CC BY
72
транспорт
УДК 629.113 А.А. Абабкова
Курганский государственный университет
способы повышения эффективности использования энергии в транспортных средствах
Аннотация. В статье представлен обзор свойств полностью электрических и гибридных автомобилей. Рассмотрен принцип действия системы рекуперативного торможения и системы «старт - стоп». Описаны преимущества применения гибридного привода на гусеничных машинах.
Ключевые слова: система рекуперации энергии при торможении, гибридные транспортные средства, энергоэффективность, гусеничная машина, система «старт - стоп».
A. A. Ababkova Kurgan State University
ways of increase of energy usage efficiency in vehicles
Annotation. The article presents an overview of the properties of fully electric and hybrid cars. The principle of action of the regenerative braking system and the system «start - stop». The article also describes the advantages of applying the hybrid drive for a tracked vehicle.
Keywords: the energy recovery system under braking, hybrid vehicles, energy efficiency, tracked vehicle, system «start - stop».
На сегодняшний день мировая общественность столкнулась с проблемой эффективного использования имеющихся энергетических ресурсов. Все большую популярность набирают альтернативные источники энергии, такие как солнечная, ветровая, геотермальная энергия и др. Использование таких экологически чистых источников позволяет снизить загрязнение окружающей среды и уменьшить потребление углеводородного топлива. Но, несмотря на это, зачастую полученная энергия расходуется крайне не эффективно. Поэтому, в последние годы наблюдается ужесточение требований мирового сообщества к энергосбережению, энергоэффективности и охране окружающей среды, что заставляет специалистов различных направлений искать новые технические решения. Особенно интенсивно это проявляет с_я в авт о мобильной п р о мы ш ленн о с_т и . СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11
Это связано с тем, что автомобиль можно рассматривать как устройство для напрасного расходования энергии. Так, коэффициент полезного действия (КПД) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по оценкам экспертов составляет максимум тридцать три процента, причем часть ее теряется через систему охлаждения, часть -через систему выпуска отработавших газов, часть при торможении, а также при движении в пробках [1]. К тому же автомобили с ДВС являются источниками загрязнения окружающей среды, с отработавшими газами в атмосферу выделяются сотни токсичных компонентов. В связи с этим, активно проводятся работы по поиску экологически чистых и энергоэффективных транспортных средств. Наиболее экологичным является электромобиль. Основные преимущества такого вида транспорта по сравнению с традиционными автомобилями следующие [2]:
Экологичность. При работе сам двигатель не выделяет никаких загрязняющих веществ, но, необходимо учитывать способ получения электроэнергии.
Низкий уровень шума. Электродвигатели вполне способны обеспечить тихий и плавный разгон, при этом способны давать большое ускорение.
Снижение расходов в эксплуатации. В большинстве стран стоимость электроэнергии значительно меньше, чем стоимость углеводородного топлива. Учитывая высокую эффективность электромобилей в сравнении с автомобилями с ДВС, стоимость (в перерасчете на км. пути) примерно в 3-4 раза дешевле стоимости бензина. Также, электромобилям не требуется замена масла и некоторых комплектующих, поэтому затраты на техническое обслуживание снижаются.
Но у электромобилей имеются и недостатки:
Ограниченный запас хода. Самые доступные электромобили имеют запас хода на одной зарядке только около 130-160 км и необходимо несколько часов, чтобы полностью зарядиться.
Большое время зарядки. При зарядке от источника электроэнергии 220 вольт в течение часа, запас хода электромобиля увеличивается на 32-40 км. Сейчас, становятся более доступными общественные станции быстрой зарядки, которые способны добавлять примерно 80 км запаса хода за 20-25 минут.
Стоимость. Электромобили значительно дороже, чем сравнительно неплохо оборудованные транспортные средства с ДВС.
Ограниченность потребительского выбора. Электромобили на рынке, в основном, представлены компактными моделями.
Как мы видим, электрические транспортные средства по многим параметрам уступают автомобилям с бензиновым или дизельным ДВС.
Кроме этого, для полностью электрического автомобиля требуется специфическая инфраструктура для заряда батарей, на оборудование которой требуются значительные материальные ресурсы. Поэтому на сегодняшний день широкое распространение получили гибридные автомобили.
