Впровадження автомобілів-гібридів.

Рис. 14 Перший у світі бензоелектричний автомобіль Lohner Electric Chaise був створений Фердинандом Порше ще в 1899 році. В 70-і роки XX століття інтерес до гібридів відновився внаслідок росту цін на паливо й жорсткі екологічні норми.

Гібрид (греч. помісь) - об'єкт, що поєднує в собі властивості інших (двох або більш) об'єктів.

Гібридний автомобіль -високоекономічний автомобіль, який рухається системою «електродвигун - двигун внутрішнього згоряння», що живиться як паливом, так і зарядом електричного акумулятора. Головна перевага гібридного автомобіля - зниження витрати палива й шкідливих вихлопів. Це досягається повним автоматичним управлінням режиму роботи системи двигунів за допомогою бортового комп'ютера, починаючи від своєчасного відключення двигуна під час зупинки в транспортному потоці, з можливістю продовження руху без його запуску, винятково на енергії акумуляторної батареї, і закінчуючи більш складним механізмом рекуперації - використання електродвигуна як генератора електричного струму для поповнення заряду акумуляторів.

                                Рис. 15 Перший серійний гібридний автомобіль Toyota Prius

                                                                   Модель 1997 року.

  Із чого складається гібридний автомобіль?

Будь-який транспортний засіб, який має два або більш джерел енергії, достатньої для руху можна назвати гібридним.  

- Бензиновий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)                                                 

Гібридна машина має звичний бензиновий двигун. Хоча сучасні високі технології дозволяють робити його меншим по габаритах, більш экологичным і економічним.
- Паливний бак.                                                                                                               

Тут зберігається паливо для двигуна. Бензин має більший енергетичний запас, ніж електричні батареї. Для прикладу, батареї вагою 450 кг віддадуть стільки ж енергії, скільки й 3,5 кг бензину.
- Електродвигун.                                                                                                            

Дуже "просунутий" елемент. Сучасна електроніка робить його й двигуном і генератором одночасно. Наприклад, коли це необхідно, енергія береться з електричних батарей і прискорює автомобіль. Але гальмуючи машину, двигун переходить у режим генератора й відновлює енергію.
- Генератор.                                                                                                      

Схожий з електродвигуном, але працює тільки в режимі запасання енергії (використовується, головним чином, у серійних гібридних автомобілях).
- Батареї.                                                                                                                                

 Джерело енергії для електродвигуна, на відміну від бензинового ДВЗ, електродвигун може не тільки "брати" енергію, але й запасати її в батареях.
- Трансмісія.                                                                                                               

Функції ті ж, що й у трансмісії на традиційних автомобілях із ДВЗ. Деякі гібридні машини (Honda, наприклад) мають стандартну трансмісію, інші ж ( Toyota Prius) оснащуються радикально новою.

Водневі двигуни.

Інший шлях створення принципово нового двигуна, екологічно нешкідливого - це створення водневого двигуна. Водень масою 1 кг при горінні виділяє в 3 рази більше тепла, ніж бензин. Запаси водню невичерпні, - 1 відсоток ваги земної кори.

В інституті проблем машинобудування АН України (м. Харків) уже зробили перший крок. Там створений і успішно працює двигун на су­міші бензину і водню. Ці два компоненти подаються в камеру згоран­ня окремо один від одного. Причому на холостих оборотах, коли ви­хлопні гази особливо отруйні, двигун працює тільки на чистому водні. На вихлоп поступає лише водяна пара.

При максимальному навантаженні в дію вступає бензин. Відно­шення регулюється автоматично.

Які ж практичні результати?

Наприклад автомобілю "Волга" на 100 км шляху по нормі необхід­но біля 14 л бензину. Машина, яка працює на змішаному паливі, бере відповідно 8 л бензину і 800 гр. водню. Витрати бензину скорочують­ся на 40 %, а ККД двигуна збільшується на 25 %. Водень - це синтети­чне паливо. Його можна отримати з вугілля, нафти, природного газу чи шляхом розкладу води. Згідно оцінкам, сьогодні у світі виробляють і використовують біля 30 млн. т. водню за рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а решту - на видалення сірки із газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля і інших видів палива. Тобто в сучасній економіці водень залишається скоріше хімічною, а не енергетичною сировиною.

В найближчі роки буде створеній принципово новий двигун, що буде працювати на чистому водневому паливі. При цьому необхідно вирішити проблему зберігання водню.

Наприклад, щоб зараз проїхати 400км на водні, треба установити на автомобіль обладнання вагою біля 600кг. Доведеться створити спе­ціальні заправні станції. Дуже перспективним передбачається збері­гання водню у формі гідридів металів. Наприклад "цеглинка" із гідри­ду титана об'ємом у 10 см здатна зберігати в собі 1680 літрів водню. Водень виділяється із гідридів при їх нагріванні. Правда і тут ще є не­мало не вирішених проблем.

