8. Прогнозирование перспектив развития автомобильного транспорта. Цель работы

12 млн. тонн. При этом загрязнение атмосферы в результате работы двигателя внутреннего сгорания происходит от трех основных источников: системы впуска отработанных газов, системы смазки и вентиляции картера двигателя и системы питания. Загрязнение от выхлопных газов берет на себя большую часть из этого списка: около 70 — 80%. Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы СО увеличиваются в 4 – 5 раз. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу, а 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5 – 3 кг свинца в год.

Быстрый рост количества автомобилей привел к резкому увеличению теплового нагревания воздуха. Если в 1970-е годы нагрев атмосферы автомобильным транспортом был значительно меньше нагрева поверхности Земли от Солнца, то в 2002 году количество двигающихся машин возросло во столько раз, что нагрев атмосферы от автомобилей стал соизмерим с нагревом от солнца и резко нарушает климат атмосферы.

Доля участия автомобильного транспорта в загрязнении атмосферного воздуха крупных городов мира составляет, %:

Оксид углерода          Оксиды Азота           Углеводороды

Москва                                      96,3                             32,6                             64,4

Санкт-Петербург                      88,1                             31,7                             79

Токио                                        99                               33                               95

Нью-Йорк                                 97                               31                               63

В настоящее время в автомобилестроении существуют следующие основные тенденции:

1. Погоня за экономичностью – современные двигатели значительно меньше потребляют топлива, чем двигатели былых лет.

2. Увеличение мощности – с развитием технологий и науки возросла и мощность двигателя.

3. Экологичность – автомобиль не должен загрязнять окружающую среду.

4. Безопасность – современный автомобиль должен быть безопасен, чтобы защитить водителя и пассажира в случаи аварии.

5. Хорошая обтекаемость автомобиля – для того чтобы, увеличить экономичность и мощность двигателя конструкторы постоянно работают над уменьшением коэффициента Сх.

6. Уменьшение размера автомобиля - так как машин с каждым годом становится всё больше, а дорожное пространство не увеличивается, то уже сейчас, например, в Европе, очень популярны автомобили малых размеров. Кстати, существует противоположная тенденция, а именно увеличение размеров автомобиля. Связано с увеличением безопасности и улучшением комфорта обитателей автомобиля.
Каким же будет автомобиль будущего? В первую очередь, конечно, это зависит от двигателя.

Альтернативные виды автомобильного топлива.

Наиболее актуальным вопросом в усовершенствовании автомобиля является выбор альтернативного источника энергии.

Уже не первый год ученые всего мира работают над созданием альтернативных видов автомобильного топлива, готовясь, таким образом, к окончанию века нефти на земле. Крупнейшие автопроизводители не отстают от ученых, используя в своей работе последние разработки. Практически все автомобильные бренды предлагают наряду с традиционными моделями гибридные и электромобили.

Какие на данный момент существуют варианты замены  бензиновому топливу?

Во-первых, природный газ, метан можно использовать в качестве топлива. Разработки автомобилей с двигателями, работающих на газу, давно и успешно проводятся. Французские производители представили  автомобиль, оснащенный турбодвигателем, одинаково эффективно работающим  как на природном газе, так и на биогазе. Он привлёк внимание тем, что не отличается сложной конструкцией силовой установки, это простой двигатель, в котором используется подача в камеру сгорания смеси газа и воздуха  вместо бензина. Работа такого мотора экологичнее на 25%, чем классического двигателя внутреннего сгорания, а при заправке такого автомобиля биогазом содержание СО2 в выхлопах - нулевое.

Почему бы не заправлять автомобили газом, который гораздо дешевле по своей стоимости и не идет в сравнение с бензином, да ещё в несколько раз экологичнее, чем он? Но всё же, при всех своих преимуществах, широкого распространения «газовых» авто мы не наблюдаем.  Причина тому – конкуренция с более развитым рынком бензина, который не даёт возможности развернуть новый бизнес в виде создания сети газовых заправок.