В классическом понимании гибридный автомобиль - автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии [3]. Современные автопроизводители часто используют сочетание ДВС и электродвигателя. Такие транспортные средства обладают преимуществами электрического привода, но не обладают его недостатками (ограниченность хода). При этом ДВС работает в режиме малых нагрузок, что снижает вредные выбросы в атмосферу, и имеется возможность рекуперации кинетической энергии при торможении, которая в обычных автомобилях переходит в тепловую и рассеивается в окружающую среду. Таким образом, гибридный привод транспортного средства комбинирует электрический двигатель, двигатель внутреннего сгорания, систему управления и системы хранения энергии, также в них активно используется системы рекуперации энергии при торможении.
Применение систем рекуперации энергии торможения улучшает топливную эффективность силовой установки автомобиля. Для снижения скорости движения в таких системах применяется электродвигатель, включенный в трансмиссию транспортного средства. В процессе торможения электродвигатель начинает работать в генераторном режиме, на валу двигателя создается тормозной момент и вырабатывается электрическая энергия, которая накапливается в аккумуляторной батарее. Полученная таким образом энергия используется для движения автомобиля.
В гибридных транспортных средствах при торможении тяговый электродвигатель используется как генератор, обеспечивая вращающий момент на колесах и подзаряжающий накопители энергии. Энергия, полученная в процессе рекуперации может быть использована для ускорения автомобиля или для питания вешних и внутренних потребителей. Наиболее эффективно рекуперативное торможение на передней оси автомобиля, это связанно с тем, что до 70% кинетической энергии при торможении приходится именно на переднюю ось.
При эксплуатации автомобиля в городских условиях, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность ДВС расходуется на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося автомобиля (от 15 до 60%) просто теряется. Объем потерянной энергии зависит от вида автомобиля и типа движения (город, шоссе). Исследователи, с помощью математических моделей установили, что при использовании даже нескольких процентов этой энергии, при движении в городских условиях, по-требл е н ие то пл и в а сн ижается на 20-30% [4] . 60
Рассмотрим подробнее систему рекуперативного торможения гибридного автомобиля. При движении в обычном режиме, вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые электродвигатели получают от него питающее напряжение и крутят колеса. В процессе торможения автомобиля, генератор отключается, и тогда уже колеса крутят тяговые электродвигатели, при этом они начинают работать как генератор и вырабатывают электрическую энергию, которая накапливается в аккумуляторе. Таким образом, в процессе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.
Применение систем рекуперативного торможения возможно не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства BMW реализуется аналогичный способ, с некоторыми изменениями. Существуют модели BMW у которых при разгоне генератор не работает, это уменьшает нагрузку на ДВС, и позволяет уменьшить потребление топлива. А когда водитель начинает процесс торможения, подключается генератор и начинает подзарядку аккумуляторной батареи.
Такой способ применения энергии прилученной в процессе торможения автомобиля, для зарядки аккумуляторной батареи, с последующим питанием от нее бортовой электроники, является традиционным. Как уже отмечалось, это позволяет добиться топливной экономичности и повышения динамических характеристик, посредством расходования мощности ДВС исключительно на движение. Наряду с этим методом, автопроизводители используют и другие способы для рационального использования энергии в процессе торможения.
Одним из направлений экономии энергии на автомобиле является система «старт - стоп» с рекуперацией [1]. Она реализована на машинах многих семейств - BMW, Audi, Mercedes и другие, успешно ее применяют в конструкции своих автомобилей. Назначение такой системы - экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии торможения. Согласно исследованиям, выяснилось, что до тридцати процентов времени, ДВС работает на холостом ходу. Это связанно с особенностями движения транспорта в городских условиях. В плотном потоке движения автомобиль совершает частые остановки на светофорах, пешеходных переходах, а в крупных городах образуются большие пробки и имеются другие помехи движению. Вот в таких условиях применяется режим «старт - стоп».
Данный режим реализуется следующим образом - при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) тепловой двигатель глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти операции выполняют сложные электронные системы, анализирующие показания датчиков, которые характеризуют режим работы двигателя и выполняемые водителем управляющие действия. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперативным торможением, что способствует дополнитель н о й зарядке а ккум улятора.
Вестник КГУ, 2016. № 3
Для успешной работы системы «старт - стоп», необходимо наличие усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины Mercedes, BMW или Audi будут применять режим «старт - стоп», подобные системы станут чуть ли не обязательными для всех производителей.
Однако при некоторых условиях система «старт - стоп» блокируется. Одним из них является уровень заряда аккумулятора. (При снижении до величины равной семидесяти пяти процентам от номинальной, система отключается.) Кроме того, водитель может принудительно отключить режим «старт - стоп» с панели управления.
Очень широко рекуперация применяется на гоночных машинах, таких как Формула 1. Не только гибридные автомобили, но и обычные транспортные средства, оснащенные подобными системами, позволяют более эффективно расходовать топливо и обеспечивают его экономию за счет использования энергии торможения и специальных режимов движения.
В последнее время гибридные технологии начинают активно использоваться и в военной технике. Такие конструкции все больше разрабатываются многими фирмами Японии, Европы и США для колесных машин, в том числе и для тяжелых [5]. Основной эффект в этих конструкциях - снижение расхода топлива до 30...50%. Он достигается за счет рекуперации энергии в условиях движения машины с интенсивным торможением и на склонах. Следует отметить, что по опубликованным данным, топливо занимает до 70% объема прифронтовых грузовых перевозок. А стоимость одного галлона топлива, доставленного в район военных действий, возрастает почти на два порядка и достигает 400 долларов. Использование гибридных технологий в военной технике позволяет получить тактическое преимущество перед противником и снизить затраты на доставку топлива в места ведения боевых действий.
Основные преимущества применения гибридных транспортных средств в военной технике, связанны с тягово-динамическими и рядом других эксплуатационных свойств, таких как, маневренность и динамика разгона, малозаметность (режим «стелс»), надежность и живучесть, электропитание бортовых и внешних потребителей.
Маневренность мобильной военной техники имеет особое значение в боевых условиях, так как необходима немедленная смена позиции техники после выстрела. Применение гибридных технологий позволяет в полтора-два раза (в зависимости от мощности электрических машин и емкости батарей) превысить мощность ДВС, поэтому возрастает динамика разгона машины и сокращается время п е ред и сл о ка ц и и . Кро ме то го бл а годаря и с-СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11
пользованию электрической машины обеспечивается высокое качество старта (трогания с места), а ДВС работает на режиме минимального расхода топлива.
Малозаметность (режим «стелс») также приобретает особое значение. Запас хода на режиме электропривода у ряда созданных образцов быстроходных гусеничных машин (БГМ) достигает 20 км, что важно для ведения разведки и спец операций.
Однако применительно к конструкции БГМ, для которых обеспечение подвижности при снижении расхода топлива имеет еще большее значение, так как повышается автономность функционирования (запас хода по топливу) гибридные технологии применяются пока ограниченно. Исключение составляют конструкции фирм Magneto и Renk, а также опытная конструкция для машины M-113. Это связанно с рядом объективных обстоятельств:
1. Ограничение мощности (абсолютной и удельной) известных конструкций электрических машин и накопителей энергии.
2. Трудности обеспечения требуемого температурного режима электромашин, систем управления, преобразователей энергии, расположенных в закрытом корпусе машины.
3. Сложность конструкции силовой установки и ее системы управления, вызванными особенностью функционирования в составе гусеничной машины.
В настоящее время на гибридных автомобилях, в том числе и на гусеничной технике, широко применяются системы рекуперации энергии торможения. Объем энергии получаемой при рекуперации зависит от следующих факторов:
• закон управления движением;
• внешние условия движения;
• конструкция ходовой части машины;
• конструкция силовой цепи от двигателя до ведущих колес.
Все эти факторы оказывают большое влияние на величину рекуперируемой энергии.
В реальных условиях движения гусеничная машина движется по различным типам дорожно-грунтовых условий. При движении гусеничных машин по грунтовым дорогам и местности неизбежно возникают колебания подрессоренного корпуса, так как даже мелкие неровности на пути оказывают возмущающее действие и возбуждают колебания. Энергию этих колебаний возможно использовать посредством применения пьезоэлектрических генераторов, такие разработки проводятся в Японии. Если ускорения оказываются слишком большими, то механик-водитель вынужден снижать скорость. Поэтому средняя скорость машины значительно ниже максимальной, следовательно, уровень кинетической энергии машины, которая впоследствии рекуперируется, невысок. При движении по совокупности грунтов в дей-ст в ительност и уд а ется ре куперироват ь о коло 5 %
61
полной кинетической энергии машины. Следует отметить, что это данные для движения одиночной машины. При движении машины в колонне ее средняя скорость будет еще ниже, а следовательно, значение рекуперируемой энергии уменьшится [6]. Следовательно, рекуперация кинетической энергии в гусеничных машинах для ее последующего преобразования в движение нецелесообразна. Однако при этом не исключается использование рекуперированной энергии в других целях, например как источник энергии для работы внутренних и внешних устройств (ремонтных мастерских, жилых модулей). Основной причиной низкой степени рекуперации являются потери в гусеничном движителе.
