Метка «экология»

22 февраля

Направления развития автомобильной экологии

Бюро автомобильных технологий США (VTO), входящее в Министерство энергетики США (DOE), совместно с другими заинтересованными организациями разработало широкую программу по улучшению топливной экономичности автомобилей.

Программа включает краткосрочные и долгосрочные мероприятия, целью которых являются:

  • снижение к 2020 году ежедневного потребления топлива на 12,5%;
  • улучшение топливной экономичности новых транспортных средств для достижения среднего корпоративного уровня выбросов СО2 90 г/км (3,8 л/100 км) для легковых автомобилей и 126 г/км (4,3 л/100 км) для пикапов.

 

Направления улучшения топливной экономичности автомобилей с ДВС включают в себя:

  1. Разработка высокоэффективных низкотемпературных катализаторов отработанных газов. Ставится задача создания новых технологий, которые позволят преобразовывать выхлопные газы с эффективностью не менее 90% при рабочей температуре около 150° С. Усилия должны быть сосредоточены на снижении выбросов оксидов азота (NOx), неметановых органических газов (NMOG), углеводородов (HC), оксида углерода (CO) и твердых частиц (сажи).
  2. Двухтопливные технологии. Ставится задача разработать технологии, которые позволят снизить потребление нефти, по меньшей мере, на 50% путем заменения ее другими видами топлива и повышения эффективности ее использования. Это касается легковых автомобилей с ДВС как с искровым зажиганием (бензиновых), так и с воспламенением от сжатия (дизелей). Такие двигатели должны обладать способностью работать на 100% бензине или дизтопливе, на 100% альтернативном топливе, а также на их смеси в любой пропорции. При этом они должны удовлетворять действующим нормам выбросов загрязняющих веществ и быть совместимыми с существующими системами очистки выхлопных газов и системами бортовой самодиагностики.
  3. Улучшение свойств топлива. Повышение октанового и цетанового числа топлив широко обсуждалось в последние годы как средство улучшения процесса сгорания горючей смеси в цилиндрах ДВС. Предполагается снизить таким способом потребление нефти не менее, чем на 25%.
  4. Снижение потерь на трение в трансмиссии и уменьшение износа. Как ожидается, с помощью этих мер можно добиться снижения расхода топлива не менее, чем на 2% для современных автомобилей, и на 4% для будущих.
  5. Разработка и внедрение передовых технологий двигателей и трансмиссий. Это направление включает исследования в области улучшения процесса сгорания топливной смеси, механики двигателя, снижения трения, контроля выбросов, свойств топлива, применямых материалов, электрических цепей, уменьшение дополнительной нагрузки. Двигатели могут разрабатываться для работы в гибридных системах, в паре с вариаторами и передовыми трансмиссиями. Все эти меры должны привести к снижению потребления топлива бензиновыми автомобилями не менее, чем на 35%, а дизельными – не менее, чем на 50%. При этом новые автомобили должны укладываться в грядущие нормы выбросов загрязняющих веществ.
  6. Содействие развитию и коммерциализации новых автомобилей, которые имеют высокую общую энергоэффективность и топливную экономичность.
6 декабря

Фазы и экология

В теории для наполнения цилиндра горючей смесью и выпуска отработанных газов клапаны должны открываться точно в верхней или нижней мертвых точках. На практике же это приходится делать заблаговременно. Причем на разных оборотах двигателя время открытого состояния должно быть разным. Но время и высота подъема клапанов раз и навсегда заданы формой кулачков распредвала, представляя собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах. Чтобы оптимизировать наполнение и очистку цилиндров двигателя в разных режимах работы были созданы системы изменения фаз газораспределения.

Как двигают фазы

У разных производителей существуют различные конструкции таких систем. Одни изменяют время подъема клапанов, другие – высоту подъема, а третьи – и то, и другое. Системы изменения фаз могут устанавливаться только для впускных клапанов или и для впускных, и для выпускных. В настоящее время используется три способа изменения фаз газораспределения.

Первый способ — поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной.

Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и Dual VVT-i(Variable Valve Timing with intelligence) от Toyota, VVT(Variable Valve Timing) от Volkswagen, VTC(Variable Timing Control) от Honda, CVVT(Continuous Variable Valve Timing) от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors, VCP(Variable Cam Phases) от Renault.

Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана.

Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) от Honda, VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift with intelligence) от Toyota, MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control) от Mitsubishi.

Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Вслед за BMW аналогичные системы создали Valvematic от Toyota, VEL (Variable Valve Event and Lift System) от Nissan, MultiAir от Fiat, VTI (Variable Valve and Timing Injection) от Peugeot.

