МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по экологии:
Перспективные транспортные средства
Кафедра теплотехники и гидравлики
Выполнил:
Студент2 КУРСА
ГруппыЭАЗ — 221 с
РожокО.М.
Проверил:доц. Захаров Е.А.
Волгоград 2011
Содержание
1. Введение
2. Двигатели используемые в большинстве видов транспорта насегодняшний день
3. Гибридных автомобили
4. Требования к новому виду транспорта
5. Заключение
Cписок использованной литературы1. Введение
Значительную роль в использовании природных энергетических источниковиграют транспортные средства, потребляющие около трети всей добываемой в мире нефти,причем из всех видов транспорта наиболее энергоемким является автомобильный. Использованиев автомобилях углеводородных топлив нефтяного происхождения сопровождается выбросомв атмосферу огромного количества вредных веществ. В результате на автомобильныйтранспорт приходится от 39 до 63% загрязнения окружающей среды, масштабы которойглобальны — воздух, суша и вода.
Традиционный подход к решению энерго-экологических проблем автомобилизациизаключается в улучшении конструкции существующих двигателей внутреннего сгоранияи создании более совершенных энерго-силовых установок нового типа при использованииболее или менее обычных углеводородных топлив. В первом случае основное вниманиеуделяется повышению экономичности и снижению токсичности автомобилей путем сложнойкоррекции рабочего процесса в двигателе с целью обеспечения максимальной полнотысгорания топлива на всех рабочих режимах.
Новые транспортные двигатели, разработанные к настоящему времени,включают электрические силовые установки и тепловые двигатели внутреннего и внешнегосгорания с нетрадиционными рабочими процессами.
К последним относят поршневые двигатели с послойным распределениемзаряда, газотурбинные, паровые и роторные двигатели, а также двигатели Стирлинга.
Некоторые из этих двигателей, в частности двигатели Стирлинга,в принципе могут обеспечить возможность создания малотоксичного автомобиля на обычныхтопливах, удовлетворяющего будущим жестким нормам.
Большой интерес представляют электрические силовые установкииспользующие электрохимические источники энергии — аккумуляторные батареи и топливныеэлементы.
2. Двигатели, используемые в большинстве видов транспортана сегодняшний день
Тренд на либерализацию, обеспечивший конкуренцию на транспорте,в том числе и конкуренцию между разными видами транспорта, заставляет непрерывноискать технические и организационные решения, меняющие к лучшему облик транспортногомира. За последний десяток лет транспортные средства изменились чуть ли не на столько,сколько за предыдущие двадцать-тридцать лет.
Причины, которые заставляют меняться старые виды транспорта этодавление со стороны как потребителей, так и политиков за:
Мобильность (способность доставки от двери к двери;
Экономичность (прежде всего КПД по топливу);
Экологическую чистоту;
Безопасность.
Выполнение всех этих требований весьма противоречиво. Так, утяжелениетранспортного средства обычно повышает его безопасность для пассажиров и водителя,но ухудшает безопасность для других (более тяжелый транспорт причинит при столкновениибольше ущерба) и увеличивает расход топлива, что ведет к ухудшению характеристикэкономичности и экологичности. В системах общественного транспорта большая экономичностьозначает снижение мобильности до остановок приходится добираться.
В большинстве видов транспорта работает тот или иной двигатель,и на сегодняшний день в большинстве случаев это
Дизель,
Двигатель внутреннего сгорания,
Электродвигатель,
Турбореактивный двигатель.
транспортный автомобиль гибридный экологичный
Электродвигатель по своим характеристикам лучше многих другихприводов у него и устойчивость к переменным нагрузкам лучше, и обороты регулируютсялучше (поэтому не нужно сложных систем передачи), и КПД лучше, и устроен он попроще(в нем, например, меньше движущихся частей, что ведет к большей наработке на отказ),к тому же он обходится дешевле (поэтому его можно ставить, например, на каждое колесо,а не иметь один на все колеса).
Другое дело, что электричество на борту является крайне дорогимисточником энергии. Батарейки можно вообще не рассматривать, аккумуляторы на сегодняневероятно тяжелы и долго заряжаются, а заряда у них хватает на немного. Выходомявляется получения бортового двигательного электропитания из углеводородного топливалибо используя топливные элементы, либо гибридные решения.
