування Common Rail. Економія палива досягається також за рахунок зниження маси автомобіля шляхом застосування міцних сталей, легких металів і пластиків.
3. Підвищення екологічної безпеки. Автомобіль є джерелом забруднення довкілля, що стимулює безперервне підвищення екологічної безпеки. Сучасні екологічні норми Євро-5, якими автовиробники керуються з 2005 року, припускають зниження шкідливих викидів і рівня шуму за рахунок змін у випускній системі, застосування системи управління двигуном.
4. Підвищення комфортності. Охоплює широке коло питань і пов'язане з прагненням автовиробників створювати автомобілі, що найбільш повно відповідають індивідуальним запитам споживачів. Увійшло до практики застосування автоматичної коробки передач, рульового управління з підсилювачем, системи климат-контроля. Самі просунуті моделі оснащуються адаптивною підвіскою, системою активного головного світла.
Удосконалення двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ)
Вдосконалення існуючих двигунів проводиться за такими основними напрямками:
- поліпшування системи запалювання;
- зміна процесів подачі палива в циліндри двигуна;
- встановлення додаткових приладів, які зменшують вміст шкідливих компонентів у відпрацьованих газах.
Система запалювання значно впливає на процеси згорання палива. Відомо, що система іскрового запалювання робочої суміші за допомогою традиційного розподільника-переривника не завжди задовольняє сучасним вимогам, зв’язаним з повним згоранням палива.
Цей прилад достатньо „капризний”. В умовах експлуатації він не завжди надійно здійснює запалювання суміші, а це супроводжується підвищенням у вихлопі продуктів неповного згорання окису вуглецю і неспаленого палива.
Значне поліпшення в цьому відношенні дає застосування безконтактного електронного запалювання, яке забезпечує більш потужний розряд на свічках запалення і відрізняється більшою стабільністю роботи. В останній час система електронного запалювання знаходить все більше розповсюдження. На деяких нових моделях зарубіжних автомобілів ця система доповнюється мікро-ЕОМ, яка автоматично оцінює момент випередження запалювання суміші, залежно від навантаження на двигун і швидкості руху, оптимізує витрати палива і склад відпрацьованих газів.
Для поліпшення процесу згорання палива в циліндрі широке застосування знаходить форкамерне або факельне запалювання. Суть його полягає в тому, що в малій форкамері багата суміш підпалюється, як звичайно, електричною іскрою, а утворений при цьому потужний факел полум’я запалює основну частину більш бідної робочої суміші вциліндрі, що супроводжується поліпшенням згорання палива. Такі двигуни дозволяють зменшити викиди всіх токсичних компонентів, включаючи й окисли азоту, і при цьому економити до 10% палива. Названа система застосовується, зокрема, на двигунах нової моделі автомобіля ГАЗ-3102.
Зміна процесів подачі палива в циліндри досягається низкою заходів.
Перший з них – це спроба встановлення на двигуні двох карбю-раторів, відрегульованих на подачу бідної робочої суміші та нормальної робочої суміші. Відповідно, перший карбюратор живить двигун на холостому ході, а другий – на робочих режимах.
Пізніше були розроблені нові, більш складні конструкції карбюраторів, здатних а одному блоці сполучати вказані функції і готувати необхідний склад робочої суміші на будь-який режим роботи двигуна.
Другий захід полягає в зміні клапанного механізму з метою більш тонкого розпилення і кращого перемішування суміші при надходженні її в циліндри. В ряді нових конструкцій передбачається регулювання висоти піднімання впускних клапанів залежно від навантаження, що поліпшує процес заповнення циліндрів сумішшю і її згорання.
Третій захід полягає в заміні карбюратора форсунками для безпо-середнього вприскування палива у впускний трубопровід або в циліндри.
Ця система забезпечує найкраще розпилювання палива і перемішування його з повітрям а також розподілення суміші в окремі циліндри.
Система безпосереднього вприскування особливо ефективна в сполученні з електронним управлінням, яке автоматично дозує паливо залежно від режиму роботи двигуна. При цьому не тільки знижується токсичність газів і збільшується економія, а й підвищується потужність двигуна на 10...20%.
Пошук нових видів палива
Поряд з кардинальними рекомендаціями робляться спроби створити присадки і домішки до звичайного палива, які могли б понизити токсичність відпрацьованих газів автомобілів.
В багатьох країнах світу проводяться дослідження в пошуках нового „чистого” антидетонатора для заміни тетраетилсвинцю, у відходах якого знаходиться багато дуже шкідливого для людини свинцю.
В нашій країні закінчені наукові та експериментальні роботи щодо створення нового антидетонатора на марганцевій основі. Така присадка, зі скороченою назвою ЦТМ, в 50 разів менш токсична, ніж тетраетилсвинець. Крім того в неї є ще одна важлива перевага: ЦТМ, на відміну від свинцевої присадки, не погіршує роботу каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів. Добавка ЦТМ в кількості 2% підвищує октанове число бензину А-80 до 93 одиниць.
Для зменшення в складі відпрацьованих газів, головним чином, сажі в дизельне паливо вносять металевоорганічні з’єднання на основі свинцю, міді, нікелю, хрому чи інших речовин. Навіть в кількості 0,01% до загальної маси палива ці присадки значно понижують дивність відпрацьованих газів, а найкращий результат досягається при їх вмістові в розмірах 0,02...0,25%. Такі присадки вносять на стадії підготовки палива (на нафтоперегонних заводах).
Заслуговує уваги використання водобензинової суміші, яка подається в двигун у вигляді тонкої емульсії, що одержується в процесі перемішування з допомогою невеликих добавок поверхнево активних речовин. Лабораторні досліди а також практичні дослідження довели реальну можливість використання водобензинових сумішей. У відпрацьованих газах вантажного автомобіля ЗІЛ-441510, який працює на емульсії з вмістом 12% води, було виявлено в 2 рази менше окису вуглецю порівняно з авто-мобілем, який працює на чистому бензині. Крім того зафіксо-вана деяка економія палива а також відсутність нахилу палива до детонації, що свідчить про підвищення октанового числа в таких сумішах на 5...10 одиниць проти бензину А-80, з яким проводився експеримент. Остання обставина дозволяє підвищити ступінь стиску (паливну економічність) в автомобілях і одночасно відмовитися від використання свинцю як присадки, підвищуючи „чистоту” палива і одночасно економлячи дефіцитний свинець.
В пошуках альтернативних видів палива особливо великі роботи ведуться з газовим паливом, синтетичними спиртами, аміаком і воднем.
Як газове паливо найбільше розповсюдження одержала суміш нафтових газів – пропану і бутану. Октанове число пропан-бутану перевищує 100, що дозволяє застосовувати високі ступені стиску. Цінною якістю газового палива є його висока екологічна чистота.
Досліди показали, що двигун, який працює на пропан-бутані, на холостому ході має у відпрацьованих газах в 4 рази менше окису вуглецю, а на робочому режимі – в 10 раз менше, ніж у бензинового.
Пристосування автомобілів з бензиновими двигунами, особливо великих, тобто вантажних і автобусів, до газового палива здійснюється порівняно просто. Деяких змін вимагає лише паливна система. Головне – це встановлення балонів для зрідженого газу, де підтримується тиск біля 1,6 МПа. Якщо автомобіль призначається для роботи і на бензині, і на газі, то на ньому зберігається звичайний бензиновий бак. Такі автомобілі в межах міста можуть працювати на газі, а за його межами – на бензині.
Крім стиснутого газу використовується зріджений природний газ. На автомобілі встановлюється кріогенний бак, в якому знаходиться 160 л зрідженого метану з температурою кипіння 160°С. Пробіг становить 300 км.
Відпрацьовані гази автомобіля, який використовує зріджений газ, не мають специфічного для бензинового автомобіля неприємного різкого запаху. Оскільки автомобілі на природному газі за екологічними показниками в 5...6 разів чистіші бензинових чи дизельних, проводиться поступове переведення вантажних автомобілів, автобусів, маршрутних таксі та легкових таксомоторів на природний газ.
Нові екологічні умови змусили повернутися до спиртового палива, яке використовувалося в двигунах внутрішнього згорання вже на початку XX ст. Найбільш перспективні – метанол і етанол.
Метанол або метиловий спирт отримують з вугілля, сланців, деревини і використовують для виробництва пластмас, формаліну та в інших цілях. Він трохи важчий бензину, а енергоємність його в 2 рази менша. Тому для збереження дальності пробігу по паливу бак для метанолу повинен бути в 2 рази більший. Запуск двигуна на чистому метанолі, особливо зимою, утруднений.
Важлива якість метанолу полягає в тому, що у відпрацьованих газах в 2...З рази менше токсичних компонентів, ніж при використанні бензину.
Етанол, чи етиловий спирт, при тій же густині, що і метанол, має енергоємність на 25...30% вищу і, отже, вимагає пропорційно меншої ємності паливного бака. Екологічні характеристики етанолу близькі до метанолу. Проте у двигунів, які працюють на етанолі, у відпрацьованих газах ще менше виділяється вуглеводнів.
Аміак в звичайних умовах – це токсичний газ з різким запахом. Проте, при його згоранні утворюється тільки один токсичний компонент – окис азоту, причому в значно меншій кількості, ніж при згоранні інших видів вуглеводневого палива. Це пояснюється значно нижчою температурою робочого процесу.
Для роботи на цьому паливі двигуни повинні бути змінені в зв’язку з необхідністю підвищення ступеню стиску, посилення системи запалювання і підігрівання робочої суміші у випускному колекторі. Для активізації процесу в деяких дослідах застосовувалось вприскування запалювального палива, факел якого прискорює запалювання основної аміачної суміші та її горіння.
Водень, з точки зору збереження навколишнього середовища, це ідеальне паливо. Згораючи в чистому кисні, він перетворюється у воду.
Якщо його одержувати з води шляхом електролізу, то процес замикається: вода-водень-вода. Ресурси цього палива колосальні й постійно відновлюються. Водень може стати універсальним паливом, ось чому його називають паливом майбутнього. Для одержання водню можуть бути застосовані різні термохімічні, електрохімічні чи біохімічні методи з використанням енергії Сонця, атомних і гідравлічних електростанцій тощо.
Газоподібний, навіть сильно стиснутий водень невигідний, тому що для його зберігання потрібні балони великої маси. Більш реальний варіант – використання рідкого водню, але для цього необхідно встановлювати дорогі кріогенні баки зі спеціальною термоізоляцією.
Можлива ще одна форма зберігання водню – в твердій фазі в складі деяких метало гідридів (наприклад, залізо титанового чи магнієвого).
Водень виділяється з гідриду, якщо його підігрівати, наприклад, відпра-цьованими газами чи гарячою водою з системи охолодження.
В нашій країні і за рубежем уже створені експериментальні автомобілі, які використовують водень у рідкому вигляді та в складі метало гідридів як основне паливо чи в суміші з бензином. Так, добавка 5...10% водню зменшує витрати палива; при цьому значно скорочуються шкідливі викиди.
Бензоводнева суміш дозволяє економити на 100 км пробігу більше 5 л дефіцитного бензину. На цьому перспективному пальному здатний працювати принципово новий двигун, створений вченими інституту проблем машинобудування АН України. Він обладнаний метало гідридним акумулятором і спеціальною паливною апаратурою. Дослідна партія мікроавтобусів РАФ з новим двигуном випущена в 1984 р.
Водень і паливо на його основі можуть використовуватися і в сучасних автомобільних двигунах без значних конструктивних змін останніх.
При спалюванні бензоводневої суміші немає отруйних відходів. Чистий вихлоп автомобілів обумовлений різким збільшенням ступеня згорання бензину. Якщо в звичайних умовах частина бензину не згорає через нестачу повітря і переходить в продукти неповного згорання, в отруйні речовини, то водень, виконуючи роль чистильника, перетворює паливно-повітряну суміш з величини постійної в змінну з оптимальним співвідношенням повітря і палива на тих чи інших режимах роботи. Це забезпечує мінімальну токсичність відпрацьованих газів і максимальну паливну економічність двигуна. 10…15%-на добавка водню знижує загальні витрати бензину наполовину.