Использование альтернативных источников энергии в автомобильном транспорте

Введение

Увеличение количества углекислого газа создает избыток парниковых газов, которые удерживают дополнительное тепло. Это удерживающее тепло приводит к таянию ледяных шапок и повышению уровня океана, что вызывает затопление. Исследования показывают, что от увеличения доли электрического транспорта объем выбросов парниковых газов и прочих вредных веществ не снизился. Вот только теперь воздух загрязняет не транспорт, а станции, вырабатывающие энергию для пополнения батарей. Таким образом, изменился лишь источник выбросов, сами же они не исчезли и не уменьшились. Как показали исследования, предприятия, производящие электрический транспорт, осуществляют токсичные выбросы в разы большие, чем классическое автопроизводство. Они выпускают вдвое больше парниковых газов из-за технологической потребности в высоком энергопотреблении. Так, расчеты наглядно показывают, что выпуск одного электромобиля требует энергии, равноценной сжиганию 10 тыс. литров бензина – такого объема хватит на многолетнюю эксплуатацию обычного автомобиля с ДВС. Учеными всего мира идет поиск альтернативной энергии.

Цель исследования: рассмотреть перспективы применения альтернативных источников питания в автомобильном транспорте.

Задачи исследования:

1. Исследовать достоинства и недостатки в автомобильном транспорте.
2. Проанализировать альтернативные источники питание и двигатели, на их основе выбрать наиболее рациональную конструкцию.
3. Применение наиболее рационального двигателя на конструкцию автомобиля.

Долгое время российский транспорт использовал энергоносители в основном, нефтяного происхождения. В последние десятилетия появилась тенденция к снижению роли нефтепродуктов в российской экономике. Надобность исследования альтернативного топлива вызвана также усугублением экологической обстановки и будущим истощением мировых запасов уже существующих запасов нефти. Ученые и специалисты считают, что мировых запасов нефти хватит приблизительно на 50–60 лет, при этом прогнозы по полной выработке российской нефти по различным суждениям колеблются в пределах 25–35 лет. Так уже к середине 21 века в мире встанет серьёзная проблема замены бензина и дизельного топлива на альтернативные виды топлива. В списке таких видов топлива на данный момент рассматриваются водород, электричество, и природный газы. Нам давно известны применение электроэнергии как топлива на автотранспорте. Главным преимуществом автомобилей, работающих на электроэнергии, являются экономичность, низкая стоимость, высокий крутящий момент даже на самых низких оборотах малошумный и дешевый в обслуживание. Немецкая фирма BMW показала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Для разгона этой машины с места до скорости 96 км/ч требуется, по утверждению компании, всего 20 секунд, максимальная скорость – 130 километров в час, а пробег между подзарядками достигает 270 километров. Нужно отметить, что широкого использование в ближайшем времени такой электромобиль не сможет найти, потому что рабочая температура аккумулятора составляет около 350 градусов Цельсия. Большая температура, и потребность поддерживать ее при помощи специальных подогревателей во время работы аккумулятора делают его пожароопасным. В нашей стране применение электроэнергии на автомобилях находится на начальных стадиях и в ближайшем будущем массовый переход автомобилей на данный источник энергии являются большие трудности.

Водород производят из разных источников сырья таких как: метан, уголь, электролиз, биомассы и даже применением мусора и водорослей. Самый распространенный и хорошо исследованный метод получения водорода является электролиз воды, так как он более универсальный в отношении применения первичных источников энергии.

Методом электролиза воды пользуются страны со значительными ресурсами недорогой гидроэнергии. Самые большие электрохимические комплексы расположены в Норвегии, Индии, Канаде и Египте. Благодаря развитию атомной энергетики скорее всего ожидается прирост электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций.

Положительные качества электрохимического способа получения водорода из воды:

1. Непосредственно в процессе электролиза физическое разделение кислорода и водорода;
2. Уникальная чистота приобретаемого водорода: до 99,99%;
3. Простой технологический процесс: отсутствие движимых частей в электролитической ячейке, непрерывность и вероятность полной автоматизации;
4. Неисчерпаемое и общедоступное сырье: вода;
5. Гибкий процесс с возможностью получения водорода под давлением.

После электролиза воды кроме водорода выделяется и кислород в нагретом состоянии, что является без перебойного источника питания для двигателя на сжатом воздухе, и чтобы понять какой из двигателей самый рациональный мы проведем сравнение и выясним.

Классификация пневматических двигателей: Двигатели, работающие на сжатом воздухе, подразделяют на: линейно поршневой двигатель, роторно-лопастный двигатель и роторный объемный воздушный двигатель Анджело Ди Пьетро и т. д.

