Вес автомобиля

1. Введение

По приросту потребления  энергии в последние семь лет  транспорт занимает второе место  после промышленности. Потребление  энергии в транспортном секторе  выросло за этот период на 43% - до 136,5 млн т. н.э., что составило 31,5% конечного потребления энергии.

Основные причины быстрого роста - увеличение потребления жидкого  топлива на личном автомобильном  транспорте. В структуре грузооборота доля железнодорожного транспорта повысилась с 38 до 43% на фоне снижения доли трубопроводного  с 53 до 50%. Доля экономичных морского и внутреннего водного транспорта также снизилась с 5,4 до 3,1%.

В структуре пассажирооборота транспорта резко выросла доля личных автомобилей, что привело к существенному  снижению энергетической эффективности  пассажирских перевозок. Если в 2001-2009 гг. пассажирооборот сократился в целом  на 6%, то число автомобилей в личном пользовании граждан увеличилось  на 45%.

По оценкам ЦЗНЭФ, потребление  энергии парком легковых автомобилей  выросло за этот же период на 43%. Россия может сократить энергопотребление  на транспорте на 38,3 млн т. н.э. В структуре этого потенциала содержится рост энергоэффективности за счет использования продуктов нефтехимии, который может составить 10-14 млн т. н.э. (в частности, за счет использования "зеленых шин" и применения альтернативного топлива - см. ниже).

Повышение энергоэффективности автомобильного транспорта может быть достигнуто снижением веса автомобилей через замену материалов из металла на полимерные во внутренней отделке и в элементах кузова, использованием менее энергоемкого топлива, а также повышением качества дорог путем использования полимеров для дорожного строительства.

2. Вес автомобиля

2.1 Уменьшение  веса автомобиля

Расширение области применения различных полимерных материалов в  производстве автомобилей позволит в итоге повысить энергоэффективность использования автотранспорта и добиться экономии до 7-9 млн т. н.э. различных топливно-энергетических ресурсов в год. Расширение области применения различных полимерных материалов в производстве автомобилей позволит в итоге повысить энергоэффективность использования автотранспорта и добиться существенной экономии.

Три четверти потребности  автомобиля в движущей энергии обусловлено  его весом. Таким образом, производство автомобилей радикально меньшего веса позволяет экономить существенное количество топлива. Так, по данным Европейской  ассоциации автопроизводителей (ЕАА), сокращение веса автомобиля на 100 килограммов  позволяет экономить в год  около 160 л. топлива. С учетом общих  размеров российского автопарка  около 33 млн. автомобилей, сокращение веса каждого автомобиля на 100 кг за счет использования полимерных материалов взамен традиционных позволит ежегодно экономить около 7 млн. т. топливных  ресурсов.

Меньший вес прежде означал  такие дорогостоящие материалы, как алюминий и магний. Теперь сверхлегкая  сталь может в два раза повысить эффективность автомобиля без дополнительных затрат или снижения безопасности. Современные полимерные материалы могут вдвое уменьшить вес автомобиля и расход топлива и повысить безопасность, поскольку композиционные материалы из углепластика поглощают при столкновении до 12 раз больше энергии на килограмм, чем сталь.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали низкие, по сравнению с марочными сталями, прочность и теплостойкость. Решить эти проблемы помог переход к композиционным материалам, главным образом стеклу и углепластикам. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед альтернативными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских  судов и пассажирских вагонов  выполняется из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной  кожи. Для авто - и авиапромышленности использование полимеров обеспечивает существенное уменьшение веса машины, следовательно - сокращение расхода  топлива и большую безопасность. По сравнению с выполненным из традиционных материалов современный автомобиль весит в 2 раза меньше.

В современном автомобиле Peugeot 207 содержится до 152 кг полимеров: 32% в подкапотном пространстве, 32% в интерьере, 18% - бампер, 11% - панель приборов, 7% - экстерьер.

2.2 Перспективы  роста применения пластиков в  автомобилях

Уникальные физические свойства современных полимерных материалов позволят в дальнейшем еще больше уменьшить вес автомобиля, снижая вес различных его частей.

Так, применение:

· полипропилена (компаундов) позволит снизить массу:

крыльев передних - примерно на 2 кг;

крыльев задних - примерно на 2,4 кг;

корпуса водяного насоса - примерно на 0,3 кг.

· АБС-пластика и поликарбонатов позволит снизить массу:

багажника/задней двери - примерно на 2 кг;

наружных боковин дверей - примерно на 4,8 кг.

· поликарбонатов позволит снизить массу:

стекол боковых - примерно на 2,4 кг;

стекол задних - примерно на 2 кг;

люка - примерно на 0,4 кг.