Між іншим, епоха водневої економіки уже наступила. Нікель-металогідридні акумулятори використовуються в мільярдах виробів. Вони є в портативних комп'ютерах і мобільних телефонах, в багатьох інших електронних виробах, де використовуються акумулятори. Гіб­риди в них використовуються для зберігання водню. Ці акумулятори мають вдвічі більшу ємність і термін експлуатації в порівнянні з кис­лотно-свинцевими попередниками, їх не треба обслуговувати і вони набагато безпечніші для навколишнього середовища. Все змінюється завдяки нікель-металогідридним технологіям і епоха водневої еконо­міки почалась із застосування водню у якості важливого джерела ене­ргії. Це було самим великим бар'єром на шляху водневої економіки. Стенфорд Овшинські розробив спосіб зберігання водню у твердому стані при кімнатній температурі, взагалі при будь-якій температурі. Журнал Тіте назвав його "героєм планети". За його науковими ідеями заправка автомобіля твердотілим воднем буде швидкою і простою, як заправка автомобіля бензином. Експерименти показали, що можна розбити ємність з воднем, пробити її, кинути у вогонь, навіть взяти гідридний компаунд в руки, який знаходиться всередині, - і все це безпечно для людини і навколишнього середовища.

По прогнозах, у недалекому майбутньому водень можна буде оде­ржати шляхом перегонки низькосортного вугілля або електролізом води. Тоді ціна на бензин і водень зрівняються.

В останні роки на сторінках газет, журналів , все частіше з'являється термін "воднева технологія", "воднева енергетика". Ма­буть водню , як основному виду палива належить майбутнє.

Треба відмітити, що застосування водню пов'язане із підвищеним ризиком, так як він є вибухонебезпечним газом. Для займання суміші водню із повітрям досить лише десятої долі тої енергії, яка необхідна для спалахування суміші бензину з повітрям в автомобільному двигу­ні, або суміші метану з повітрям в газовій печі. Тому водень потребує надійних заходів для попередження його передчасного спалахування.

В найближче десятиліття ДВЗ будуть викинуті на звалище історії, їх замінять водневі двигуни, споряджені водневими і маховими аку­муляторами.

Такі водневі двигуни будуть являти собою електрохімічний генера­тор Цей генератор уже випробувався на дослідних автомобілях. Його коефіцієнт корисної дії дорівнює 60-80 %. Перспективи техніки, що використовує з такою великою віддачею паливо, теплотворна здат­ність якого втроє більша, ніж у бензину, безперечно є.

Так, сьогодні генератор дорогий і навіть дуже. Але спеціалісти стверджують, що уже в наші дні при масовому виробництві генерато­рів, вартість одного екземпляра можна знизити у 5-6 разів. Приклад такого різкого здешевлення - мікрокалькулятори на мікросхемах, ціни на які багаторазово впали за лічені роки.

Так, в десяти європейських містах, наприклад, Мадриді, Лондоні та ін. в рамках європейських випробувань проходять експлуатаційні ви­пробування перші автомобілі Мегзесіез Оітого компаній Еуоіиз, облад­нані паливними елементами. Вартість проекту - 21 мли. євро і випро­бування будуть продовжуватись 2 роки. Однією з цілей випробувань є, наскільки довго будуть працювати паливні батареї і по-друге -практичного забезпечення воднем.

В США ведуться інтенсивні роботи по створенню двигунів, які бу­дуть працювати на водневому паливі. На ці цілі уряд США виділив автомобільним фірмам 1,2 млрд. доларів.

Завдяки наполегливій роботі вчених і інженерів ми з вами будемо мчати по чистих, незагазованих вулицях на двоколісних електромобі­лях з водневими двигунами. Із вихлопних труб буде виходити чиста, газована воднем вода, освіжаючи асфальт. Так, або майже так і буде. Це не фантастика, це справа близького майбутнього.

7.8 Нітінолові двигуни.

Нітінол - це нікелево-титановий сплав (55% - нікелю і 45% - тита­ну). При кімнатній температурі шматочок нітінолового дроту має таку ж міцність, як сталь. Але занурити його в холодну воду і дріт стає м'яким і податливим, зігнути його і він залишиться зігнутим. А потім занурте його в гарячу воду, він раптово "оживе" в ваших руках, роз­прямиться з величезною силою , як пружина, і прийме свою початкову форму.

Тобто, ми маємо систему перетворення енергії, яка вимагає лише зміни температури для вивільнення сил. Нітінол має другу дивну вла­стивість - його можна неодноразово згинати.