Топливные элементы в качестве топлива используют водородсодержащеесырье в пределе это чистый водород (и тогда на выхлопе у них чистая вода), но естьварианты на метиловом спирте, природном газе, бензине и даже дизельном топливе.Их установочная стоимость пока еще довольно велика до $5000 за Квт мощности, а тои больше. Чисто водородные топливные элементы являются и самыми чистыми, но дляних неоткуда брать водород: стоимость водородной заправочной инфраструктуры сильнопревышает стоимость сегодняшней инфраструктуры заправки углеводородами (продуктаминефтепереработки и газом). Поэтому на краткосрочную перспективу более популярнытак называемые гибридные схемы когда транспорт имеет как обычный двигатель, таки электрический.
Гибридные схемы воплощают в себе преимущества двух миров: мираобычных двигателей для получения электроэнергии и электродвигателя, используемогодля привода колес. Обычный двигатель (дизель, внутреннего сгорания или даже газоваятурбина) работает в оптимальном равномерном режиме и заряжает бортовой аккумуляторотносительно небольшой емкости (много ниже, чем в электромобилях). А электродвигателькрутит колеса, работая в рваном режиме, зависящем от условий движения (ускоренийи торможений, подъемов, грузоподъемности и т.д.). В результате динамические характеристикитранспорта от использования электропривода существенно улучшаются с одной стороны,а экономичность и экологичность улучшаются из-за того, что обычный двигатель работаетв оптимальном режиме.
3. Гибридных автомобили
Гибридные схемы бывают самые разные: от одновременной синхронизированнойкомпьютером работы электромотора и обычного двигателя на одном валу до полностьюнезависимых газотурбинного двигателя, работающего на генератор и специальных электродвигателей,вмонтированных прямо в колеса. Все эти решения уже есть на рынке и конкурируют.Вопрос лишь в том, что иметь на борту сразу несколько мощных двигателей с высокимКПД (обычный, электрический мотор-генератор (как правило генератор тоже, использующийрекуперацию при торможениях), и иногда отдельный электрический генератор) всегдадороже, нежели иметь просто один двигатель. Преимуществом же являются лучшие ходовыехарактеристики, более низкий расход топлива и низкотоксичный выхлоп.
На данный момент преимущества гибридных автомобилей больше всегопроявляются в тяжелых решениях грузовиках и автобусах, в которых экономия на топливеи экологические ограничения могут быть сильнее, нежели в легковых автомобилях. Поэтомуосновная конкуренция гибридных схем разгорается в этом секторе, а главным конкурентомпока остаются дизели.
Начиная с какого-то порога распространения гибридов произойдетих лавинообразное массовое внедрение: из-за политических изменений цены топлива.Сегодня в большинстве стран мира финансирование инфраструктуры автодорог происходитпутем акциза на топливо. Новые автомобили будут потреблять минимум вдвое меньшетоплива, следовательно для сохранения того же уровня финансирования инфраструктурыих должно или стать вдвое больше (но тогда и инфраструктуры должно быть профинансированобольше), или акциз должен увеличиться вдвое. Топливо при этом неминуемо подорожает,и для обычных автомобилей станет непомерно дорогим. Стоимость же собственно гибридныхавтомобилей упадет из-за эффектов масштаба производства. Поэтому начиная с какого-томомента внедрение гибридных автомобилей вместо неожиданно ставших дорогими в эксплуатацииобычных пойдет лавинообразно ежели только не изменится текущая политика по финансированиюдорожной инфраструктуры.
Государство подталкивает к гибридизации транспорта и постояннымужесточением экологических норм. Начиная с какого-то момента обеспечить требуемуюгосударством экологическую чистоту двигателя, работающего в тяжелых условиях изменяющейсядорожной нагрузки, становится очень дорого. Выходом является использование гибриднойсхемы, в которой двигатель работает в постоянно оптимальном режиме, в том числеи оптимальном с точки зрения минимизации вредных выхлопов. Гибридная схема позволяетиспользовать также газотурбинные двигатели, которые обеспечивают еще большую экологическуючистоту.
Рынок готовится к вторжению гибридных автомобилей: на рынке ужеесть отдельно специализированные электродвигатели до 350kW (применяются в тяжелыхтрейлерах и автобусах), новые типы электрифицированных колес с единой системой компьютерногоуправления, специализированные транспортные турбины и т.д.
Железнодорожники оценили гибридную схему много раньше: посколькуим всегда была нужна большая тяговая мощность, то тепловозы представляют собой да,правильно, мощные гибридные тягачи, только поставленные на рельсы.
