Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в э

работы соответственно в эксплуатационных и стендовых условиях. В данном способе также определяется полезный расход топлива, что позволяет использовать его для расчета полезной мощности ДВС транспортного средства за испытание. Недостаток данного способа связан с особенностями определения энергетического КПД, учитывающего только собственные потери двигателя, значение средней мощности, полученное с помощью этого способа, также будет являться индикаторным. Но в реальности внешние условия нагрузки заставляют ДВС работать

внеэффективных режимах, близких к холостому ходу, или даже

врежиме выбега.

Мощность двигателей современных легковых автомобилей составляет 80–100 кВт. Этого хватает, чтобы автомобиль двигался со скоростью 150–180 км/ч. Но в условиях городской езды скорость редко превышает 60 км/ч. Если произвести мощностной расчет, то для автомобиля массой 1500 кг для движения с постоянной скоростью 60 км/ч потребуется всего 4 кВт мощности. Возможно ли это, может вся она тратится на разгонную динамику в городском режиме движения?

Для определения средней мощности автомобиля в городском режиме движения был предложен способ определения потребной мощности транспортного средства в условиях эксплуатации, т.е. при изменяемом положении топливоподающего органа и моменте сопротивления на выходном валу двигателя [3].

Каждый двигатель имеет внешнюю скоростную характеристику (ВСХ), мощность по которой он не сможет развить, т.е. если при 2 тыс. об/мин максимальная мощность по ВСХ составит 22 кВт, то можно утверждать, что в период любого разгона при этих же оборотах она не превысит максимального значения. Также известно, что существует и обратный режим, когда автомобиль движется накатом с включенной передачей. Скорость вращения коленчатого вала при этом может составить 2 тыс. об/мин, но потребляемая мощность будет равна нулю.

81

Существуют и средние режимы движения при малой нагрузке, когда ДВС работает по частичной скоростной характеристике. Остается узнать, когда автомобиль двигался с мощностью, приближенной к ВСХ, а когда накатом. Для этого фиксировались интервалы времени «Разгон» и «Торможение».

Условия проведения замеров по данной методике аналогичны требованиям к другим методикам: двигатель автомобиля должен быть исправен и настроен в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.

Измерения должны быть записаны при движении автомобиля в реальных условиях движения по таким параметрам, как время поездки Т, характеристика изменения частоты вращения вала двигателя за поездку n = f (T ) , также фиксируются перио-

ды работы под нагрузкой с синхронизацией по времени. Отследить эти параметры достаточно просто, обороты двигателя измеряются с помощью электронного частотомера через систему зажигания [4–5].

Преимущество данного способа состоит в том, что во время испытаний учитываются условия, влияющие на развиваемую двигателем мощность, – это экономичность, внутренние механические потери, тепловые потери, т.е. энергетический КПД двигателя и эффективность его использования.

Способ применим к автомобилям с механической и автоматической коробкой передач с дизельным или бензиновым двигателем с известными внешними скоростными характеристиками. Особенностью являются небольшое время подготовки, простота подключения и измерения, так как не вносится никаких изменений в конструкцию транспортного средства.

Данный способ был реализован на автомобиле Chevrolet Lacetti с двигателем 1,4 л.

Результаты измерений представлены на графике (рисунок, а). При этом средняя скорость вращения коленчатого вала ДВС за испытание без учета нагрузок и накатов составила 1111,1 об/мин. После обработки результатов измерений в 604 точках из 874 был

82

зафиксирован режим нагрузки (рисунок, б), а средняя скорость вращения коленчатого вала в этих точках составила 1606 об/мин, что соответствует 18,13 кВт по ВСХ. В целом же в привязке ко всему маршруту движения средняя мощность по ВСХ составила 5,6 кВт. Максимальная же скорость вращения вала ДВС зафиксирована на отметке 3290 об/мин, что соответствует максимальной мощности по ВСХ – 44 кВт.

Рис. График изменения средних оборотов за испытание: а – без учетов холостого хода; б – с учетом режимов нагрузки

83

Ключевым выводом проведенных испытаний является очень маленькая средняя потребляемая мощность ДВС – 5,6 кВт, это примерно 10 % от оптимального нагрузочного режима ДВС. В переводе на эффективность его работы при оптимальном нагрузочном режиме КПД приближается к 32 %, а по результатам испытания он не превышает 10 %.

Исследования по определению потребляемой мощности в условиях переменных нагрузок, проведенные с помощью других методик, подтверждают полученный результат [7].

Таким образом, испытания подтвердили низкую эффективность ДВС для передвижения в городских условиях. Путем решения проблемы может стать гибридная силовая установка, в которой ДВС работает только в оптимальном нагрузочном режиме, накапливая энергию в накопителе.

Для применения данного способа при оценке технического состояния автомобиля необходимо производить запись скорости и оборотов двигателя при движении автомобиля. Полученные результаты можно использовать как для сравнения мощности до и после технических воздействий, так и для вычисления полученных значений мощности путем сопоставления значений с математической моделью, имитирующей условия движения автомобиля.

Список литературы

1.Раков В.А. Развитие парка гибридных автомобилей // Мир транспорта. – 2013. – № 1 – С. 52–59.

2.Раков В.А. Оценка технического состояния гибридных силовых установок автомобилей // Современные направления теоретических и прикладных исследований 2012: материалы междунар. науч.-практ. конф. Вып. 1. – Одесса: Куприенко, 2013. – Т. 1. – С. 102–107.

3.Александров И.К., Несговоров Е.В., Раков В.А. Тяговый расчет транспортных средств с адаптивным приводным двигателем // Вестник машиностроения. – 2010. – № 2. – С. 18–21.

84

4.Раков В.А., Александров И.К. Определение мощности, потребляемой транспортным средством при неустановившихся режимах работы // Автомобильная промышленность. – 2013. –

№5. – С. 9–11.

5.Раков В.А., Смирнов А.В. Определение необходимой мощности ДВС гибридных силовых установок транспортных средств // Вестник машиностроения. – 2010. – № 4. – С. 32–35.

6.Раков В.А., Гуляев А.В. Определение среднего значения мощности, необходимой транспортному средству для движения в городских условиях // Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении и строительстве: материалы между-

ляемой транспортным средством при неустановившихся режимах работы ДВС // Автомобильная промышленность. – 2013. –

№ 5. – С. 9–11.

Сведения об авторах

Раков Вячеслав Александрович – кандидат технических на-

ук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии Вологодскогогосударственногоуниверситета.

Ашапатов Алексей Альбертович– студент Вологодского го-

сударственногоуниверситета, e-mail: bzhd326@mail.ru.

85

В.А. Раков, К.Е. Карпова, Д.А Гавриленков

Вологодский государственный университет

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМИ И АВТОМОБИЛЯМИ, РАБОТАЮЩИМИ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ

Рассмотрена проблема потребления ресурсов электромобилей и автомобилей на водородном топливе и их экологичности в сравнении с традиционными автомобилями с ДВС, а также приведен сравнительный анализ различных способов получения энергии для них.

Ключевые слова: электромобили; водородное топливо; источники энергии; заряд электромобилей; экологичность электромобилей.

V.A. Rakov, K.E. Karpova, D.A. Gavrilenkov

Vologda State University

EFFICIENT ENERGY USE OF ELECTRIC CARS

AND CARS RUNNING ON HYDROGEN FUEL

This paper considers the problem of resource consumption and environmental electric and hydrogen cars in comparison to conventional vehicles with internal combustion engines as well as a comparative analysis of different methods of producing energy for them.

Keywords: electric vehicles; hydrogen fuel; energy; electric charge; environmentally friendly electric vehicles.

Эксплуатация большого количества автомобилей привела к ухудшению экологической обстановки, особенно в крупных городах. Токсичные компоненты отработавших газов пагубно влияют на окружающую среду и на здоровье человека.

Рассмотрим различные виды автомобилей, которые в ближайшем будущем могут стать достойной заменой привычным авто с двигателем внутреннего сгорания [2–3].

Все чаще можно увидеть рекламу безопасных с точки зрения выхлопа электромобилей. У них нет выпускной трубы, а значит,

86

они не выделяют токсичных веществ и экологически безопасны во время движения.

Электрическую энергию электромобиль получает во время заряда от электрической сети. На первый взгляд с точки зрения экологии здесь тоже нет никакого пагубного влияния. Однако не все так просто.

Далеко не вся электрическая энергия производится экологически чистым способом. По данным Международного энергетического агентства, около 70 % электроэнергии вырабатывается на теплоэлектростанциях путем сжигания топлива – природного газа, мазута, каменного угля и т.д. Лишь малая часть энергии – примерно 19 % добывается при помощи возобновляемых источников энергии, к таковым относятся гидроэлектростанции (ГЭС), солнечная и ветровая энергетика. ГЭС безопасны с точки зрения выброса вредных веществ в атмосферу, однако при создании искусственной дамбы под ГЭС оказываются затопленными огромные плодородные территории по берегам рек. А на долю альтернативных источников энергии – ветра и солнца – приходится всего лишь чуть более 3 % вырабатываемой электроэнергии [4–6].

Следует учитывать и еще одну сторону – экологическое влияние электромобилей. Любой автомобиль оказывает воздействие на окружающую среду на этапе производства его компонентов. В электромобиле в отличие от традиционных автомобилей помимо металла, пластика резины и стекла, которые легко перерабатываются, есть еще и большая литий-йонная аккумуляторная батарея. Эти батареи наносят дополнительный вред экологии при добыче лития, его транспортировке, при производстве. Кроме того, они требуют отдельной переработки при утилизации. Автомобиль традиционной конструкции с этой точки зрения будет экологичнее.

Еще одним альтернативным источником движущей энергии автомобилей является водород.

87

Известны несколько вариантов того, каким может быть водородный мотор и что может лежать в основе его работы.

Первый вариант – это обычный ДВС, работающий непосредственно на водороде или на его смеси с бензином. В результате такой добавки улучшается сгорание смеси, увеличивается КПД мотора, уменьшается при сгорании содержание окиси углерода. Однако в конструкцию автомобиля приходится вводить бак для хранения жидкого водорода.

Другим способом использования водорода является топливный элемент. В результате прохождения через анод и катод молекул водорода и кислорода и их взаимодействия образуются вода и электрический ток. Если соединить несколько таких элементов, то получится своеобразный генератор, обеспечивающий работу электромотора.

Анализ технологии использования водорода также показывает его негативное влияние на окружающую среду. Общепринято, что при сгорании водорода вместо окиси углерода и других вредных веществ будет появляться вода, точнее, водяной пар. Однако при этом используется не чистый кислород, а воздух, в состав которого входит азот. В результате в камере сгорания образуются окислы азота. А их воздействие на окружающую среду может быть гораздо хуже, чем обычных отработавших газов [1].

Нужно отметить, что водород сначала необходимо получить, для чего требуется специальная установка. Источником для его получения может служить вода или метан.

Здесь и возникает одна из основных проблем – метан сам является хорошим энергоносителем, и подвергать его дополнительной переработке, чтобы потом сжечь готовый продукт, достаточно нерационально, ведь можно сразу сжигать метан без лишних расходов.

Для того чтобы получить один кубический метр водорода из воды, необходимо затратить электроэнергии в четыре раза больше, чем может выработаться при сжигании этого объема газа.

88

Известно еще одно направление использования водорода

вкачестве топлива, связанное с частичным разбавлением топливовоздушной смеси водородом, производимым прямо на автомобиле. Под капотом монтируется специальная установка, генератор водорода, питание на которую подается от бортовой сети,

врезультате получается так называемый газ Брауна, или смесь водорода, кислорода и водяного пара.

При прочих равных условиях мощность, расходуемая на движение, уменьшится, часть энергии будет дополнительно тратиться на производство газа [7]. Данный способ не поможет полностью избавиться от традиционного топлива, ведь, как отмечалось ранее, для производства водорода требуется большое количество электрической энергии. Однако он может быть неким компромиссом, позволяющим уменьшать выбросы вредных веществ в пиковых нагрузочных режимах.

Исходя из вышеизложенного, следует, что даже самые современные экологически безвредные с точки зрения выброса отработавших газов автомобили оказывают значительное негативное воздействие на окружающую среду.

Таким образом, электромобили позволяют улучшить экологические параметры окружающей среды (в глобальном масштабе) только при эксплуатации в городе.

Список литературы

1.Александров И.К., Раков В.А. Новый высокоэффективный вид источника энергии для электромобилей // Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования: сб. науч. трудов по материалам междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. – Воронеж, 2014. – Т. 1. – С. 36–40.

2.Раков В.А. Развитие парка гибридных автомобилей // Мир транспорта. – 2013. – № 1. – С. 52–59.

89

3.Раков В.А. Исследование автопарка гибридных автомобилей // Транспорт на альтернативном топливе. – 2013. – № 1 (31). –

С. 18–23.

4.Раков В.А. Эксплуатация и обслуживание автомобилей

сгибридными силовыми установками. – Вологда: Изд-во ВоГУ, 2014. – 143 с.

5.Раков В.А. Гибридный автомобиль. Исследование эксплуатационной надежности гибридных автомобилей. – Саарбрюккен

(Германия): LAP, 2014. – 170 с.

6.Раков В.А. Гибридный автомобиль. Концепция экономичного городского автомобиля. Исследование эффективности. Проектирование. Расчеты: монография. – Саарбрюккен (Герма-

ния): LAP, 2012. – 104 с.

7.Раков В.А., Александров И.К. Определение мощности, потребляемой транспортным средством при неустановившихся режимах работы // Автомобильная промышленность. – 2013. –

№ 5. – С. 9–11.

Сведения об авторах

Раков Вячеслав Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии Вологодского государственного университета.

Карпова Кристина Евгеньевна– студентка Вологодского го-

сударственногоуниверситета, e-mail: bzhd326@mail.ru.

Гавриленков Дмитрий Артурович – студентка Вологод-

ского государственного университета, e-mail: bzhd326@mail.ru.

90