Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice šk. rok 2003/2004, zimní semestr II. ročník (obor DI-DC), st. skupina 2C Jiří Borový a Štěpán Bartoš pracovní skupina 09 07.11. 2003 Název práce: Obvyklé a ekologické pohonné jednotky v letecké, železniční, vodní a silniční dopravě
Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá variantami možného pohonu automobilů, lodí, letadel a vlaků. Informuje také o historii motorů a jejich možného ekologického nahrazení elektrickými články a motory, Klíčová slova: Motor, spalovací motor, turbína, vodík, akumulátor
1.
ÚVOD .................................................................................................................. 4
2.
PARNÍ STROJ .................................................................................................... 4
2.1.
Wattův parní stroj .................................................................................................................................. 4
2.2.
Parní stroj s vyšším tlakem páry ........................................................................................................... 4
2.3.
Sdružený parní stroj............................................................................................................................... 5
2.4.
Parní turbína........................................................................................................................................... 5
3. 3.1.
SPALOVACÍ MOTOR ......................................................................................... 5 První pokusy............................................................................................................................................ 5
3.2. Rozdělení spalovacích motorů ............................................................................................................... 5 3.2.1. Podle počtu taktů............................................................................................................................. 5 3.2.2. Podle výbušné směsi ....................................................................................................................... 5 3.2.3. Podle využití vnější energie ............................................................................................................ 6 3.3.
Dvoutaktové motory ............................................................................................................................... 6
3.4.
Čtyřtaktní motor..................................................................................................................................... 6
3.5.
Wankelův motor ..................................................................................................................................... 6
3.6.
Proudový motor ...................................................................................................................................... 7
3.7.
Čtyřtaktní zážehové motory................................................................................................................... 7
3.8.
Vznětové motory ..................................................................................................................................... 7
4.
ELEKTRICKÝ POHON ....................................................................................... 7
4.1.
Historie .................................................................................................................................................... 7
4.2.
Výhody elektrického pohonu ................................................................................................................. 8
5.
HYBRIDNÍ POHONY........................................................................................... 8
6.
PALIVOVÉ ČLÁNKY .......................................................................................... 8
7.
PŘÍKLAD AUTOMOBILŮ S EKOLOGICKÝMI MOTORY .................................. 8
7.1.
Opel EV1 ................................................................................................................................................. 8
7.2. Fiat Multipla Hybrid .............................................................................................................................. 9 7.2.1. Tři různé režimy F. M. H. ............................................................................................................... 9 7.3.
Nissan Hypermini ................................................................................................................................. 10
7.4.
Toyota RAV4EV ................................................................................................................................... 10
POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE: ......................................................................... 11 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ .......................................................................... 11
1. Úvod K pohonu motorových vozidel se používá mnoho druhů pohonů, od malooběmových motorů v motorkách, po velkooběmové motory ve velkých lodích. Jejich struktura je rozmanitá, protože každý druh motoru je vhodný na něco jiného. Velké vznětové motory jsou známy svojí výdrží za těžkých podmínek. Zážehové motory se zase používají hlavně pro osobní vozidla, kde zase se užije jejich rychlost, hospodárnost a živost. Proudové motory se zase používají hlavně pro letadla, nebo experimentální vozidla. Pro pohon lokomotiv se používají hlavně elektrické motory. Parní stroj se v 21. Století skoro vůbec nevyužívá, protože je už zastaralý. Jeho sláva vrcholila v přelomu 19. A 20. století
2. Parní stroj 2.1. Wattův parní stroj Jako první mechanickém strojem lze považovat Newcomenů atmosférický parní stroj, který se nevyvíjel do roku 1769, když Skot James Patentoval oddělený kondenzátor, který se neustále zdokonaloval. Wattův oddělený katalyzátor vznik z modelu Newcomenaova stroje,který byl vystaven a používán v laboratoři Glasgow. Hlavní princip Wattového stroje je takový, že oddělil dvě činnosti. Zahřívání válce s horkou parou a zároveň jeho ochlazování. Takže kondenzátor je neustále studený, a tak je dosaženo velké úspory energie. Wattův parní stroj bohužel nebylo možno použit ve velkých parních strojích.Ale přesto, že Wattův patent nebyl stoprocentně funkční, tak bylo dosáhnuto velkých úspěchů. Během 25 let se Wattův motor inovoval. Inovace spočívá z vytvoření dvojčinného hnacího stoje, který už mohl vykonávat rotační pohyb. Původní Wattův patent mohl pouze vykonávat pouze jednostranný pohyb, a tak půlka cyklu nebyla vůbec výkonná.