Электричество, как вид топлива для электромобилей, альтернатива загрязняющим бензиновым системам, изучается уже давно (с 20-ых годов ХХвека). Облегчить жизнь горожанам задымленных мегаполисов можно, введя в широкую эксплуатацию экологичные электромобили.  Каждый крупный автопроизводитель имеет такие модели в своём арсенале. Разработки не останавливаются и сейчас, и уже создан англичанами (  Lightning Car Company) электромобиль с мощностью  700 л.с. Но опять же, как свидетельствуют эксперты, массовой популяризации электромобилей мешает недостаточность  развития сети электрических заправок. Конечно,  подобные станции уже есть  в Европе, Японии и Америке, но их числа пока ещё недостаточно, чтобы обеспечивать водителям возможность там, где это необходимо подзаряжать двигатель своего электромобиля. Но в плане экономии использовать электродвигатель очень выгодно: электричество гораздо дешевле бензина, автовладелец не зависит от стоимости топлива  и автозаправок, электромотор не оставляет  вредного выхлопа СО2.

Генри Форд впервые применил в качестве автомобильного топлива этанол,  на котором  ездил его  «Квадроцикл» и знаменитый Ford T, работающий на спирту или на бензине, а также не смеси одного с другим. Этанол в понятии Форда являлся  выгодным экономичным видом топлива, ведь тогда стоимость спирта была в несколько раз меньше цены на бензин. Самый весомый аргумент в пользу этанола – его полная экологичность и то, что он значительно продлевает срок службы  самого двигателя. К тому же работать на спирту может любой автомобиль с обычным мотором, например,  компания Citroen выпустила в свет модель C4 BioFlex, использующую  в своей работе и бензин и биоэтанол. Тем не менее, производство биоэтанола в Европе ограничено Еврокомиссией, так как увеличение  объемов производства этого топлива  послужит созданию дефицита продовольственных товаров.

Группа ученых из Пенсильвании работает над водородным топливом, которое считается одним из самых перспективных, оставляя в процессе окисления только водяной пар. Транспортировать этот вид топлива можно практически на любые расстояния, он полностью безопасен для людей и автомобилей, если не считать взрывоопасности. Многие автопроизводители взяли этот вид топлива на вооружение, разработав концептуальные модели на водороде. Хотя в идеале водород — это самая лучшая альтернатива бензину, но дороговизна его производства значительно увеличивает стоимость эксплуатации авто, работающих на нём. Кроме этого, использование водорода как вида топлива для автомобилей тормозится большими энергозатратами при его производстве.

За последнее время было открыто множество новых источников энергии, среди которых как вполне понятное использование энергии ветра, приливов-отливов, так и современные нанотехнологии, использование лунного гелия и термоядерных реакторов.

Ученые из калифорнийской лаборатории предполагают использовать насекомых, выделяющих в процессе своей жизнедеятельности углеводороды, по своему составу схожие с нефтью, планируя таким образом получить новое синтетическое топливо уже в 2011 году.

В Массачусетсе решили рационализировать уже существующие технологии, разработав специальные быстро заряжаемые аккумуляторы для электромобилей. Автомобиль, оснащенный такой батареей, достаточно на несколько минут подключать к источнику питания. Китайские автопроизводители уже пообещали выпустить до 1 миллиона подобных электромобилей уже к 2020 году.

Все эти технологии на сегодняшний день находятся в стадии разработки, а самыми перспективными заменами традиционному топливу считаются водород и электроэнергия.

Электромобили.

В современном мире, с иссякающими запасами нефти и газа, ухудшающейся экологией человечество вынуждено искать способы передвижения, которые были бы изолированы от этих проблем. Одним из решений являются электромобили.

Электромобили – транспортные средства, приводимые в движение одним или несколькими электродвигателями, питающимися от аккумуляторов или топливных элементов. Это далеко не новый вид транспорта.
Мало кто знает, что электрический автомобиль гораздо старше бензинового. Считается, что первый электромобиль был создан Робертом Дэвидсоном (Robert Davidson) в 1838 году в Англии (Приложение.Фото1)., кстати, значительно раньше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, а в 1899 –м именно электрокар первым преодолел порог скорости 100 км/час, установив рекорд. В 1910–х в Нью–Йорке работало до 70 тысяч такси на электрическом ходу. (Приложение.Фото2).