Важно отметить, что появление автомобилей-тепловозов означаетпереход к единой электроэнергетике и транспорту. Автомобиль или тепловоз с электроприводомэто передвижная электростанция относительно большой мощности: гибридные энергоустановкидля автобусов и трейлеров имеют пиковую мощность до 350kW, тепловозов более 1Мвт.Десяток таких трейлеров или пара тепловозов, отдыхающих между поездками, могут составитьконкуренцию какой-нибудь резервной электростанции в районе и уж точно воплощаютидею распределенной генерации.
Осталось только откорректировать законодательство так, чтобыне мешать развитию распределенной генерации обязательным подчинением каждого небольшогогенератора командам Системного Оператора. Тогда технологии смогут развиваться ибыстро сделают выгодной совместную работу гибридного и электротранспорта и энергосистемы.
Эта связь энергетики и транспорта существовала всегда, сейчасона просто становится более очевидной. Так, Единая Европа так же, как и многие другиестраны, имеет единое Министерство энергетики и транспорта, возглавляемое одним министром.
Отдельно можно рассматривать быстро становящийся популярным линейныйдвигатель в поездах на магнитной подушке. Но схемы движения на магнитной подушкевсе еще крайне дороги, и этот вариант вряд ли станет популярным.4. Требования к новому виду транспорта
Очевидно, что исторически возникла потребность в новом виде транспортнойинфраструктуры, которая придет вслед за авиацией.
Новый транспорт должен обладать развитой инфраструктурой, предполагающейего повсеместность. Ежели эта инфраструктура не будет повсеместной, то не будетвыполнено свойство мобильности.
Главным требованием к новому виду транспорта является возможностьинкрементальности его финансирования: возможность принимать деньги из многих источников,каждый из которых вкладывается в свой проект. Это означает, что новый вид транспортадолжен задаваться как множество стандартов, обеспечивающих совместимость его путевойи подвижной инфраструктуры, управления движением и т.д. Тогда можно обозначить двеосновных конкуренции:
Конкуренция наборов стандартов, собственно и задающих новый транспорт.
Конкуренция поставщиков элементов путевой инфраструктуры и подвижногосостава в рамках одного набора стандартов.
Большинство нынешних проектов транспорта будущего не удовлетворяютусловию инкрементальности инвестирования один производитель поставляет и дорожноеполотно, и проводит строительные работы, и поставляет подвижной состав для разработанногоим же набора стандартов. Поэтому у большинства современных проектов-кандидатов натранспорт будущего не будет продолжения, они умирают вместе с каждым очередным огромнымтраншем их финансирования.
Почему сотовые телефоны выиграли у обычных проводных АТС? Инвестицииоператора в одну-две соты были меньше, нежели инвестиции в постройку обычной АТСи устройства кабельной канализации. Эти инвестиции сразу начинали работать, обслуживаявначале небольшое число потребителей а число сот можно было наращивать в тех местах,где рост потребителей был выше, но не раньше момента исчерпания пропускной способностиначальной соты. Оборудование сот поставлялось сразу многими производителями, чтообеспечивало их низкую стоимость но слипалось в единую общемировую телефонную сеть.То же происходило с интернет-провайдерами: большинство провайдеров мира устанавливалималенькие комплекты оборудования, которые слипались в общемировую сеть Интернет.Для инфраструктурных проектов важна не столько стоимость конечной инфраструктуры,сколько возможность ее инкрементального построения как технического, так и организационно-финансового.
Нельзя говорить, что единый поставщик транспортного решения будущегообеспечит взаимоувязку всех частей огромного нового проекта. Проект, претендующийна то, чтобы стать новым видом транспорта, должен развиваться как новый рынок, ане быть построен плановым порядком. Плановым порядком могут делаться большие проекты,но не виды транспорта это явно не один проект, а нечто большее.
Новый вид транспорта сможет выигрывать у уже существующих тольков том случае, если обеспечит более эффективное использование земли и материаловдля построения его инфраструктуры, нежели уже существующие. Отсюда такой большойинтерес к монорельсам на опорах — как минимум, их стоимость меньше на стоимостьосвобожденной под ними земли.
Монорельсовые линии в различных проектах стоят сейчас от $3.5до $40млн. за километр пути. Уменьшение их материалоемкости требует принципиальноновых решений. Так, можно указать на струнный транспорт Юницкого, использующий дляполучения подвесного двурельсового пути некрученые натянутые парные тросы, стянутыепо несколько штук каким-либо наполнителем (например, бетоном) в напряженную конструкцию.Стоимость такого пути — $2.5-$3.5 за километр при неменьшей надежности, нежели умонорельса.