В системе MultiAir используется один распредвал, который приводит и впускные, и выпускные клапана. Но если выпускные клапана механически управляются кулачками, то на впускные воздействие от кулачков передается через специальную электрогидравлическую систему. Именно в ней и состоит новизна. Впускные кулачки нажимают на поршни, а те через электромагнитный клапан передают усилие на рабочие гидроцилиндры, которые уже воздействуют на впускные клапана. Главный узел – именно клапан, регулирующий давление в системе. Он имеет только два положения: открыт-закрыт. Если он открыт, давление в системе отсутствует, и усилие на клапан не передается. Поэтому, управляя моментом и длительностью открытия электромагнитного клапана за то время, пока кулачок воздействует на поршенек, можно добиться любого алгоритма открытия впускных клапанов. А значит, ширину фаз можно плавно регулировать от 0 до 100%. Максимальная ширина фазы определяется профилем впускного кулачка распредвала.

А какое отношение все вышеописанное имеет к экологии? Системы изменения фаз газораспределения, оптимизируя процесс сгорания топлива, тем самым снижают его расход, а, значит и количество вредных выбросов.

10 октября

Шины и экология

Может ли автомобильная шина существенно влиять на экологию? Может, утверждают специалисты шинного гиганта Michelin, и подтверждают свои слова инновационными разработками.

Философия компании звучит так: «Вся продукция, которую разрабатывает компания Michelin, призвана способствовать безопасной перевозке как можно большего числа людей и количества грузов при обеспечении как можно большей долговечности и как можно меньшем потреблении материальных ресурсов».

Шина играет существенную роль в потреблении топлива. На их долю приходится около 20% затрат энергии, необходимой для движения автомобиля с ДВС и до 30% для электромобилей в городском режиме. Каждый пятый полный топливный бак легкового автомобиля и каждый третий полный бак грузового растрачивается на преодоление сопротивления качению шин.

Топливосберегающие шины

С 1992 года компания Michelin создала пять поколений топливосберегающих шин для легковых автомобилей и три поколения таких шин для грузовых автомобилей. Благодаря их использованию потребление топлива было сокращено на 14 миллиардов литров, и более 35 миллионов тонн CO2 не было выброшено в атмосферу во всем мире.

Однако работа над улучшением топливосберегающих шин не прекращается. При этом соблюдаются следующие приоритеты: сокращение потребления энергии и объема выбросов CO2 при производстве; использование как можно меньшего количества природных ресурсов, таких как каучук; снижение массы; увеличение долговечности при сохранении безопасности шины.

Чтобы достичь этого результата, компания Michelin работает над усовершенствованием всех компонентов шины (а их более 200), над усовершенствованием ее конструкции и формы контактирующего с дорогой протектора. По сравнению с первым поколением сопротивление качению шины снизилось на 40%. При этом безопасность шин была улучшена. Так, на мокром покрытии тормозной путь шины Michelin Energy Saver сокращен на 3 метра. Ходимость шин также улучшена: на топливосберегающих шинах можно преодолеть на несколько тысяч километров больше, чем на обычных. А более долговечные шины означают меньшее количество шин, необходимых для производства и последующей утилизации.

Саморемонтирующаяся шина

Однако мало кого сейчас можно удивить топливосберегающими шинами. Из экзотики они постепенно превращаются в обыденность. А вот шина, не боящаяся проколов, — это технологический прорыв. Разработанные Michelin легковые шины могут катиться по гвоздям без снижения давления воздуха. Они изготовлены из уникальной по составу резиновой смеси, способной мгновенно закупоривать прокол, появляющийся в протекторе. При этом ни безопасность движения, ни сопротивление качению (а, значит, экономичность) не страдают. Новая резиновая смесь, защищенная 15 патентами, обладает высокой стабильностью и «не стекает» в нижнюю часть шины, что бывает, когда автомобиль находится на парковке в течение долгого времени. Следовательно, не возникает вибраций при движении.

С точки зрения охраны окружающей среды выгода получается двойная. Во-первых, уменьшается количество замен шин из-за проколов, поэтому требуется производить меньшее количество шин. Во-вторых, отпадает необходимость в запасном колесе, что дает выигрыш места во внутреннем пространстве автомобиля, и что более важно, заметное снижение массы транспортного средства. Домкрат и устройство для крепления запасного колеса также становятся ненужными. Таким образом, масса автомобиля снижается примерно на 30 килограммов, что соответствует выигрышу в объеме в 80 литров. В условиях городского вождения количество выбросов CO2 уменьшается на 2 г на каждый километр пробега.

