Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 51
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Ресурсосбережение
Вариант 1
Содержание
Введение 3
1. Инерционные приводы в автомобилестроении 5
1.1 Гиробусы 6
1.2 Рекуперация при помощи инерционных аккумуляторов 12
Заключение 24
Список используемых источников 26
Введение
Развитие техники с начала XX столетия является настолько динамичным и обширным, что его можно характеризовать как грандиозное. Однако, как и любой прогресс, это развитие приносит с собой определенные проблемы для будущих поколений. В первую очередь необходимо осознать, что запасы сырья и источников энергии являются весьма ограниченными – это подтверждается самой жизнью во второй половине нашего века.
Одним из наиболее распространенных видов современной техники является автомобиль. Прогресс в развитии двигателей внутреннего сгорания проходил ускоренными темпами, и сегодня этот двигатель применяется практически во всех типах транспортных средств. Благодаря развитию техники совершенствовался и расширял свои масштабы транспорт, что вызвало быстрое увеличение производства транспортных средств, в первую очередь автомобилей. Одновременно увеличивалось и потребление жидкого топлива, вырабатываемого из нефти. Добыча и переработка нефти не представляли трудностей, и поэтому бензин и другие производные нефти были дешевым топливом. Однако запасы нефти не являются неисчерпаемыми.
Поскольку равноценная замена нефти в достаточном количестве отсутствует, то во всем мире широко развернулись интенсивные исследования, направленные на поиск новых видов энергии и топлива. Возникший нефтяной кризис проявился прежде всего в автомобильной промышленности. В этих условиях многие страны поняли свою зависимость от нефти и невозможность заменить ее другим жидким топливом, пригодным для использования в применяемых до сих пор двигателях внутреннего сгорания. Крайне необходимые решения ряда важных вопросов связаны со снижением потребления бензина и других видов топлив, вырабатываемых из нефти.
Двигатели внутреннего сгорания загрязняют воздух отработавшими газами, которые содержат вредные для здоровья человека и всего живого составляющие. [3]
1. Инерционные приводы в автомобилестроении
История применения маховиков на транспорте связана с фамилиями выдающихся русских инженеров-изобретателей: В. И. Шуберского, П. П. Шиловского и А. Г. Уфимцева. В 1860 г. В. И. Шуберский впервые предложил применять маховик на транспортном средстве, назвав его «маховозом». А первый гироскопический автомобиль или «гирокар», удерживаемый в равновесии всего на двух колесах быстро вращающимся маховиком, построил П. П. Шиловский в 1914 году. Несколько лет спустя А. Г. Уфимцевым был запатентован разработанный им инерционный аккумулятор, который намного опередил лучшие зарубежные конструкции того времени. [2]
В России выдающийся вклад в развитие данного научно-технического направления внес известный изобретатель маховиков проф. Н. В. Гулиа.
Маховик обладает высокой удельной мощностью, что позволяет быстро передавать энергию на колеса, обеспечивая эффективное ускорение (разгон) автомобиля. При торможении энергия через систему рекуперации может снова возвращаться в маховик сколь угодно быстро, без ограничений, как в электрохимических аккумуляторах, предельной скоростью химических реакций. При этом ДВС может работать на оптимальной, постоянной частоте вращения, являясь по сути разгонным двигателем для маховика. Даже с маломощным двигателем такой автомобиль может иметь разгонные характеристики, как у лучших суперкаров. При таком подходе нет необходимости создания маховиков с предельно высокими параметрами (по числу оборотов, прочности материала, качеству подшипников), т.к. их работа должна быть относительно кратковременной. При этом удельной энергии маховиков может быть достаточно для осуществления функций ускорителя автомобиля после торможения или остановки, а также рекуператора на спусках и подъемах. В результате снижается необходимая мощность ДВС, а значит и вредные выбросы в атмосферу. Кроме того, экономится само горючее при сохранении всех технических характеристик автомобиля. [1]
1.1 Гиробусы
Гиробус (от др.-греч. γῦρος «круг» и -бус) – особый вид автомобиля, а также троллейбуса с автономным ходом, движущийся за счёт кинетической энергии, накопленной вращающимся маховиком, приводящим в движение тяговый генератор. В настоящее время гиробусы не используются, хотя концепт гиробуса является объектом научно-технических изысканий.