obrázek 1 Wattův dvojčinný parní stroj z pol 80. let 18. století 2.2. Parní stroj s vyšším tlakem páry Wattovi parní stroje nepoužívaly vysokotlakou páru, a taj tento druh motorů nelze použít do lokomotiv. A tak v roce 1802 Richard Trevithick vymyslel a zavedl motor, kde byl vyšší tlak páry. Přibližně 10 kg na cm2. Vymyslel experimentální stroj, který pracoval bezpečně a účinně. I v Americe byl vymyšlen parní stroj, který dosahoval stejných výsledků, jako Trevithcickův parní stroj. Americký stroj vymyslel Oliver Evans. Oba dva parní stroje používaly stejný princip. Válcový kotel s vnitřním topeništěm. V roce 1804 byla vyrobena první úspěšná lokomotiva, která se bohužel nemohla použít do obvyklého provozu, protože byla dost těžká, a tak zkušební koleje v Panydarren v jižním Walesu zničila.
Parní stroj se neustále vylepšoval. Vyvinuly se složitá vahadlová čerpadla. Zapojení těchto čerpadel do parního stroje se ještě parní stroj zdokonalil. Vylepšení vlastností parních strojů umožnil cyklus, který ještě před dokončením pracovního taktu přerušil přívod páry, a tak mohla pára vykonat expanzní práce. Akrthur Wolf vylepšil ještě více parní stroj. Vymyslel sdružený stroj, ve kterém byla pára vícekrát použita, s klesajícím tlakem. A tato pára byla po ztrátě tlaku vypuštěna, či kondenzována.
obrázek 2 Wattův dvojčinný parní stroj z pol 80. let 18. století 2.3. Sdružený parní stroj V roce 1845 John McNaugt vytvořil sdružený parní válec.Jehož hlavní princip byl zapojení dvou válců. Jedním vysokotlakým a druhům nízkotlakým naproti sobě. Vahadla těchto válců byla rozdílné velikosti. Válec s vyšším tlakem měl i kratší vahadlo. V druhé polovině se rozšiřovalo i zapojení více než dvou válců do pracovního procesu. 2.4. Parní turbína V roce 1884 byl přelom v parních strojích. Byla vymyšlena parní turbína. Vymyslel jí Sir Charles Parssons. Je ho princip využíval řady lopatek rotorů, které se postupně zvětšovali, a tak se pára rozpínala,a její energie mohla přeměnit na velmi rychlý rotační pohyb.
3. Spalovací motor 3.1. První pokusy První úspěšný spalovací plynový motor vyrobil Atienne Lenoir v roce 1859 v Paříži. Energie se vyráběla z výbušné směsi plynu a vzduchu a byla zapalována elektrickou jiskrou. Tento motor nebyl úspěšný, protože jeho provoz byl nákladný. Další generaci spalovacích motorů inovoval Nicolaus Otto v roce 1878. Otto vyrobil motor se čtyřtaktním pracovním cyklem – vstřik – komprese – zážeh – výfuk. 3.2. Rozdělení spalovacích motorů
• • •
3.2.1. Podle počtu taktů Dvoutaktové Čtyřtaktové Wanklův motor
•
3.2.2. Podle výbušné směsi Benzínové
• • •
Naftové Lihové Plynové
• •
3.2.3. Podle využití vnější energie Vnější Vnitřní
3.3. Dvoutaktové motory Dvoutaktovým motorem rozumíme motor, který má pouze dva pracovní cykly - sání, stlačení - výbuch a výfuk. Během jednoho pracovního cyklu probíhají vždy dva děje zároveň. Používají se hlavně u malých motorek (mopedů), kdy není potřeba vysoký výkon. Jako náplň se používá směs benzínu a oleje.