В 1973 році в США інженер Бенкс створив перший нітіноловий те­пловий двигун. Він являє собою горизонтально установлене колесо, поміщене на центральному валі. З кожної спиці колеса звішується підковоподібна нітінолова петля, кінці якої прикріплені до втулки, здатної переміщатись вздовж спиці. Коли чергова петля занурюється у гарячу ванну, встановлену під колесом, вона намагається розігнутись і частина цієї енергії витрачається на розкручування колеса.

В теперішній час на 100 модифікацій нітінолових двигунів видані патенти. Спеціалісти прийшли до висновку , що нітінолові двигуни зможуть перетворити енергію більш економічним способом, ніж яде­рні реактори чи фотоелектричні елементи. Нітінолові двигуни змо­жуть використати відпрацьоване тепло, на яке зараз витрачається бі­льше двох третин всієї енергії, , що використовується промисловими підприємствами, і перетворити його в корисну механічну роботу.

Інженери вивчають зараз можливість об'єднання ряду нітінолових двигунів , розрахованих на роботу при температурах , що поступово знижується і встановлених вздовж потоку гарячої води, що викидаєть­ся промисловими підприємствами.

Звичайно, нітінолові двигуни будуть, в основному, стаціонарними, тобто вони не зможуть встановлюватись на рухомі транспортні заходи . Але, очікується, в ближньому майбутньому вони викличуть справж­ню революцію. Нітінолові сплави, що володіють пам'яттю, можуть бути незамінними матеріалами для автолюбителів.    

Так, щоб видалити вм'ятину на кузові автомобіля , зробленого із нітінолу, не треба запи­суватися в чергу на ремонт, їхати на станцію техобслуговування чи працювати самому рихтувальним молотком. Треба лише підставити пом'ятий бік під сонячне тепло.

Сонцемобілі.

Сонцемобілі появились з винайденням фото­електричних перетворювачів(сонячних батарей) достатньо великої потужності, в яких енергія світла перетворюється в електричний струм в нашому випадку електричний струм, який виробляється соня­чними батареями, живить двигун і заряджає акумулятори. Сонцеавто­мобілі з сонячними батареями появились порівняно недавно, прибли­зно 20 років тому. Вони є екологічно чистими, але надзвичайно доро­гими і використовуються в основному при автомобільних гонках, де і проходять випробування. Спеціалісти, які створюють сонцеавтомобілі, використовують самі легкі і міцні конструкційні матеріали, високоефективні системи елек­троприводу, останні досягнення аеродинаміки, геліотехніки, електро­техніки та інших наук.

Спеціалісти, які створюють сонцеавтомобілі, вважають, що соняч­ний транспорт стане конкурувати з автомобільним тільки тоді, коли ефективність доступних по ціні сонячних елементів складе 40-50%. Поки що коефіцієнт їх корисної дії має 10-12%. Так, наприклад, дво­місний сонцеавтомобіль "Мрія" обійшовся японській автомобільній компанії "Хонда" у два мільйони доларів. Але кошти були витрачені недаремно. Трасу австралійського ралі 1996 року довжиною 3000 км він пройшов з середньою швидкістю 90 км/год.

Для сонцеавтомобілів сконструювали спеціальні легкі безколекто-рні двигуни постійного струму з магнітами з рідкоземельних металів, коефіцієнт корисної дії яких досягає 98%.

У 1993 році на трьох сонцеавтомобілях - лідерах транс австралійсь­ких гонок вперше низькооборотні двигуни встановили безпосередньо в маточини ведучих коліс. Це застосування в сонцеавтомобілях дозво­лило відмовитись від трансмісії і довести ККД приводу до 96-97%.

Кріомобілі.

Ідея створення кріомобілів була відома давно і тільки з появою нових матеріалів вдалось виготовити в останні роки 4 кріомо­білів: два в США, один в Англії і один в Україні. Принцип дії кріомо-біля дуже простий. З баку за допомогою насоса рідкий азот під тиском подається в теплообмінник, де перетворюється у газ, збільшуючись в об'ємі. За рахунок цього рухаються механізми пневматичного мотора, які і обертають колеса машини.

Кріомобілі в експлуатації набагато дешевші машин, які працюють на бензині. Рідкий азот у 10-12 разів дешевший за бензин. Перший кріомобіль, який був виготовлений науковцями Харківського транс­портного університету, досяг швидкості 10км/год. Планується побу­дувати другий кріомобіль, який має досягти швидкості 60км/год. Він без дозаправки зможе проїхати 100км. Рідкий азот особливої небезпе­ки не несе, баки з ним в автомобілі є де заховати. Крім того, він є еко­логічно чистим.

Питання для самоперевірки: