XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автомобили XXI века: чем электродвигатель лучше ДВС

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Беляев Ф.А. 1

---

1муниципальное общеобразовательное учреждение Дубковская средняя школа

Беляев А.А. 1

---

1муниципальное общеобразовательное учреждение Дубковская средняя школа

Работа в формате PDF

291.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Вступление. Для исследовательской работы мы выбрали тему «Автомобили XXI века: что лучше ДВС или электродвигатель», так как этот материал представляет информационную ценность для учащихся, учителей и других людей, которые интересуются новинками автомобильной техники. В нашей работе собраны, описаны и проанализированы динамические и экономические характеристики современных автомобилей и даны рекомендации по выбору транспортного средства будущего.

К 2025 году Норвегия готова полностью отказаться от автомобилей с ДВС. Российская Федерация не отстает от мировой практики и начинает выпуск собственных электромобилей. По статистике 14% опрошенных россиян хотели бы приобрести электромобиль, а значит изучение данной темы актуально.

Проблема исследования – насколько экономичны электромобили в повседневной эксплуатации.

Объект исследования – двигатели внутреннего сгорания (дизельный и бензиновый) и электродвигатель для легкового автомобильного транспорта.

Предмет исследования – динамические характеристики и потребление энергии двигателей современных автомобилей.

Цель: обосновать необходимость замены двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели в легковом автомобильном транспорте.

Задачи исследования:

Изучить литературу по автомобильным двигателям.

Провести поиск и описание типов автомобильных двигателей, и их истории.

Найти и выявить общие динамические и экономические характеристики для автомобильных двигателей.

Сделать сравнительный анализ характеристик автомобильных двигателей.

Сделать вывод по результатам работы.

Гипотеза – замена двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на электрический двигатель сделает автомобиль значительно экономичнее при повседневной эксплуатации.

Основные этапы работы:

Поиск литературы по данной теме.

Поиск информации в найденных печатных и электронных источниках.

Составление исторической справки

Обработка информации с занесением данных в таблицы

Создание и анализ графиков характеристик автомобильных двигателей.

Сравнение параметров экономичности автомобильных двигателей.

Запись выводов и оценка полноты решения поставленных задач.

Методы исследования:

1. Изучение специальной литературы.

2. Обобщение и систематизация материала по данной теме.

3. Анализ и фиксация результатов исследований.

Научная новизна нашего исследования заключается в новом виде формирования позитивного взгляда наших соотечественников на автомобили с электрической силовой установкой.

Теоретическая значимость данной исследовательской работы заключается в совершенствовании методов описания характеристик автомобильных двигателей, для продвижения электромобилей на отечественном рынке.

Практическая значимость, заключается в том, что полученные в ходе исследования данные способны расширить знания обучающихся о достоинствах и недостатках современных автомобилей в повседневной жизни.

Характеристика основных источников получения информации. Для получения исходных данных использовались открытые источники информации: официальные документы, учебные пособия, научно-популярная литература, видеоролики, находящиеся в свободном доступе в Интернете.

1. Историческая справка

История развития электромобилей начинается с создания электрического двигателя. В 1834 году русским ученым Борисом Семёновичем Якоби был создан первый электродвигатель с вращающимся валом. В 1835 году шотландец Роберт Андерсон на выставке Общества поощрения искусств, мануфактур и торговли показал свою электрифицированную тележку. Но практическая возможность постройки данного транспортного средства появилась в 1889 году, когда замечательный русский инженер-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока и опробовал на ней первый трехфазный двигатель переменного тока. Электродвигатель разработанный Доливо-Добровольским остался практически неизменным до настоящего времени. Широкое применение электродвигатели его разработки наши в Великобритании. К 1897 году в Лондоне работали 15 электромобилей, в 1914 по всему миру - около 30000. Это был краткий успех электромобилей. Вскоре о них забыли. Началась эпоха ДВС.