Концепт автобуса, приводимого в движение маховиком, был разработан швейцарской фирмой Эрликон (Oerlikon) в 1940-х годах. Гиробус был разработан как альтернатива для аккумуляторных автобусов, которые задумывались как альтернатива троллейбусам на тех маршрутах, где строительство контактной сети не было оправдано. [3]
Так называемый гиробус швейцарской фирмы "Эрликон", изготовленный еще до второй мировой войны, приводился в движение только инерционным аккумулятором, который на остановках получал энергию от собственного электродвигателя, питавшегося от контактных стержней, размещенных в местах остановок. Такой автобус был экологически чистым, бесшумным и не требовал создания троллейной сети. Из-за этих качеств он был особенно целесообразен для перевозок пассажиров в курортных городах.
По такому же принципу работает и гиробус, созданный фирмой "Дженерал Электрик" (США) (рис. 1). В отличие от гиробуса фирмы "Эрликон" он имеет более современную конструкцию и снабжен устройством, позволяющим аккумулировать энергию при торможении.
Маховик 1 с электрической машиной, служащей для привода маховика и выработки электрической энергии для тягового электродвигателя, размещен в герметичном корпусе, наполненном водородом. Водород легче воздуха почти в 10 раз, и поэтому при атмосферном давлении он обеспечивает значительное уменьшение потерь на трение в системе "маховик – газ". Поддерживать постоянное небольшое разрежение в корпусе, заполненном водородом, легче, чем при его заполнении воздухом. [1]
Маховик сварен из стальных пластин и имеет максимальную частоту вращения 10000 мин-1. Аккумулированная таким способом энергия достаточна для того, чтобы автобус массой 12 700 кг проехал расстояние в 5,6 км. Без отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов (отопление, вентиляция, сервоуправление, освещение) можно увеличить запас хода до 11 км. При этом частота вращения маховика упадет до 5000 мин-1, что гарантирует подъезд к ближайшей станции зарядки аккумулятора. Повторный разгон маховика длится 90 с. Маховик в сборе весит 1500 кг и размещается в задней части автобуса за ведущей задней осью.
Рисунок 1 – Инерционный аккумулятор гиробуса фирмы 'Дженерал Электрик':
1 – маховик с генератором; 2 – электродвигатель постоянного тока; 3 – электронный переключатель-регулятор; 4 – контактные штанги 5 – для зарядка на остановках
Тяговый электродвигатель постоянного тока 2 для раскручивания маховика размещен перед задней осью, а электронное устройство управления 3 – в средней части автобуса непосредственно под полом. Оно предназначено для регулирования частоты вращения маховика при его разгоне, а также для отбора энергии, требуемой для движения автобуса.
В настоящее время испытываются некоторые дополнительные устройства, которые позволяют разгонять маховик не только на остановках, но и при движении. Для этого короткий участок пути снабжается троллейным проводом, и при соединении с ним контактных штанг 4 автобуса вращение маховика может быть ускорено во время движения. В этом случае устраняется зависимость транспортного средства от размещения станций, и оно может проехать практически любое расстояние в пределах оборудованного пути без остановки.
При приводе автомобиля от маховика или при разгоне последнего необходима плавно регулируемая (бесступенчатая) трансмиссия. Например, при использовании энергии маховика его частота вращения постепенно уменьшается и для поддержания постоянной скорости движения транспортного средства передаточное число трансмиссии между маховиком и ведущим мостом должно также плавно уменьшаться. При разгоне маховика в период торможения автомобиля необходимо обеспечивать противоположный процесс. В случае использования электропривода с генератором переменного тока необходимо плавное изменение электрической частоты. Регулятор, требующийся для этого, сложен, имеет большие габариты и по этой причине использование такого устройства в легковых автомобилях невыгодно. [2]
Первые демонстрационные поездки гиробуса (с перевозкой пассажиров) состоялись в 1950 году. В течение ещё четырёх лет демонстрационные поездки устраивались в разных городах.