Концепт-шины для грузовых автомобилей

На долю автомобильного транспорта приходится 73% всех наземных грузоперевозок в Европе. Поэтому проблема эффективного использования сырья также затрагивает и грузовую индустрию. Новая грузовая шина обладает грузоподъемностью до пяти тонн. Преимущества: двухосный прицеп, оснащенный такими шинами, сможет перевезти столько же груза, сколько трехосный прицеп. Благодаря снижению общей массы на 900 кг на один грузовик, обеспечивается экономия топлива и возможность перевозки большего объема грузов, тем самым повышается производительность. Благодаря улучшенным тормозным характеристикам эта новая грузовая шина обеспечивает улучшенную безопасность при сохранении общего пробега.

Новые размеры шин

Изменяя стандарты размеров шин, Michelin намерена совершить революцию в шинной индустрии. Новые шины – малоразмерные (10 дюймов) и большие (19 дюймов) позволяют экономить сырье, сохраняя при этом характеристики в области безопасности и защиты окружающей среды.

Michelin разработала очень маленькое 10-дюймовое колесо в сборе (175/70 R10), по своим дорожным характеристикам равноценное 14-дюймовым шинам (175/65 R14). Инновацией является то, что маленькая шина Michelin имеет на 15% большую грузоподъемность, чем ее традиционный (14-дюймовый) аналог. Малые габариты колеса означают, что колесные ниши будут занимать меньше места. Как следствие, не меняя габаритов автомобиля, можно будет иметь больше внутреннего пространства под размещение двигателя, а также под пассажирский салон и багажное отделение. Это предоставляет автопроизводителям большую свободу в разработке дизайна. Например, с этими шинами 4-местный автомобиль может быть легко превращен в 5-местный. Это конструктивное решение дает возможность снизить общую массу автомобиля на 40 кг.

Большая 19-дюймовая новая шина имеет диаметр больше, чем у представленных сегодня на рынке шин (155/70R19), что делает её более энергоэффективной. Запас хода увеличен на 5%, поскольку шине требуется меньше оборотов колеса для преодоления того же расстояния. Благодаря большему диаметру и меньшей ширине шины улучшаются ее аэродинамические характеристики. Благодаря такому изменению диаметра также улучшились характеристики сцепления и износостойкости шин.

5 сентября

Аэродинамика и экология

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости. Она зависит от двух параметров автомобиля: площади поперечного сечения (S) и коэффициента аэродинамического сопротивления (Cx). Например, автомобиль с S=2,73 кв.м и Cx=0,34 при скорости 150 км/ч будет тратить 50л.с. мощности на преодоление сопротивления воздуха. Таким образом, снизив лобовое сопротивление, можно добиться заметного снижения расхода топлива и выбросов токсичных веществ. Но уменьшить площадь поперечного сечения означает уменьшить высоту и ширину автомобиля, что нежелательно. Поэтому усилия инженеров направлены в основном на улучшение обтекаемости кузова, то есть коэффициента Cx.

Величина Cx зависит от трех факторов: сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через подкапотное пространство и салон (12%); сопротивления трения между воздушным потоком и поверхностью кузова (10%); и сопротивления формы кузова (78%), проявляющееся в избыточном давлении перед автомобилем и разряжением позади него. Последний фактор возникает вследствие того, что спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова.

Аэродинамика различных типов кузовов

Главный элемент, определяющий аэродинамику автомобиля, – задняя часть кузова.

Наименее эффективным является кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. И лишь слегка поправить положение может дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – разряжение слегка упадет.

Хэтчбеки, с точки зрения аэродинамики, немного предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Но большинство хэтчбеков имеют гораздо больший угол наклона, а потому по обтекаемости практически не отличаются от универсалов.

На седанах и купе оторвавшийся с крыши поток вначале опускается на крышку багажника, а затем уже отрывается от задней кромки. В результате разряжение за задним стеклом получается небольшим, а вихревой след за автомобилем — почти как у хэтчбека с малым наклоном задка. Кроме того, увеличивая высоту и длину багажника, можно дополнительно понизить Cx. Дополнительный эффект дает и небольшое сужение задней части. В общем, возможностей для оптимизации гораздо больше, а потому на практике именно седаны и купе, особенно больших размеров, имеют наилучшую обтекаемость.

Как улучшают Cx

Коэффициент Cx определяется в аэродинамической трубе при обдувании воздухом строго по направлению продольной оси автомобиля. Чтобы изучить реакции автомобиля при появлении бокового ветра, машину поддувают под небольшим углом, определяя действующий на неё поворачивающий момент и момент крена. Парадокс состоит в том, что автомобили с минимальным Cх оказываются наименее устойчивыми, а модели с плохой обтекаемостью, наоборот, почти не реагируют на подобные воздействия.

