Введение 4
Глава 1. Физические основы работы тепловых двигателей 6
1.1. Устройство и работа двигателя внутреннего сгорания 6
1.2. Химические процессы в ДВС 7
1.3. Эффективность двигателей внутреннего сгорания 8
1.4. Второе начало термодинамики 9
1.5. Цикл Карно 10
1.6. КПД двигателей внутреннего сгорания 12
1.7. Двигатель Дизеля 15
1.8. Газовый двигатель 19
1.8. Эффективность ДВС 21
Глава 2. Тенденции развития конструкции автомобиля 23
2.1. Перспективные направления развития конструкции автомобиля 23
2.2. Электромобили 26
2.3. Эффективность электромобилей 33
2.4. Гибридные автомобили 33
2.5. Автомобили на топливном элементе 36
Глава 3. Анализ эффективности и экологическим проблем автомобилей 49
3.1. Преимущества и недостатки электромобилей 49
3.2. Сравнение эффективности и экологичности автомобилей с
различными двигателями 51
3.3. Сравнение энергетической эффективности автомашин 56
3.4. Экологические проблемы. Окружающий мир и тепловой двигатель 64
Заключение 70
Библиографический список 74
Приложения 77
В настоящее время в области современной промышленности одновременно наблюдаются два процесса: все большее использование различной техники с двигателями и все большее количество экологических проблем, связанных с этими силовыми установками. Чтобы максимально уменьшить проблемы, изобретают современные двигатели, действующие на разных физических принципах - тепловые двигатели внутреннего сгорания, использующие для работы различные виды топлива (бензиновое, газовое и дизельное), электрические и перспективные в будущем водородные.
Производители современных автомобилей тратят много средств на разработку новых двигателей, которые были бы более эффективными, экономичными и экологичными, чем их предшественники. Таким образом, в ходе борьбы за улучшение этих трех параметров начали появляется новые конструкции двигателей тепловых, а также разнообразные системы впрыска топлива в камеру сгорания, турбонаддувы, насосы высокого давления, сложная электроника и другие системы, которые призваны повышать КПД двигателя внутреннего сгорания. Несмотря на состоятельность тепловых двигателей многие компании ищут альтернативные способы получения энергии, поэтому вместо тепловых двигателей пробуют использовать электродвигатели, работу которых осуществлял бы, например, топливный элемент.
В мире идет непрерывная конкуренция между разработчиками различных типов двигателей и систем получения энергии, обусловленная наличием в каждом типе двигателя своих преимуществ и недостатков.
В нашей работе мы рассмотрим: физические основы благодаря на которым работают разные двигателя; устройство и принцип работы каждого двигателя в отдельности; рассчитаем эффективность каждой силовой установки для выявления наиболее перспективной конструкции, а также затронем экологические проблемы, связанные с каждым из двигателей.
Целью данной работы является анализ эффективности различных типов автомобильных двигателей и анализ экологических проблем, с ними связанных.
Итак, в данном исследовании, мы будем изучать основные термодинамические законы, на которых работают двигатель внутреннего сгорания, двигатель дизеля и газовый двигатель. Так же мы выясним, что такое КПД. Рассмотрим конструкцию и принцип работы разнообразных двигателей, применяемых в автомобилестроении, таких как двигатель внутреннего сгорания, двигатель дизеля, двигатели, работающие на газе, электродвигатели и топливные элементы. Так же узнаем о перспективных направлениях в разработке автомобилей таких как электромобили, гибридные автомобили и автомобили на топливных элементах, подробней рассмотрим их устройство. Немаловажной задачей нашего исследования будет анализ преимущества и недостатков, а также эффективность каждого изученного типа двигателя в автомобилях. И в конце третей главы мы затронем экологические проблемы, связанные с выбросами в атмосферу от автомобильных двигателей.
Таким образом, можно подвести итог того, что мы проделали и изучили. В первой главе мы разобрали конструкцию и принцип работы двигателей внутреннего сгорания, в итоге мы можем сделать вывод о том, что двигатели внутреннего сгорания обладают достаточно сложной конструкцией, которая требует к себе внимания и регулярного обслуживания узлов. Так же мы выяснили, что двигатели внутреннего сгорания не могут обладать КПД выше 50%.