Двигатели внутреннего сгорания появились как альтернатива популярным в 19 веке паровым двигателям. Их преимуществами были малые габариты и быстрый запуск. Первый практически действующий двигатель был построен в 1860 году бельгийским механиком Жаном Этьеном Ленуаром. Он работал на светильном газе, открытом ещё в 1799 году французским инженером Филиппом Лебоном. В 1863 году немецкий конструктор Николаус Аугустус Отто запустил двухтактный двигатель, в пять раз экономичнее двигателя Ленуара.

Изобретателями автомобилей с двигателями внутреннего сгорания считаются немецкие инженеры. Опираясь на двадцатилетний опыт моторостроения к началу 80-х годов XIX столетия немецкий инженер и изобретатель Карл Фридрих Бенц запатентовал акселератор, систему зажигания, карбюратор и водяной радиатор охлаждения. В 1883 году начал производить двухтактный бензиновый карбюраторный двигатель, который в 1886 году установил на самостоятельно разработанный автомобиль.

В это время два друга Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, проработав на заводе Отто с 1869 по 1882 год, открыли собственную фирму и в 1885 году создали легкий четырехтактный бензиновый карбюраторный двигатель. В 1886 году его поставили на первый мотоцикл. Автомобиль, созданный ими в 1889 году, был более совершенным, по сравнению с автомобилем Карла Бенца. В настоящее время многие считают Карла Бенца и Готлиба Даймлера создателями первого автомобиля. Имя Вильгельма Майбаха выпало из этой истории. Но именно эти три человека, стоявшие на заре автомобилестроения вписали свои имена в историю. «Бенц», «Майбах» и «Даймлер» - известные компании, выпускающие автомобили уже более 100 лет.

В 60-х годах двадцатого столетия экологические проблемы вышли на первый план. Электромобили становятся всё более востребованными. К концу шестидесятых годов было выпущено несколько моделей. Основой для их создания стали малогабаритные автомобили с ДВС. Основными недостатками данных транспортных средства были: слабая динамика движения, короткий пробег до полной разрядки, высокая стоимость и продолжительное время зарядки. До конца 80-х годов недостатки электромобилей так и не были устранены.

В 1990-х годах в США и Западной Европе принимаются законодательные и регулятивные меры, направленные на улучшение экологической обстановки, вместе с которыми возрождается интерес к электрическим двигателям в автомобилестроении. Реальный прорыв в данной области возник с появлением в начале XXI века аккумуляторов с высокой плотностью заряда.  Известные производители преуспели в создании высокопроизводительных транспортных средств на электрической тяге. Но, тем не менее, главными проблемами электромобилей остаются их короткий пробег на одной зарядке и длительное время зарядки аккумуляторов.

2. Основная часть

2.1. Основные положения

В качестве основы проведения исследовательской работы использовалась официально допущенная к печати научная литература. В качестве источника информации по электрическим двигателям для электромобилей выбраны учебные пособия для вузов В.Е. Ютта «Электромобили и автомобили с комбинированной энергоустановкой», В.Н. Галушко «Расчет асинхронных двигателей: Пособие для выполнения курсовой работы», Бойко Е.П. «Асинхронные двигатели общего назначения» и Н.Н. Демидова «Конструирование и расчет автомобилей и тракторов. Электромобили». Для выбора данных по тепловым двигателям автомобилей использовалось учебное пособие А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей». Дополнительная информация получена из научно-популярной литературы и видеороликов в Интернете.

В настоящее время на автомобилях устанавливается два типа двигателей: тепловые и электрические. Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают на дизельном топливе, бензине и пропане. Принцип действия бензиновых двигателей и двигателей, работающих на газе, очень похожи. Поэтому они были объединены в группу бензиновых двигателей. Электрические двигатели работают на постоянном и переменном токе. По взаимодействию магнитных полей электродвигатели бывают синхронные и асинхронные. В качестве примера был выбран асинхронный электродвигатель переменного тока.

Дизельные двигатели получили наибольшее распространение на грузовом автомобильном транспорте благодаря своей экономичности. Тем не менее, они устанавливаются и на легковых автомобилях. Их преимущества: высокий КПД, высокий крутящий момент, низкий расход топлива, большой ресурс. К недостаткам относятся: высокая стоимость, большая масса, затруднённая эксплуатация в зимнее время.

