Технические науки/4. Транспорт

К.т.н. В.И. Богданов, В.В. Богданов,  Е Б. Степаненко

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, Россия

Источники повышения экономичности тепловых двигателей транспортных средств                                                       

Основными источниками энергии транспортных средств с  двигателями внутреннего сгорания являются газообразное и жидкое топливо. С увеличением количества автомобилей пропорционально возрастает потребление топлива. Поэтому задача уменьшение потребления автомобилем топлива за счет использования, так называемых, возобновляемых источников энергии является актуальной.      

           В большинстве случаев энергию возобновляемого источника преобразуют в электрическую, а далее  используют ее в электролизере  для  получения водорода и кислорода.  Водород в смеси с кислородом воздуха направляют в карбюратор. Источник питания электролизера, который требует определенной части полезной энергии, предназначенной для движения транспортного средства, экономически не выгодный и не может считаться возобновляемым [1].

           Одним из возобновляемых источников энергии является электромагнитный преобразователь энергии механических колебаний и вибраций в электрическую энергию [2]. Такие  электромагнитные преобразователи размещают на колеблющихся и вибрирующих частях транспортного средства. Основным недостатком такого возобновляемого источника является невозможность работы его при движении транспортного средства по ровной трассе, когда отсутствуют механические колебания его вибрирующих частей.

Другим источником возобновляемой энергии является электромагнитный тормоз замедлитель - генератор постоянного тока, который создает дополнительный тормозной момент автомобилю при его торможении [3,4,5]. Этот источник работает при движении транспортного средства с частыми торможениями и ускорениями в условиях городских дорог. В этом недостаток этого источника.

Энергия аэродинамического торможения транспортного средства является также возобновляемой. Преобразование ее в механическую и электрическую энергию делает ее универсальной в применении [6].

          Известно [7], что при движении автотранспортного средства, с постоянной скоростью, эффективная мощность двигателя затрачивается, как на преодоление дорожного сопротивления, так и на преодоление сопротивления воздушной среды.

,

где    Nе – эффективная мощность двигателя, кВт;

         Nд – мощность, на преодоление дорожного сопротив­ле­ния, кВт;

         Nв – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздушной среды, кВт, определяется по формуле [8]

                                               ,                                           (1)

где    Pв – сила сопротивления воздушной среды, кН;

         кв – коэффициент обтекаемости:

,

         rв – плотность воздушной среды, кг/м3;

         Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления;

         Fл – площадь Миделя (лобового сопротивления), м2;

         V – скорость движения транспортного средства, м/с.

Из формулы (1) видно, что чем больше скорость движения автотранспортного средства, тем больше сопротивление воздушной среды. Эта   зависимость нелинейная, близка к экспоненциальной. На высоких скоростях  силу сопротивления воздушной среды можно использовать в нужных целях.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема энергетической установки, позволяющая использовать энергию аэродинамического торможения рефрижератора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1  Энергетическая установка транспортного средства

 

Энергетическая установка содержит двигатель внутреннего сгорания 1, который через редуктор - переключатель 2 с разгонной муфтой соединен с компрессором 3 холодильного агрегата, компрессор 3 также соединен муфтой редуктора-переключателя 2 со шкивом 4 с электромагнитной муфтой ветроколеса 5, а шкив 4 жестко соединен с валом электрического генератора 6 и валом тахогенератора 7. Установка содержит также в кабине водителя, пульт управления 8, соединенным выходами с двигателем внутреннего сгорания 1, редуктором-переключателем 2 и электромагнитной муфтой шкива 4, а входами с термореле компрессора 3 холодильной установки и тахогенератора 7.

Энергетическая установка работает следующим образом. При движении транспортного средства создается поток воздуха определенной скорости, который вращает лопасти ветроколес 5. Мощность ветроколес определяется по формуле [9]:

,

где    r – плотность воздушной среды,  кг*с2/м4;

         F – ометаемая площадь лопастей ветроколес, м2:

,

         где    D – диаметр ветроколеса, м2;

         V – скорость воздушного потока, м/с2;

         eр – к.п.д. ветроколеса (коэффициент использования энергии ветра).

Лопасти вращают соответственно шкив 4 с электромагнитной муфтой, вал тахогенератора 7 и вал электрического генератора 6, энергия которого подается на сумматор и далее в электролизер. В свою очередь климат внутри кабины водителя и температурный режим в рефрижераторе поддерживает бензиновый двигатель 1. Как только частота вращения шкива 4 ветроколеса 5 достигнет необходимого значения, разгонная муфта редуктора-переключателя 2 соединит шкив 4 ветроколес 5 с компрессором 3 холодильного агрегата. С этого момента поддержание температурного режима в рефрижераторе и внутри кабины водителя происходит за счет преобразования энергии аэродинамического торможения в механическую энергию, при этом работа двигателя внутреннего сгорания 1 прекращается.

В холодное время года электрический генератор может, использован для прогрева салона  рефрижератора с помощью электрического калорифера.

Режим переключения «ветроколесо       бензиновый двигатель» водитель может выполнять принудительно, посредством пульта управления 8, контролируя частоту вращения шкива 4 ветроколеса 5 с помощью тахогенератора 7.

          Определим мощность, затрачиваемую рефрижератором на преодоление сопротивления воздушной среды, если принять равными:

                   кв = 1 коэффициент обтекаемости:

         rв = 1,29 - плотность воздушной среды, кг/м3;

         Cx = 1, 11 -коэффициент аэродинамического сопротивления;

         Fл = 2,728 - площадь Миделя (лобового сопротивления), м2;

         V = 80 - скорость движения транспортного средства, м/с.

        При этих условиях      Nд    = 21,4  кВт.

       Определим  мощность двух ветроколес радиусом 0,5 м  при условии:

         r = 1,29 -  плотность воздушной среды, кг с2/м4;

         F = 1, 57 -ометаемая площадь лопастей ветроколес, м2:

         eр = 0,467 - к.п.д. ветроколеса

       При этих условиях    Nвк = 5,76  кВт.

    

       Из расчетов, очевидно, что механическая мощность аэродинамического торможения   транспортного средства большая и часть ее, с учетом к.п.д преобразования ветроколеса, достаточна для использования в практических целях. При этом улучшается экологичность транспортного средства.

          

 

  Л и т е р а т у р а

        1 Патент США №4276131, кл. 204-129, 1981.

        2 А.с 1088959, МПК В 60 К  15\10 , 1984,Энергетическая установка транспортного средства.

       3  А.с. 1359167, МПК В 60 К 15\10, 1987, Энергетическая установка транспортного средства.

        4  А.с. 1497075, МПК В 60 К 15\10, 1988,  Энергетическая установка транспортного средства.

        5  А.с. 1733282, МПК В 60 К 15\10, 1988,  Энергетическая установка транспортного средства.

       6 Патент на изобретение 2229986 , МПК 7 В 60 К 15\10, В 60 Р 3\20, 2004, Энергетическая установка транспортного средства.

       7 В.И  Колотилов. Автомобили: теоретические основы. Учебное пособие для вузов. – Тюмень: ТюмГНГУ, 1999.

       8 Х. Кухлинг. Справочник по физике, М  “Мир”, 519 с.

       9 Е.М Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки, ОГИЗ-Сельхозгиз.- Москва, 1948.