Во второй главе мы рассмотрели перспективы развития конструкции автомобильных двигателей. Наиболее пригодной и доступной для каждодневной эксплуатации, на данный момент, оказалась гибридная конструкция, которая совмещает в себе преимущества электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, обладает меньшим количеством выбросов и при этом способна доехать до любого уголка мира на горючем топливе. Так же весьма перспективной оказались электромобили, чья конструкция намного проще в эксплуатации и обслуживания, намного менее прихотлива. И локальный выброс загрязняющих веществ от таких электромобилей равен нулю, что очень положительно скажется на экологии, например, в центре города в случае полной замены автомобилей на электромобили. Автомобили с топливными элементами на водороде, на мой взгляд, наиболее перспективный вид конструкции, но, к сожалению, на данный момент нет способа добычи водорода без выбросов углекислого газа, поэтому такие автомобили не решают проблемы экологии.
В третьем главе мы проанализировали преимущества и недостатки электромобилей, изучили спрос на современные автомобили за последние два года, а также исследовали эффективность автомобилей с различными двигателями.
Резюмируя все выше перечисленные исследования, мы можем сделать вывод, что работа служб по защите окружающей среде дает свои результаты,
такие как в создание новых законов и норм, повышение в целом осознанности населения в решении экологических проблема.
Мы можем наблюдать прогресс технологий у автоконцернов, которые разрабатывают, проектируют и создают автомобили: современные двигатели внутреннего сгорания стали намного более технологичными, что привело к улучшению их экономических и экологических качеств.
Также можно заметить, что популярность электромобилей с каждым годом растет, это связано с тем, что прогресс не стоит на месте и со временем электромобили становится все более удобны для использования в современных городах. Еще одним перспективным направлением являются автомобили на топливных элементах, но пока что их время, как и электромобилей, не на стало.
Важным вывод в конструкции тепловых двигателей заключается в том, что их КПД не может быть выше 50%, в этом плане электродвигатели намного более перспективные. Про использование электромобилей пока что тяжело говорить связано это с тем что инфраструктура недостаточно развита. Электростанции, а также ЛЭП должны быть готов вырабатывать больше энергии, еще одна проблема заключается в количестве зарядных станций и времени заряда электромобиля, а также в его дальности хода. И нельзя забывать о выбросах загрязняющих веществ это электростанций, если конечно не заряжать электромобили исключительно от АЭС.
Сейчас, на основе табл. 3.2 и рис. 3.3, изученных в главе 3, мы можем прийти к выводу, что наиболее эффективными, экологически чистыми, экономичными и пригодными для повседневного использования, являются электромобили, единственное недостатком такого автомобиля пока что остаётся неорганизованность инфраструктуры, запас хода, время заряда батареи, и в целом неготовность мира перейти на такие автомобили. По сравнению с обычным автомобилем с двигателем внутреннего сгорания электромобиль будет выбрасывать в атмосферу в три раза меньше окиси углерода: 12,6 г/км электромобиля против 39,0 г/км автомобиля, так же энергоэффективность электромобиля больше автомобиля в 2 раза: 1,12км/мДж электромобиля против 0,51 км/мДж автомобиля.
Так как у электромобилей до сих пор достаточно много нерешённых проблем, мы можем прийти к выводу, что наиболее предпочтительным транспортом в плане экономичности, эффективности и экологичности будет все же гибридный автомобиль. Мы отдаем свое предпочтение этой конструкции по той причине, что в ходе исследования мы выяснили, что городская инфраструктура в большинстве стран еще недостаточно развита для электромобилей и в целом человечество не готов к таким резким изменениям.
Время, когда мировое сообщество будет готово к полному переходу на электромобили еще не пришло. Немаловажным фактором также является то, что загрязнения фактически останутся такими же, как и в прошлом, так как электростанциям потребуется вырабатывать больше энергии для зарядки электромобилей, что ведет, в свою очередь, за собой также переоборудование электросетей для выдерживания большей нагрузки. Еще один недостаток электромобилей на данный момент - это время зарядки и запас хода. (добавить цифры).
На наш взгляд хотелось бы отдать предпочтение, и видеть в будущем автомобили на топливных элементах. В ходе нашего исследования мы пришили к выводу, что топливные элементы - это может стать наиболее эффективным источником энергии, но на данный момент также, как и с электромобилями, не решено множество проблем, связанных с инфраструктурой, так как водород взрывоопасен и его заправка требует особо тщательного контроля за безопасностью. Следующая проблема водорода - это стоимость и способы его добычи, так как водорода не существует в чистом виде в природе и при многих способах его добычи, например, из газа, все равно выделяется загрязняющие вещества. А добыча водорода из бурого каменного угля на данный, хотя и является относительно не дорогостоящей, но возможна только в местах добычи бурого каменного угля. Из-за того, что он легко воспламеняется, транспортировка его невозможна. На данный момент добычи водорода без выделения углекислого газа не существует.
1. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник по физике. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика / Г. С. Лансберг. Москва: ШРАЙК, 1995. - С. 608, илл.
2. Двигатели Стирлинга: Сборник статей / Пер. с англ. Б. В. Сутугина; под ред. д-ра техн. наук, проф. В. М. Бродянского. - М.: Мир, 1975.
3. Двигатели Стирлинга / В. Н. Даниличев, С. И. Ефимов, В. А. Звонок [и др.]; под ред. М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1977.
4. Иванов А. М., Солнцев А. Н., Гаевский В. В. [и др.]. Основы конструкции автомобиля. - М.: Книжное издательство «За рулем», 2005. - 336 с: ил.
5. Сайт об электромобилях. URL: http://sdisle.com/ev/motors/index.html(дата обращения: 22.01.2021).
6. Well-to-Wheel Studies, Heating Values, and the Energy Conservation Principle. 29 October 2003. Ulf Bossel.
7. Density of Gasoline from Pocket Ref, 3 rd Edition. 2002. Thomas Glover, Page 660.
8. Exhaust Emissions From Natural Gas Vehicles by NyLund & Lawson, page 27, and also Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, June 2001, by General Motors Corporation, Argonne National Laboratory, BP, ExxonMobil, and Shell. Vol. 3, Page 59.
9 EPA mileage numbers fromwww.fuelefficiency.gov
10 EPA mileage numbers fromwww.fuelefficiency.gov
11 EPA mileage numbers fromwww.fuelefficiency.gov
12 EPA mileage numbers fromwww.fuelefficiency.gov
13 The AC Propulsion lithium-ion tzero charging system (the basis for the design of the Tesla Roadster charging system) efficiency was confirmed by the judges at the 2003 Challenge Bibendum.
14 General Electric "H System" Combined cycle generator, model MS7001H/9001H, as installed in Cardiff, Wales, in Tokyo, Japan, and in Scriba, New York.
15 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, June 2001, by General Motors Corp., Argonne National Laboratory, BP, ExxonMobil, and Shell. Vol. 3, Page 42
16 ibid, Page 33
17 The Department of Energy has defined “Equivalent Petroleum Mileage” as 82,049 Watt-hours per gallon, while driving the electric vehicle over the same urban and highway driving schedules as are used to compute the EPA mileage for other cars, and taking into account charging efficiency. (See Code of Federal Regulations, Title 10, Section 474.3.) This calculation would lead to the dubious conclusion that our electric vehicle gets: 82049 Wh/gal / ( (110 Wh/km x 1.8 mi/km) / 86%) = 356 miles per gallon!
18 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, June 2001, by General Motors Corporation, Argonne National Laboratory, BP, ExxonMobil, and Shell. Vol. 3, Page 59
19 Efficiency of Hydrogen Fuel Cell, Diesel-SOFC-Hybrid and Battery Electric Vehicles, 20 October 2003, Ulf Bossel
20 EPA mileage numbers fromwww.fuelefficiency.gov
21 Well-to-Wheel Studies, Heating Values, and the Energy Conservation Principle, 29 October 2003, Ulf Bossel
22 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, June 2001, by General Motors Corp., Argonne National Laboratory, BP, ExxonMobil, and Shell. Vol. 3, Page 59
23 Reuters, February 4, 2004, 5:50 PM
24 http://bioenergy.ornl.gov/papers/misc/energy _conv.html
25 Well-to-Tank Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Transportation Fuels - North American Analysis, June 2001, by General Motors Corp., Argonne National Laboratory, BP, ExxonMobil, and Shell. Vol. 3, Page 44
26 ibid, Page 59
27 General Motors EV1 specifications from www.gmev.com/specs/specs.htm 23 www.acpropulsion.com 24 Most RV campsites have suitable 240-volt outlets, and can be used for charging on the road today. See, for example,www.koa.com
28. Мамин Р. Г. Безопасность природопользования. Экология здоровья. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - С. 238.
29. Голубев А. Г. Окружающая среда и транспорт / А. Г. Голубев, Б. И. Новиков. М.: Транспорт, 1987. - С. 207.
30. Иванов А. М., Солнцев А. Н., Гаевский В. В. [и др.]. Основы конструкции автомобиля. - М.: Книжное издательство «За рулем», 2005. - 336 с. ил.