obrázek 3 pracovní cyklus dvoutaktového motoru 3.4. Čtyřtaktní motor Čtyřtaktním motorem nazýváme motor, který má čtyři pracovní cykly. vstřik – komprese – zážeh – výfuk. Převážnou většinu těchto motorů slouží jako motory do osobních automobilů. Jako náplň se používá hlavně benzín nebo nafta
obrázek 4 pracovní cyklus čtyřtaktového motoru 3.5. Wankelův motor U tohoto motoru je suvný klikový mechanismus nahrazen výstředníkovým převodem uvnitř skříně motoru a běžcem. Ten vytváří pracovní objemy tím, že se pohybuje po trochoidní dráze. Tímto běžcem je píst motoru a přeměna tlakové energie na mechanickou práci se uskutečňuje na jeho třech čelních plochách.
obrázek 5 Pracovní cyklus Wankelova motoru 3.6. Proudový motor Proudový motor pohání většinu letadla. Rychle se otáčející ventilátory v přední části motoru nasávají vzduch, který přechází pod vysokým tlakem do komor. Tam se stlačený vzduch smísí s palivem, tato směs se zapálí, horké spalné plyny se rozpínají a proudí k výstupu. Současně roztáčejí turbínu, která pohání ventilátory v přední části motoru. Vzduch proudí nejen hlavní částí motoru, ale i přes obtokový kanál okolo něj. Takto se zvyšuje celkové množství vzduchu přecházejícího motorem, tím se zvyšuje jeho tah. Snižuje se hlučnost motoru. 3.7. Čtyřtaktní zážehové motory Ke správné funkčnosti zážehových motorů je potřeba, aby zápalná směs byla homogenní. Homogenní směs umožní odpaření veškerého obsahu válce. Pokud ale nemůže k homogennímu rozsvrsvení dojít, tak je možné, aby se změnil poměr mezi vzduchem a benzínem, aby zápalná směs byla zažahnuta. Palivo se mísí buďto pro každý válec zvlášť,podle aktuálního stavu válce, nebo se palivo mísí do sacího potrubí, a už smíchané se vede k válcem. Vždy je potřeba, aby rozdíly složení zápalné směsi mezi válci byly minimální. Kvalita a složení zápalné směsi se mění v závislosti na otáčkách motoru, vnějších podmínkách i na zatížitelnosti motoru. 3.8. Vznětové motory U vznětových motorů se používá pro nasání paliva do válců hlavně regulace změnou množství paliva. Palivo se totiž vstřikuje před koncem kompresního zdvihu, kdy je nejlepší okamžik pro zapálení paliva. Před vstřiknutím paliva je totiž ve válci pouze vzduch, do kterého se vstřikuje kapalná nafta, která se při velkém tlaku změní na plynnou. Vadou při nedokonalém spalování je, když v době zapálení směsi zůstane ve válci tekutá nafta, tzv. krakování, kdy vznikají saze a zabarví výfukové plyny do tmavé barvy Pracovní oběh vznětového motoru je stejný jako u motoru zážehového,ale rozdíl je v poměru vzduchu v zápalné směsi, protože do válce se vhání pouze vzduch, který je omezován pouze změnou objemu válce a kapacitou sacího potrubí. Ve válci se vzduchy stlačuje, a palivo se vstřikuje až těsně před koncem kompresního zdvihu, kdy má se má zápalná smě vznítit. Na rozdíl od zážehového motoru nesmí být ve válci homogenní směs, protože při zapálení homogenní směsi by vznikly nežádoucí látky.
4. Elektrický pohon 4.1. Historie Elektrickým pohonem nazýváme soustavu funkčních prvků, které slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou. První pokusy s elektrickým proudem a jeho požívání se
objevili v druhé polovině 19. století. Nejdříve se začali používat motory na stejnosměrný proud, ale v poslední čtvrtině 19. století se přešlo na střídavý proud, a tak se vynalezl jednoduchý a úsporný systém motoru. Během posledních desetiletí se motory neustále zlepšovaly.Znatelné vylepšení se zapříčinil hlavně vynález polovodičových měničů. A tak v kombinaci s dost výkonným regulátorem vytvořeného z mikroprocesorů se vytvořili dost snadno ovladatelné elektrické motory. 4.2. Výhody elektrického pohonu K velkým výhodám elektrického pohonu patří velký rozsah výkonu, momentů a otáček, jednoduchá údržba, obsluha, ze které plyne velká životnosti, jednoduchá konstrukce, která umožňuje vyrobit motor pro rozlišná přírodní prostředí. Hlavní výhodou je velmi malá cena, nízké ztráty při chodu naprázdno. U těchto motorů je možnost opětovného vrácení energie do zdroje pomocí brždění. Elektrický pohon má taky nevýhody. Hlavní nevýhodou je závislost na vnějším elektrickém zdroji.