Еще одно принципиальное требование это максимальное использованиесуществующей капиллярной автодорожной структуры для удешевления стоимости последнеймили при перевозках от-двери-до-двери. Это удобство от двери к двери и отсутствиепересадок и делает личные автомобили вне конкуренции в глазах населения несмотряна многочисленные попытки привить любовь к общественному транспорту. Это требованиеможет быть переформулировано следующим образом: транспорт будущего должен одновременнопринадлежать к двум видам, а не одному виду.
Фактически все сегодняшние так любимые муниципалитетами большиепроекты новых видов общественного транспорта являются одновидовыми, что доказываетих полную бесперспективность в качестве нового популярного транспорта будущего.Потребитель хочет иметь собственный экипаж, подъезжающий прямо к дому и находящийсяоколо дома сколько угодно времени для удобства посадки и высадки (хотя вот гараждля такого экипажа может быть расположен и в другом месте). Пользоваться общественнымтранспортом потребитель не хочет, если есть возможность иметь свое собственное средствопередвижения и гарантируется отсутствие пробок. И задача рынка удовлетворить этуего потребность.
Двухвидовый транспорт предполагает как возможность скоростного(200-300км/час) движения в режиме динамических составляемых поездов на подвесныхнаправляющих новой транспортной инфраструктуры, так и езду по обычным автодорогам.Вполне возможно, что они будут получать электропитание от транспортной инфраструктурыновых магистралей и переходить на собственные электробатареи или гибридные двигателипри передвижении по необорудованной автодороге/улице. Правда, движение по автодорогам/улицамбудет не требовать такой уж большой мощности двигателя и запаса топлива, какая требуетсяпри езде по шоссе.
Наиболее известной концепцией одновидового транспорта являетсяперсональный городской общественный транспорт. Согласно этой концепции люди поодиночкеили группами до 4-х человек садятся на специальных остановках в отдельные четырехместныекабинки, задают конечную станцию, и автоматика двигает эти кабинки по направляющим,объединяя в динамические поезда на длинных магистральных перегонах. Главным недостаткомэтой концепции является именно то, что это вариация именно общественного транспорта,проигрывающая в конкуренции частному автомобилю, доставляющему до двери и пассажира,и его семейство, и сопуствующие грузы. Подробнее материалы дискуссии о двухвидовостипротив одновидовости транспорта будущего (как и обсуждение возможных техническихи организационных решений) можно почитать на faculty. washington.edu/jbs/itrans/
Требования двувидовости отменяют также прогноз о том, что будущеетранспорта за небольшими персональными самолетами. Этот прогноз уже не оправдалсяс вертолетами (которым тоже предрекали распространенность чуть ли не автомобильную),а уж о самолетах (в том числе с вертикальным взлетом/посадкой) пока и говорить неприходится. Дело тут не только в сложности управления движением тысяч и тысяч быстролетящихвне всякой дорожной структуры бортов, но и в производимом при взлете/посадке/пролетешуме, а также получающейся стоимости проезда. А двувидовые проекты летающих автомобилей,реализующих режим от двери до двери практически повсеместно заморожены ввиду полнойбесперспективности.
Важным требованием к новому виду транспорта является скоростьобычно эту скорость определяют в 250-350км/час. Дело в том, что люди тратят на перемещениев среднем примерно один час в день. Эта цифра не слишком зависит от страны (отличаясьсущественно только в Калифорнии там люди проводят в день в пути два часа, ибо онии едят и делают детей и вообще почти живут в автомобиле) и не зависит от лет, когдапроводятся замеры. Это удивительно, но человечество не меняет своих привычек тратитьна передвижение около часа в день, существенно увеличив свою мобильность преимущественноза счет увеличения скорости передвижения. И назад в лошадность, пешеходность и велосипедностьвозврата уже нет. Поэтому весьма маловероятно, что транспортом будущего будут являтьсяустройства типа двухколесного электромобиля Segway крошечной платформы, котораяможет развивать в условиях города скорость до 20 км/час (скорость бегущего человека).Да, это поможет в условиях нынешних городских пробок, но сама идея нового транспортавозникает как раз из необходимости найти технологический выход из покрытия всейземли автомобильными дорогами.