Большая часть легковых автомобилей выпускается с бензиновыми двигателями. Их главные достоинства: большая мощность и лучшие скоростные характеристики, простота конструкции, малый вес и низкая стоимость по сравнению с дизельными двигателями. Но бензиновые двигатели обладают рядом недостатков: повышенным расходом топлива и меньшей долговечностью. Для оптимальной работы тепловых двигателей необходимы элементы систем питания, смазки и охлаждения, находящиеся вне двигателя.

Электрические двигатели имеют ряд преимуществ, по сравнению с тепловыми двигателями: простая конструкция электродвигателя совместно с КПД, в три раза большем, чем у тепловых; крутящий момент, имеющий высокие значения с начала движения; низкая стоимость двигателя, его обслуживания и ремонта. Главная проблема автомобильных электродвигателей связана не с ними самими, а с питающими их аккумуляторами. Недостаточная ёмкость, большой вес, большие габариты, длительное время зарядки и высокая стоимость аккумуляторов сводит к минимуму желание отечественных автолюбителей приобретать данные средства транспорта.

Наша работа связана с исследованием динамических и экономических характеристик двигателей. Для этого выбраны общие характеристики для всех двигателей: номинальная мощность – 80 кВт (108,77 л.с.) и максимальное число оборотов – 4800 об/мин. Этот расчет следует считать условным, т.к. бензиновый двигатель с указанным числом оборотов считается низкоскоростным. Подобные двигатели были характерны для середины XX века. Для дизельного двигателя данное число оборотов считается высоким. Не все современные дизеля работают в таком режиме. Номинальное число оборотов в асинхронном электрическом двигателе зависит от частоты тока. Поэтому на автомобилях устанавливают преобразователь частоты переменного тока. В процессе работы двигателя параметры динамических и экономических характеристик меняются в зависимости от числа оборотов двигателя.

2.2 Особенности дизельного двигателя

На странице 147 учебного пособия А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» дана таблица соотношения между параметрами относительной скоростной характеристики дизельного двигателя в процентах. На основании данных таблицы ведём расчет мощности и удельного расхода топлива, выбрав номинальное значение мощности при частоте оборотов, равном 4000. Данные расчетов записываем в таблицу 1.

Таблица 1

Внешние скоростные характеристики дизельного двигателя

Исходя из формулы (6.5) на странице 145 определяем крутящий момент двигателя. Данные записываем в таблицу 2.

Таблица 2

Расчет крутящего момента дизельного двигателя

На сайте «Цены на бензин в России в рублях сегодня» выбираем цену одного литра дизельного топлива. Все полученные результаты заносим в сводную таблицу 3 динамических и экономических характеристик дизельного двигателя.

Таблица 3

Динамические и экономические характеристики дизельного двигателя

В таблице 3 указаны следующие величины:

n – частота вращения выходного вала двигателя, об/мин;

N – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент на выходном валу двигателя, Н*м;

G – расход топлива для тепловых двигателей, л/100 км,

Ц – цена одного литра топлива, руб/л,

С – стоимость энергоносителя необходимого на 100 км пути.

2.3 Особенности бензинового двигателя

На странице 146 учебного пособия А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» дана таблица соотношения между параметрами относительной скоростной характеристики бензинового двигателя в процентах. Дополняем таблицу строками с реальными значениями величин. Проводим расчет мощности и удельного расхода топлива, выбрав номинальное значение мощности при частоте оборотов, равном 4000 для выбранных автомобильных двигателей. Данные расчетов записываем в таблицу 4.

Таблица 4

Внешние скоростные характеристики бензинового двигателя

Исходя из формулы (6.5) на странице 145 учебного пособия А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей»определяем крутящий момент двигателя. Данные записываем в таблицу 5.