5. Hybridní pohony Za hybridní pohonné jednotky nazýváme druhy motorů, které se skládá nejen z jednoho druhu motoru, ale skládá se z dvou a více druhů. Například z motoru elektrického a spalovacího. Jejich vlastností je vzájemná podpora výhod motorů, a minimalizace nevýhod a tak v závislosti na okolních podmínkách využívají vhodnější druh. Nejznámější druh hybridního pohonu je kombinace spalovacího a elektromotoru. Během provozu dochází k pravidelnému nabíjení baterií ve vozidle, a tak vozidlo nepotřebuje velké akulumulátory.
6. Palivové články Palivovým článkem nazýváme zdroj elektrické energie z atomů vodíku na elektrický proud. Jeho hlavním představitelem je vodíkový palivový článek, ve kterém lze energii nakumulovat tak, že se spojí palivový s elektrolytickým článkem. Ve společném článku se vyrábí a akumuluje a vyrábí vodík a kyslík. Tyto dva prvky se buď použijí k výrobě elektrické energie, nebo k jiným procesům.
7. Příklad automobilů s ekologickými motory 7.1. Opel EV1 Toto auto je příkladem rozmanitosti netradičních pohonů, v konstrukci automobilů. V současné době lze řešit pohon takto • Elektromobil, kterému energii dodává akumulátor NiMh • Paralelní hybridní motor – elektromotor v kombinaci se vznětovým • Palivový článek, kde je elektrická energie zajištěná chemickou reakcí • Zemní plyn
obrázek 6 1. Uspořádání hnacího ústrojí ve variantě hybridního pohonu
obrázek 7 EV1 jako elektromobil
obrázek 8 EV1 s palivovými články
obrázek 9 4. EV s pohonem zemním plynem 7.2. Fiat Multipla Hybrid Vývojové snažení firmy Fiat se odráží v tomto autě, a tak veškerá snaha je zúročena tím, že se Multipla neodlišuje od sériových autobilů se standardním příslušenstvím. Rozdíly jsou pouze vnitřku. Jako spalovací motor slouží zážehový šestiválec o objemu 1,6, který najdeme v běžné produkci. Jako druhý pohonný agregát slouží elektromotor s výkonem 30 kW, který je zásobován z patnácti akumulátorů, které poskytují jmenovité napětí 220V. Do výbavy ne zařazen i měnič napětí, který převádí jednu akumulátorovou energii do motorů a druhou, jiného napětí do elektroinstalace. 7.2.1. Tři různé režimy F. M. H. Výběrem mezi třemi jízdními režimy se F. M. H odlišuje od ostatních automobilů. Lze u něho pomocí ovladače volit mezi třemi variantami E, ER a H. • Ve variantě E se chová jako opravdový elektromobil, ve kterém se nezapojuje vznětový motor • Ve variantě ER se nastartuje zážehový motor, který při svém volnoběžném chodu dobijí akumulátory
•
Ve variantě H se F.H.M chová jako čistokrevný hybridní automobil, kde při akceleraci pomáhá elektromotoru vznětová jednotka, a při brždění se nepotřebovaná energie vrací zpět do akumulátorů
7.3. Nissan Hypermini Hypermini je poháněno synchronním elektromotorem s neodymním magnetem o výkonu 24 kW při 6700 otáčkách disponujícím maximem krouticího momentu 130 Nm. Jeho výkon je regulován dvaatřicetibitovým mikroprocesorem, a proto poskytuje velmi dobrý tah již z nízkých otáček. Energii mu dodávají tři lithiové akumulátory o kapacitě 90 Ah. Snesou až jeden tisíc nabíjecích cyklů a mají přibližně třikrát větší energetickou hustotu (tedy poměr kapacity a hmotnosti) než olověné a jedenapůlkrát než Ni-Fe akumulátory. Pomocí bezkontaktní nabíječky je lze plně nabít během čtyř hodin. Bezkontaktní přenos proudu je umožněn systémem dvou indukčních cívek, jedna je v koncovce nabíječky a druhá v přední kapotě hypermini. Do její těsné blízkosti se koncovka nabíječky zastrkává.