Неоптимальная с точки зрения аэродинамики форма кузова имеет еще одно неприятное последствие – низкую прижимную силу. Нижний поток воздуха под днищем проходит по прямой, а верхний вынужден ускоряться, чтобы обогнуть автомобиль сверху. Возникающая разница в давлении создает подъемную силу. Большая ее часть компенсируется давлением воздуха на капот и лобовое стекло. Но если передок автомобиля догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова оказывается в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса.

Как борются с этим явлением? Стремление к плавному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает областей резко пониженного давления. К тем же последствиям приводит и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.

С целью снижения подъемной силы, действующей на заднюю ось, часто применяется небольшой спойлер. Размещенный на задней кромке кузова, в месте отрыва потока, он не только уменьшит Cx, ослабив вихри позади автомобиля, но и прижмет автомобиль к дороге, отталкивая вверх набегающий поток воздуха. Правда, необходимо найти нужный баланс – слишком большой спойлер, наоборот, увеличит область разряжения за автомобилем. Из-за этого на некоторых машинах он делается выдвижным, чтобы вступать в работу только в нужный момент.

14 июля

Автомобили на водороде: «двойка» за… экологию

Разве может такое быть у «зеленой» технологии? Оказывается, может. Будущее водородных автомобилей, в отличие от других «зеленых» разработок, в настоящее время выглядит весьма печально. Хотя еще совсем недавно это направление казалось самым перспективным и многообещающим. Еще бы — заправляем машину водородом, а из выхлопной трубы идет только водяной пар! Нулевой выброс, предел мечтаний! Автомобиль Honda FCX, использующий в качестве топлива водород, в 2009 году даже завоевал звание World Green Car of the Year («Зеленый автомобиль года»).

Варианты конструкций автомобилей на водороде

Но не будем пока о грустном, а рассмотрим варианты технического исполнения водородомобилей. Их существует ровно два: в первом случае водород заправляется в автомобиль с обычным ДВС, который может работать и на бензине, и на водороде. Во втором случае на электромобиль в качестве источника питания устанавливаются топливные элементы, в которых при соединении водорода и кислорода вырабатывается электричество (именно так устроен упоминавшийся выше Honda FCX).

Обычный бензиновый двигатель после небольших переделок можно приспособить для работы на воздушно-водородной смеси. Дизель для этого не годится, так как смесь не воспламеняется от сжатия. Теоретически при сжигании смеси должна выделяться только вода, однако на практике это не так. Вода выделяется если с водородом смешивать чистый кислород. Если же с водородом смешивать воздух, который в основном состоит из азота, то, соответственно, в выхлопе будут присутствовать его оксиды. Для борьбы с этим явлением смесь приходится обеднять, но при этом мощность двигателя падает почти вдвое! В общем 100 % экологической чистоты достичь не удается.

Второй способ применения водорода гораздо чище. Топливные элементы выделяют только тепло и воду, вырабатывая при этом электричество. То есть их можно сравнить с батарейкой, которая работает с подпиткой на водороде. Напряжение одного элемента невелико, поэтому приходится их компоновать в батарею. Но ее вес, габариты, а, самое главное, стоимость получаются весьма внушительными. Именно цена и препятствует широкому распространению топливных элементов.

Проблемы эксплуатации

Общая проблема обеих типов — хранение водорода в автомобиле. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Что произойдет с водородомобилем в случае ДТП? Чтобы обеспечить приемлемый запас хода водород необходимо держать в сжиженном состоянии. Бак для сжиженного газа — это дорогостоящее и имеющее большой вес устройство. В случае широкого распространения водородомобилей потребуется сеть заправочных станций, а для этого потребуются время и деньги.

Проблемы получения водорода

Однако все перечисленные проблемы ничто по сравнению с главной проблемой: откуда взять столько водорода? На данном этапе развития существует два основных способа его получения: из метана и из воды.

Но получение из метана и выглядит, мягко говоря, нелогично, да и в экологическом плане не безупречно. Судите сами: берем один вид топлива и перерабатываем его в другой, затрачивая при этом энергию. В ходе получения водорода из метана выделяется углекислый газ, от которого мы как раз хотели избавиться, создавая водородомобиль. Ну, и природный газ — это невозобновляемый ресурс, который рано или поздно закончится.

Более привлекательной выглядит идея получения водорода из воды. Воды на планете хватает, но чтобы добыть из нее водород, необходимо огромное количество энергии. В итоге получается, что затраты энергии на добычу водорода превышают то ее количество, которое он может отдать при использовании в автомобиле.