Таблица 5

Расчет крутящего момента бензинового двигателя

На сайте «Цены на бензин в России в рублях сегодня» выбираем цену одного литра АИ-95.. Все полученные результаты заносим в сводную таблицу 6 динамических и экономических характеристик бензинового двигателя.

Таблица 6

Динамические и экономические характеристики

бензинового двигателя

В таблице 6 указаны следующие величины:

n – частота вращения выходного вала двигателя, об/мин;

N – мощность двигателя, кВт;

M – крутящий момент на выходном валу двигателя, Н*м;

G – расход топлива для тепловых двигателей, л/100 км,

Ц – цена одного литра топлива, руб/л,

С – стоимость энергоносителя необходимого на 100 км пути.

Как видно из таблиц 3 и 6 экономические показатели бензинового и дизельного двигателей соответствуют действительности. Давно доказано, что дизельный двигатель экономичнее бензинового. В следующей части исследования рассмотрим особенности асинхронных электрических двигателей.

2.4 Особенности электрического двигателя

Изучаем данные для определения параметров асинхронных электрических двигателей. Изменение мощности N находим из учебного пособия В.Н. Галушко «Расчет асинхронных двигателей: Пособие для выполнения курсовой работы» и записываем в таблицу 7

Таблица 7

Изменение мощности электродвигателя

На основании данных сайта «ЭлектроТехИнфо» определяем изменение крутящего момента в зависимости от числа оборотов вала двигателя. Особенностью электрических двигателей можно считать наличие крутящего момента при остановленном валу двигателя. Эта особенность дает возможность электродвигателям совершать работу с минимальной скорости без предварительного разгона, в отличие от двигателей внутреннего сгорания (см. таблицу 8)

Таблица 8

Изменение мощности электродвигателя

Удельный расход электроэнергии рассчитывался по формуле 13-24 на стр. 387 учебного пособия Бойко Е.П. «Асинхронные двигатели общего назначения». Его значения можно посмотреть в таблице 9.

Таблица 8

Изменение мощности электродвигателя

Цена одного кВт*ч электроэнергии взята из сайта «Таблица тарифов ПАО «ТНС энерго Ярославль»» (выбрано максимальное значение).

Таблица9

Динамические и экономические характеристики асинхронного электрического двигателя

На основании данных таблиц 3, 6 и 9 строим графики мощностей (Приложение 1), крутящих моментов (Приложение 2) и экономических показателей (Приложение 3).

2.5. Сравнительный анализ двигателей

При изучении графиков мощностей (Приложение 1) можно заметить, что показатели ДВС достаточно близки друг к другу. Единственным исключением является падение мощности бензинового двигателя на участке 4000-4800 об/мин. График мощности электрического двигателя несколько отличается от графиков ДВС. На участках 0-2800 об/мин и 3600-4800 об/мин мощность электродвигателя несколько меньше, чем у конкурентов. Лишь на участке 2800-3600 об/мин она выше. Значит, оптимальными оборотами при крейсерской скорости автомобиля будет этот участок. Тем не менее, показатели мощностей достаточно близки, а, значит, способность поддерживать скорость на определённых оборотах у двигателей примерно одинакова.

График крутящих моментов (Приложение 2) дает возможность увидеть преимущество электрического двигателя – способность развивать высокий крутящий момент с начала движения. Это достоинство электродвигателей дает возможность сэкономить на сложных механизмах трансмиссии. Сам график крутящего момента электрического двигателя находится в пределах графиков ДВС. Из этого можно сделать вывод, что разгоняться электромобиль будет примерно так же, как и автомобиль с ДВС.

Наибольшую часть времени автомобиль эксплуатируется в режимах работы, характерных для числа оборотов в пределах от 2400 до 4000. На основании Приложения 3 можно увидеть, что при самых высоких ценах на электроэнергию электромобиль будет как минимум в 1,6 раза экономичнее дизельных двигателей и в 2 раза – бензиновых. Отсюда можно сделать вывод: замена двигателей внутреннего сгорания на электрические на легковых автомобилях обоснованна экономией денежных средств при повседневной эксплуатации.