Наиболее близко к требуемым скоростям подошли проекты скоростныхжелезных дорог и дорог на магнитной подушке но их цена остается крайне велика, ктому же они обладают всеми недостатками общественного транспорта: добраться до точкипосадки и от точки высадки занимает времени (и нервов) много больше, нежели сампереезд.5. Заключение
Основное финансирование сегодняшние проекты транспорта будущегополучают от государства.
Одним из первых таких проектов был проект по созданию летательногоаппарата тяжелее воздуха, который обошелся налогоплательщикам США в $70 000 и закончилсяничем. С этим проектом конкурировали браться Райт, которые и смастерили первый летающийсамолет, обошедшийся им в $2500. Последний шумный транспортный проект, закончившийсястоль же бесславной растратой денег налогоплательщиков сверхзвуковой лайнер Конкорд,не окупишвий две трети своей стоимости и так и не создавший массового рынка сверхзвуковойпассажирской авиации. Увы, но государство не слишком большой помощник в созданиитранспортной инфраструктуры будущего:
чиновники проводят финансовую и регуляторную политику, которыепозволяют выживать неэффективным технологиям и безбедно существовать плохим менеджерами инженерам;
предписанные государством тарифы (в силу неверного пониманияестественной монопольности любого транспорта) делают прибыль независимой от результатовработы, не стимулируют поиск новых технологий и взятие на себя технологических ифинансовых рисков. В результате частный капитал либо не слишком стремится поучаствовать,либо его участие менее эффективно, чем было бы участие капитала в условиях свободныхцен и рыночной конкуренции.
Государство обильно финансирует разработки нового транспорта,ибо чиновники якобы знают о технологиях лучше, чем бизнесмены:
распределяют деньги на исследования
дают льготы, субсидии и организовывают кросс-финансирование некоторыхтехнологий
нарушают подход регулирования безопасности и экологичности порезультатам (performance-based) и непосредственно предписывают использование техили иных технологий.
На сегодня, единственный реализованный проект поезда на магнитнойподушке существует в свободной экономической зоне Шанхай. Трасса, построенная нагосудорственные деньги немецким консорциумом Transrapid International (в которыйвходят Adtranz, Siemens и Tyssen) пролегает от делового центра Шанхая аэропортаПудон. По общему признанию, проект имел скорее идеологическое, чем транспортноезначение и воспринимается больше как аттракцион, чем как средство передвижения.В общей сложности, этот проект обошелся в 1.2 миллиарда долларов инвестиции, которыеникогда не окупятся.
В итоге государство выбирает технологии:
дорогие ибо рыночный успех неважен (выручает не просто возможностьустановить любые тарифы, а возможность последующего их субсидирования)
крупномасштабные доступны крупные суммы денег, а успешность некомуконтролировать
с одним собственником затрудняет поиск денег для роста проекта.Кроме того, один собственник это отсутствие конкуренции.
закрытыми стандартами присоединения затрудняет рост проекта,отсутствие конкуренции обеспечивает стагнацию
с заранее завышенными затратами, в силу распространенности коррупции
с непонятной экономической эффективностью (чаще всего во имянациональной безопасности или социальной стабильности).
Каким бы ни был транспорт будущего, он обязательно будет оборудовансредствами распределенного управления движением борт-инфраструктура. На каждом бортубудет стоять черный ящик для понимания того, что произошло во время аварии, на каждомборту будет оборудование выдачи сигнала бедствия, на каждом борту будет электронноенавигационное оборудование, средства предотвращения столкновений и т.д. Сейчас идетпереоборудование водного и воздушного транспорта, обсуждается переоборудование автотранспорта.
Из новинок можно будет указать на возможность формирования поездовиз отдельных транспортных средств. Этот режим автопоезда электронной сцепки используется,например, для одновременного ускорения группы машин при старте после светофора наодноуровневом пересечении дорог (повышает пропускную способность магистрали в 3-5раз) или для снижения аэродинамического сопротивления группы машин при движениипо автостраде с соответствующим снижением расхода топлива.
Cписок использованной литературы
1. Транспортная система / Сундуков Е.Ю. — 961245/28; Заявл.27.12.96/Изобретения(Заявки и патенты). — 1998. — № 36.
2. Новый городской транспорт — автомобиль на рельсах: MEMBRANA — 2002- №1.
3. Аксенов И.Я. Единая транспортная система: Учеб. для вузов — М: Высш.шк., 199.
4. Гулиа Н.В., Юрков С. Новая концепция электромобиля: Наука и техника2000 — №2.