Полноценная коммерческая эксплуатация гиробуса началась в октябре 1953 года. Этот маршрут соединял швейцарские коммуны Ивердон-ле-Бан и Грандсон. Однако он имел ограниченный пассажиропоток, и в 1960 году движение гиробусов там было закрыто по экономическим причинам (хотя с технической точки зрения опыт применения гиробусов на этом маршруте был успешным). Ни один из использовавшихся на швейцарском маршруте гиробусов не сохранился, как не сохранился и опытный, демонстрационный экземпляр.
Вторая гиробусная система была открыта в Леопольдвиле (ныне Киншаса, тогда столица колонии Бельгийское Конго, ныне – Демократическая Республика Конго). В Конго в 1955–1956 годах использовалось двенадцать гиробусов (хотя некоторые источники ошибочно сообщают, что гиробусов было семнадцать), которые обслуживали четыре маршрута. Заправочные станции располагались через каждые два километра. Использовавшиеся в Киншасе гиробусы были самыми большими гиробусами из когда-либо существовавших: они имели 10,4 метров в длину, весили 10,9 тонн и вмещали до 90 пассажиров. Их максимальная скорость составляла 90 километров в час.
Однако гиробусы в Конго быстро изнашивались. Вполне вероятно, что это было связано с привычкой водителей «сокращать» маршрут по дорогам без покрытия, которые превращались в настоящие болота после дождя. [1]
Другими проблемами были поломки подшипников маховика и высокая влажность, которая приводила к перегрузке мотора. Однако закрытие системы было вызвано высоким потреблением энергии. Фирма-эксплуататор сочла, что расход энергии слишком высок (он составлял 3,4
кВт·ч на километр для одного гиробуса). Движение гиробусов в Конго прекратилось летом 1959 года. Ставшие ненужными гиробусы были брошены ржаветь рядом с гаражом.
Третья и последняя гиробусная транспортная система имелась в Бельгии. Она состояла из одного маршрута (Gent Zuid-Merelbeke Molenhoek) и соединяла город Гент с его предместьем Мерелбеке. Эксплуатировало эту линию Национальное Общество Местных Железных Дорог (оно занималось эксплуатацией междугородных трамваев и автобусов). Подвижной состав состоял из трёх гиробусов, получивших обозначения G1, G2, G3. Для питания гиробусов использовалось напряжение в 380 вольт/50 герц. Гиробусное движение открылось 10 сентября 1956 года, однако просуществовало оно недолго, до 24 ноября 1959 года. [3]
Имелось несколько причин прекращения использования гиробуса в Бельгии. Прежде всего он отличался высоким потреблением энергии – 2,9 кВт·ч/км, в то время как трамвай, перевозящий большее (в несколько раз) число пассажиров, расходовал 2–2,4 кВт·ч энергии на километр пути. Кроме того, гиробусы были признаны ненадёжными, к тому же на «заправку» уходило непозволительно много времени. Ко всему прочему, из-за большого веса (из-за тяжёлого маховика) гиробус повреждал дороги. Один из гентских гиробусов, G3, был сохранён. Его иногда демонстрируют на различных выставках и других подобных мероприятиях. Сейчас этот гиробус хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.
Несмотря на неудачи, развитие гиробуса не прекратилось полностью.
В 1979 году компания «Дженерал Электрик» (США) заключила с департаментом энергии правительства США четырёхлетний контракт (стоимостью в пять миллионов долларов) на развитие прототипа автобуса с маховиком[1].
В 1980 году компания «Вольво» проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.
В 2005 году Center for Transportation and the Environment (центр транспорта и окружающей среды), работая совместно с Университетом Техаса в Остине, Центром электромеханики (Center for Electromechanics), Test Devices, Inc., и DRS начал поиски спонсора для финансирования разработки прототипа нового гиробуса [2].
Аккумулятором энергии для гиробуса является маховик массой примерно в полторы тонны, который разгоняется до 3000 оборотов в минуту мотором-генератором. Трёхфазный мотор-генератор, разгонявший маховик, получал энергию через три короткие штанги, установленные на крыше гиробуса. Он работал в моторном режиме только эпизодически. Для этого вдоль маршрута следования гиробуса оборудовались «заправочные пункты» (обычно на некоторых остановках). На этих пунктах штанги гиробуса поднимались и прикасались к установленным над остановкой контактам трёхфазной электрической сети. После разгона маховика до нужных оборотов штанги опускались, агрегат переключался в режим генератора, и гиробус следовал до следующей «заправки».