Конечно же, данное исследование лишь слегка приоткрывает завесу тайны в мир автомобилей. Превратится ли автоновинка в обыденность, узнаем через пару десятков лет.

Заключение

На основании проведенного мной исследования, можно сделать следующие выводы:

Просторы Интернета позволяют найти любую учебную и научно-популярную литературу для проведения подробного исследования на любую интересующую тему.

В ходе изучения литературы мы остановились на трех видах двигателей: бензиновом, дизельном и электрическом, т.к. они широко представлены в легковом секторе автомобилестроения. Именно между ними ведется борьба за существование в мире автомобилей. Значит, исследование взяло правильное направление.

В ходе исследования были определены динамические и экономические показатели трёх типов двигателей. К динамическим характеристикам относятся: мощность двигателя, определяющая способность автомобиля поддерживать постоянную скорость, и крутящий момент, отвечающий за способность разгоняться. Стоимость эксплвуатации дает возможность сравнить экономичность двигателей.

Сравнительный анализ характеристик автомобильных двигателей показал, что динамические характеристики электродвигателей и ДВС достаточно близки, а по экономическим показателям электродвигатель значительно выигрывает у дизельных и, особенно, у бензиновых двигателей.

Мы считаем, что цель нашего исследования достигнута, и мы научно обосновали необходимость замены двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели в легковом автомобильном транспорте.

Результаты нашей исследовательской работы можно использовать на уроках физики по темам «Тепловые двигатели» и «Электрические двигатели», а также на уроках технологии при изучении механизмов и машин.

Использованная литература

Учебники и учебные пособия

Асинхронные двигатели общего назначения/Бойко Е.П., Гаинцев Ю.В., Ковалев Ю.М. и др.: под ред.В.М. Петрова и А.Э. Кравчика. – М. Энергия, 1980 с. ил.

Конструирование и расчет автомобилей и тракторов. Электромобили [Текст] : учебное пособие / Н. Н. Демидов, А. А. Красильников, А. Д. Элизов ; М-во образования и науки Российской Федерации, Санкт-Петербургский политехнический ун-т Петра Великого. - Санкт-Петербург : Изд-во Политехнического ун-та, 2016. - 95 с. : ил.

Масандилов Л.Б., Москаленко В.В. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. – М. Энергия, 1978. – 96 с.ил.

Расчет асинхронных двигателей : Пособие для выполнения курсовой работы / В. Н. Галушко, И. С. Евдасев, В. А. Пацкевич, А. В. Дробов ; М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель : БелГУТ, 2016. – 158 с

Электромобили и автомобили с комбинированной энергоустановкой. Расчет скоростных характеристик: учеб. пособие / В.Е. Ютт, В.И. Строганов. – М.: МАДИ, 2016. – 108 с.

Электронные ресурсы

Trashbox.ru. Высокие технологии Результаты опроса: Как Вы относитесь к электромобилям? Какие плюсы и минусы у них есть по Вашему мнению? https://trashbox.ru/link/2020-11-19-who-wants-electric-car .

Журнал «За рулем». 95% владельцев электромобилей всё устраивает! — исследование. https://www.zr.ru/content/news/921374-vladeltsy-ehlektromobilej-ne-so/

Информационный портал газеты Известия. Россияне рассказали об отношении к электромобилям. https://iz.ru/1055371/2020-09-01/rossiiane-rasskazali-ob-otnoshenii-k-elektromobiliam.

Таблица тарифов ПАО «ТНС энерго Ярославль». https://yar.tns-e.ru/population/tariffs/tariff-table/

Цены на бензин в России в рублях сегодня. http://www.benzin-cena.ru/benzin/40-rossija-ceni-v-rubljah.

ЭлектроТехИнфо. https://eti.su/articles/elektricheskie-mashini/elektricheskie-mashini_1571.html.

Приложение 1

График мощностей исследуемых двигателей

Приложение 2

График крутящих моментов исследуемых двигателей

Приложение 3

График экономических показателей исследуемых двигателей