Вплоть до начала ХХ века, электромобили были сильными конкурентами транспортных средств на двигателях внутреннего сгорания и на паровых двигателях. Но, к сожалению, преимущества двигателей внутреннего сгорания были очевидны. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания оказались более мощными и удобными при сравнительной дешевизне бензина. Бензин в то время был доступнее электричества, да и возможности аккумуляторов, питавших автомобили, были очень ограничены. Не в пользу электрокаров сыграли такие недостатки, как дороговизна и восприимчивость к внешним условиям аккумуляторных батарей. Необходимость постоянных подзарядок при сравнительно коротких расстояниях движения такой машины. Эти и другие факторы обеспечили победу бензиновых автомобилей, однако, как видно сейчас, она оказалась неполной и сравнительно недолгой. В конце ХХ века об этом, почти забытом виде транспорта, пришлось вспомнить. Рост стоимости нефти, резкое ухудшение экологической обстановки, связанное с автомобильными выбросами в атмосферу, все это привело к тому, что небольшие автокомпании, а за ними и крупные, стали возвращаться к теме электрокаров. Тем более, что уже созданы аккумуляторы с применением наноматериалов, которые заряжаются в течение всего 10–15 минут и обеспечивают хорошую мощность. Практически все автогиганты уже начали, или планируют открыть в ближайшие два–три года серийное производство электромобилей. В Великобритании, Франции, Дании, Израиле в этом году намечено построить сотни станций для подзарядки и замены аккумуляторов. И электромобиль стал медленно, но верно возвращать свои позиции.

Если взять электромобиль, снять с него разные системы и подсистемы, то мы получим очень простую конструкцию – аккумулятор, соединенный с электродвигателем(Приложение фото3). По сравнению с двигателем внутреннего сгорания, электродвигатель является очень простым устройством всего с одной двигающейся частью – ротором. Ему не нужны ни свечи, ни клапаны, а автомобилю на электродвигателе не нужна коробка передач. Все было бы хорошо, но вся проблема электромобилей заключается в аккумуляторах. Длительное время аккумуляторы имели очень маленькое отношение энергия/масса. Но в 90-х годах, в связи с прогрессом электроники, появилось огромное количество мобильных устройств, вроде мобильных телефонов и ноутбуков, которые нуждались в портативных, но мощных источниках питания. Таким образом, развитие получили и аккумуляторные батареи, а у электромобиля появилось больше возможностей вернуться на дорогу.
За прошедшие сто лет попытки вывести электропривод на новый уровень предпринимались снова и снова. Например, в сороковые и пятидесятые годы электромобили с огромными батарейными отсеками под погрузочной платформой развозили по Штутгарту ящики с пивом. В шестидесятые компания Bosch работала над электродвигателем для малолитражных автомобилей, в частности для проекта Goggomobil фирмы Glas. Тогда появилась возможность использовать полупроводниковые элементы, благодаря которым энергия могла поступать в электродвигатель без потерь в использовавшихся ранее балластных резисторах. В результате дальность поездки на одном заряде несколько увеличилась, но все еще оставалась неудовлетворительной.

В начале семидесятых компании Mercedes-Benz и MAN прилагали большие усилия для начала серийного производства городских автобусов с электроприводом: городские власти были очень заинтересованы в развитии экологически чистого общественного транспорт. Однако дело ограничилось несколькими опытными образцами.

Батарея как ключевой элемент электромобиля.

В последующие десятилетия автопроизводители инициировали целый ряд проектов по созданию легковых электромобилей. Все они потерпели неудачу из-за недостаточной удельной энергоемкости свинцовых батарей, которая почти не менялась с течением времени. Появление литий-ионной аккумуляторной технологии придало развитию электропривода новый импульс. В гибридных приводах, приобретающих все большее распространение, используются никель-металлгидридные батареи, занимающие промежуточное положение между свинцовыми и литий-ионными по энергетической плотности.

В последние годы разработка электромобилей стимулируется двумя тенденциями:

1) С появлением мобильных телефонов, ноутбуков и портативных электроинструментов производители батарей добились больших успехов в повышении удельной энергоемкости благодаря применению новых материалов, прежде всего лития для электродов.

2) Политика, направленная на сокращение выбросов CO2 и защиту климата, также содействует более широкому использованию электроприводов.