Как отмечалось ранее проблема эффективного использования имеющихся энергетических ресурсов очень актуальна, особенно в транспорте. Поэтому в настоящий момент ученые стараются снизить потери энергии при движении автомобиля и все больше осознают необходимость применения альтернативных источников энергии как для лёгкой, так и для тяжелой техники. Снижение потребления топлива достигается различными способами. Современные разработки в области электродвигателей и накопителей энергии позволяют накапливать большую энергию при небольших габаритах. Поэтому они все чаще применяются в автомобилестроении и робототехнике для создания гибридных и полностью электрических маделей. Также, активно ведется изучение и проектирование элементов, которые позволят гусеничным машинам эффективнее проводить боевые операции, повысить манёвренность, экономичность и динамику. Применение гибридных технологии, рекуперативных систем, сложных систем управления, электронных элементов позволяет повышать экологичность, экономичность транспортных средств и их энергоэффективность. В связи с этим актуальной задачей современных производителей транспортных средств можно назвать разработку систем эффективного использования энергии в процессе движения. В настоящий момент наиболее перспективной является разработка гибридных приводов как для колесных, так и для гусеничных машин.
Список литературы
1 Znanieavto.ru / О системах рекуперации энергии в автомобилях BMW и других. URL: http://znanieavto.ru/nuzhno-znat/rekuperaciya-energii-tormozheniya.html, свободный. Загл. с экрана.
2 Ekomob.ru /Электромобили. Преимущества и недостатки. URL: http://ekomob.ru/elektromobili-preimuschestva-i-nedostatki.html, свободный. Загл. с экрана.
3 Гибридный автомобиль. URL: https://ru.wikipedia.org/ wiki/Гибридный_автомобиль, свободный. Загл. с экрана.
4 Камолиддин З. З. Анализ способов рекуперации энергии торможения на автомобиле. 2013.
5 Красневский Л. Г., Николаев Ю. И. Перспективы применения гибридных силовых установок в военной автомобильной технике (по материалам зарубежной печати) // Актуальные вопросы машиноведения : сб. научн. тр. / ОИМ НАНБеларуси. Вып. 3. Минск, 2014. C.77-82.
62 -
6 Наказной О. А., Харитонов С. А, Никитин В. А. Частичная оценка целесообразности применения электрической трансмиссии быстроходных гусеничных машин. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013. Вып. 10.
УДК 629.119.5 (075.8)
М.М. Долгорсурэн, С.П. Жаров Курганский государственный университет
тенденции развития сети автозаправочных станций
Аннотация. В статье рассмотрены особенности развития сети автозаправочных станций в России и представлен выбор критериев, позволяющих оценить эффективность данной сети для различных категорий автозаправочных станций. Предлагаемые материалы позволяют дифференцировано оценить сеть дорожных и городских автозаправочных станций.
Ключевые слова: автозаправочная станция (АЗС), автомобиль, топливо, протяженность дороги, интенсивность движения по дороге.
M.M. Dolgorsuren, S.P. Zharov Kurgan State University
development trends of
filling station chain
Annotation. The article considers peculiarities of development trendsof filling station chain in Russia and represents the criteria choice for estimation of effectiveness of the chain for different filling station categories. The suggested methodologies allow estimatingthe chain of roadside and urban filling stations.
Keywords: filling station, automotive vehicle, fuel, astretch of road, vehicle density.
ВВЕДЕНИЕ
История развития автозаправочных станций (АЗС) как специализированных «топливных» магазинов началась с 1907 года, когда в Сиэтле компанией Standard Oil of California (сейчас ChevronTexaco) была открыта первая АЗС [6]. Первые станции располагались в сараях, в которых устанавливали бочки с топливом и ручными насосами.
Однако владельцы таких АЗС быстро поняли, что для дальнейшего развития бизнеса без стандартизации и маркетинга уже не выиграть нарастающую конкурентную борьбу, поэтому уже с начала двадцатых годов на АЗС стали активно внедряться единые корпоративные стандарты оформления станций с помощью ярких и запоминающихся логотипов владельцев и единых сервисов.
В России первые заправочные станции по-
Вестник КГУ, 2016. № 3