1. Линейно поршневой двигатель. К преимуществам относятся: простота регулирования скорости вращения и крутящего момента; возможность полного торможения под нагрузкой без ущерба для конструкции и рабочих качеств пневмомотора; полная взрывобезопасность; нечувствительность к неблагоприятным факторам внешней среды (пыль, влага и др.) К недостаткам шиберных пневмомоторов невысокая герме­тичность рабочих камер, что приводит к возникновению утечек воздуха, а следовательно, к снижению КПД. Практический механический КПД, достигаемый поршневым пневмомотором, составляет от 40% до 50%.
2. Роторно-лопастный двигатель. К преимуществам относятся: отсутствие перегрева; большой ресурс работы. К недостаткам относятся необходимость обильной смазки. Скорость вращения может варьироваться от 100 до 25 000 об/мин в зависимости от нескольких факторов, которые включают величину давления воздуха на входе двигателя и диаметр корпуса. К недостаткам относятся необходимость обильной смазки.
3. Роторный объемный воздушный двигатель Анджело Ди Пьетро. К преимуществам относятся: в отличие от других роторных двигателей, в двигателе Ди Пьетро используется простой цилиндрический вращающийся поршень (привод вала), который практически без трения вращается внутри цилиндрического статора. Для преодоления трения требуется всего 1 фунт/кв. дюйм (≈ 6,8 кПа) давления. К недостаткам относиться.

Лучшим из трех представленных пневмодвигателей по сравнению с остальными является роторный объемный воздушный двигатель Анджело Ди Пьетро двигатель на 400% эффективнее существующих на рынке пневмопоршневых двигателей при той же выходной мощности и только 1/10 веса. Двигатель Анджело Ди Пьетро имеет ряд преимуществ. Он легок и прост по конструкции: компактные пневмомоторы можно установить непосредственно на колеса и даже внутрь колёс. Кроме того, благодаря его способности выдавать свой максимальный крутящий момент на самых низких оборотах и отсутствию мертвых точек, отпадает необходимость в коробке передач, а теперь по подробнее про него.

Роторный объемный воздушный двигатель Анджело Ди Пьетро

Для начала посмотрим на сам двигатель Анджело Ди Пьетро и на него в разрезе на рисунке.

Рис. Роторный объемный воздушный двигатель Анджело Ди Пьетро: a – в разрезе: 1 – статор; 2 – подвижные разделители; 3 – выходной вал; 4 – роликовые подшипники; б – двигатель Анджело Ди Пьетро целиком.

Двигатель Ди Пьетро, разработанный австралийской компанией EngineAir, представляет собой роторный двигатель, работающий на сжатом воздухе. Он меньше любого двигателя внутреннего сгорания, хотя размеры могут отличаться у разных моделей. Патент CA на этот двигатель был опубликован в 2001 году. Патент США на этот двигатель был выдан в 2005 году. Пространство между статором и ротором разделено на 6 расширительных камер поворотными перегородками. Эти разделители следуют за движением привода вала, когда он вращается вокруг стенки статора. Привод цилиндрического вала, приводимый в движение давлением воздуха на его внешней стенке, движется эксцентрично, приводя в движение вал двигателя с помощью двух элементов качения, установленных на подшипниках на валу. Вращательное движение привода вала внутри статора смягчается тонкой воздушной пленкой. Время и продолжительность впуска и выпуска воздуха регулируются щелевым таймером, который установлен на выходном валу и вращается с той же скоростью, что и двигатель. Максимальный крутящий момент на холостом ходу, 6-камерный двигатель может генерировать 70 Нм при давлении воздуха 8,8 бар и 40 Нм при 1500 об/мин. Наилучший КПД – от 1000 до 2000 оборотов в минуту.

Изменение рабочих параметров двигателя достигается за счет изменения времени, в течение которого воздух поступает в камеру: более длительный период подачи воздуха позволяет большему количеству воздуха поступать в камеру и, следовательно, приводит к большему крутящему моменту. Более короткий период подачи воздуха ограничивает подачу воздуха и позволяет воздуху в камере выполнять работу по расширению с гораздо более высокой эффективностью. Таким образом, потребление сжатого воздуха (энергии) может быть заменено на более высокий крутящий момент и выходную мощность в зависимости от требований приложения.

Выводы

Исследованы проводимые работы на электроэнергетических объектах энергетического комплекса. Практически все рассмотренные работы требуют внедрения совершенно новых технических и технологических решений. В качестве одного из инструментов, предлагается применение водородный двигатель и конструкции совместно с полезной нагрузкой. Однако, для успешного выполнения работ должны быть рассмотрены также более устойчивые дополненные характеристики, которые не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям. Ввиду новых открытий и разработок в направлении источников питания для двигателей, более подробно уделяется внимание такой технологии, как двигатели на сжатом воздухе, их устройству, принципу работы, существенным преимуществам, по сравнению с конкурентами, трудностям в этом вопросе и путям их решения.