7.4. Toyota RAV4EV RAV4EV představuje poslední stupeň vývoje elektromobilů a technologií s tím souvisejících včetně akumulátoru NiMH (nickel-metal hybride - hybrid na bázi nikl - kov) vyrobeného ve spolupráci s firmou Matsushita Battery Industrial Co (známé spíš pod značkou Panasonic). Tomuto typu se podařilo postoupit zase o krok dále při řešení hlavního problému konvenčních akumulátorů - jejich velké hmotnosti a omezené kapacitě. Akumulátor NiMH je zhruba o 10 % lehčí než konvenční olověné, nabízí delší životnost a co je nejdůležitější - je schopen uchovat 1,5násobek množství energie. Souprava 24 NiMH akumulátorů (každý 12 V, 95 Ah) má celkem 450 kg a vydrží třikrát déle než olověné. RAV4EV je s nimi schopen dávat max.výkon 45 kW, max. točivý moment 165 Nm, dosahovat maximální rychlosti 125 km.h-1 a v městském provozu ujet na jedno nabití až 200 km. Nabíjení soupravy akumulátorů z běžné sítě 200 V pomocí vestavěné nabíječky trvá 10 h ze stavu úplného vybití do stavu plné kapacity. Vestavěné časové spínací zařízení umožňuje naprogramovat, od kdy do kdy se budou akumulátory nabíjet a využít tak např. levnějšího nočního proudu. I když RAV4EV dosud nemůže díky omezenému dojezdu konkurovat běžným automobilům - a navíc cena špičkového NiMH akumulátoru je značně vysoká představuje RAV4EV významný krok při vývoji skutečného silničního elektromobilu, o který začnou mít zákazníci zájem.
Použité informační zdroje: 1. Prof. Ing. Jan Macek, DrSc, Ing. Bohuslav Suk, Csc. Spalovací motory I , Vydavatelství ČVUT. 2002. 245 s. ISBN 80-01-02085-1 2. Ing. Jaroslav Novák Csc. Elektromechanické systémy v dopravě a ve strojírenství, Vydavatelství ČVUT. 2002. 88 s ISBD 80-01-02457-1 3. Ákoš Paulinyi, Průmyslová revoluce, ISV nakladatelství Praha 2002, ISBN 80-86664202-X 4. Martin Vacek,Martin Vaculík, Nissan Hypermini [online] Dostupné z WWW [http://www.part.cz/buxus/generate_page.php3?page_id=1405] [cit. 2003-12-07] 5. Peter SLOBODA, Alternatívne pohonné systémy, Bratislava 2003, Semestrální práce na SjF STU v BRATISLAVE, 6. Technický týdeník, Malý dravec - elektromobil Toyota [online] Dostupné z WWW [http://www.techtydenik.cz/tt1997/tt41/doprav2.html] [cit. 2003-12-07] 7. Jiří Vacek, Průmyslová revoluce [online] Dostupné z WWW [http://www.jcmf.cz/toISO8859-2.en/lib/htech/revoluce.html] 8. RNDr. Bohumil Ferenc, Automobil [online] Dostupné z WWW [http://vita.upol.cz/ferenc/motor/motor.htm]
Seznam použitých obrázků obrázek 1 Wattův dvojčinný parní stroj z pol 80. let 18. století ............................................... 4 obrázek 2 Wattův dvojčinný parní stroj z pol 80. let 18. století ............................................... 5 obrázek 3 pracovní cyklus dvoutaktového motoru .................................................................... 6 obrázek 4 pracovní cyklus čtyřtaktového motoru ...................................................................... 6 obrázek 5 Pracovní cyklus Wankelova motoru.......................................................................... 7 obrázek 6 1. Uspořádání hnacího ústrojí ve variantě hybridního pohonu.................................. 9 obrázek 7 EV1 jako elektromobil............................................................................................... 9 obrázek 8 EV1 s palivovými články .......................................................................................... 9 obrázek 9 4. EV s pohonem zemním plynem............................................................................. 9
Připomínky k práci: 1. Nedodržení normy ISO 690 pro citaci informačních zdrojů 2. Chybí závěr 3. V textu nejsou odkazy na použité tabulky, obrázky a informační zdroje 4. V textu se vyskytují gramatické chyby a neopravené překlepy (např. chybně velkooběmové, cm2 atd.)
Hodnocení: nezveřejňuje se Opravila: MS