3. Альтернативное  топливо

Общую энергоэффективность (с учетом того, что средний экономический эффект от перевода 1 автомобиля на газ составляет около 0,3 т. н.э.) при переводе около 30% (около 9,3 млн. автомобилей) российского легкового автопарка на использование сжиженных углеводородных газов в качестве газомоторного топлива можно оценить в 2,7 млн т. н.э.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на производство бензина и дизельного топлива в мире расходуется 1514,5 млн тонн нефти в год. Применяя новые технологии, повышающие энергоэффективность автомобиля, можно добиться значительной экономии традиционного топлива, используемого автотранспортом.

Стоимость нефтегазовых ресурсов растет, запасы дешевой нефти приближаются к исчерпанию, загрязнение окружающей среды продуктами, содержащимися  в бензиновом выхлопе, приобретает  все более масштабный характер, а  темпы роста автомобильного парка  остаются на высоком уровне. Поэтому  проблема перехода на альтернативные виды моторных топлив приобретает все  большую актуальность. Из списка технологий, рассматриваемых как возможные  решения этой проблемы, таких как  метанол, биогаз, электромобили, синтетический  бензин, на сегодняшний день можно  говорить о двух практически освоенных  направлениях - это сжиженные углеводородные газы и сжиженный природный газ.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ). В широком обиходе под  СУГ понимают пропан-бутановую смесь. СУГ является продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа (ПНГ). СУГ обладает важным преимуществом перед другими видами газового моторного топлива (например, природного газа, биогаза и т.д.): пропан-бутановая смесь при нормальной температуре и давлении 1,6 МПа переходит в жидкое состояние, что позволяет использовать для ее хранения и перевозки баки и цистерны, предназначенные для хранения и перевозки жидкого топлива. Следует отметить также и более низкую по сравнению с бензинами стоимость производства этого топлива.

Подъем рынка газомоторного  топлива (ГМТ) в нашей стране начался  с 1998 года, когда резко увеличился спрос на пропан-бутановую смесь. По данным крупнейшего продавца на российском рынке СУГ ОАО "Газэнергосеть", за 10 лет количество автомобильных газозаправочных станций (АГЗС) в России выросло более чем в 10 раз - примерно до 3 тыс. единиц. Сегодня в России насчитывается более 1 млн газобаллонных автомобилей (примерно 3% от общего числа автомобилей), из которых около 90% работают на СУГе. Доля транспортного сектора в структуре внутрироссийского потребления СУГ на текущий момент оценивается в 34 - 36% (2,6 - 2,8 млн. т в год).

Россия располагает достаточной  ресурсно-сырьевой базой для расширения производства сжиженных углеводородных газов. Так, запасы попутного нефтяного  газа, являющегося одним из основных источников сырья для производства СУГ, в российских нефтяных месторождениях составляют, по имеющимся оценкам, порядка 1,5 трлн м3,8 и в настоящее время эти ресурсы не используются в полной мере. На рынке моторных топлив пропан-бутан успешно конкурирует по цене с автомобильными бензинами. И, несмотря на то, что доля пропан-бутана на рынке моторных топлив сегодня невелика, данная сфера применения СУГ быстро развивается.

В настоящее время 20 млн тонн сжиженного пропан-бутана в год (что составляет приблизительно 9% от общемирового годового потребления СУГ} используется в мире в качестве топлива для автотранспорта. Основными регионами мира, потребляющими СУГ в качестве автомобильного топлива, являются страны АТР и Европы - на их долю приходится порядка 70% всего потребляемого в мире автомобильного сжиженного пропан-бутанов.

По данным Ассоциации европейских  производителей СУГ (AEGPL), в 2008 году в 31 стране Европы (т. н. Euro-31) эксплуатировалось  более 7.8 млн автомобилей, использующих СУГ в качестве моторного топлива. Потребление СУГ автопарком Европы на протяжении последних пяти лет выросло практически вдвое и в 2008 году составило чуть более 7 млн тонн. Количество заправочных станций, рассчитанных на использование СУГ, также растет, и в 2008 году их общее число в странах Евросоюза составило 33,5 тыс.

Основные факторы, стимулирующие  развитие потребления СУГ в качестве автомобильного топлива таковы:

· Экологичность СУГ по сравнению с используемыми бензинами и дизтопливом: по сравнению с бензином на 50% меньше выбросов окиси углерода, на 40% меньше углеводородов, на 35% меньше окиси азота и на 50% меньше озона.

· Эффективность использования. Пропан (основа СУГ)

практичное топливо, точка  его кипения составляет - 42о С. Даже при очень низких температурах оно быстро испаряется, стоит лишь извлечь его из герметичного контейнера. Это означает возможность полного  сгорания топлива без многочисленных приборов для выпаривания и смешивания с воздухом.

· Возможность многоцелевого  использования СУГ. Так, при недостаточном  спросе на СУГ в качестве моторного  топлива его можно использовать для различных целей коммунального  хозяйства, а также в нефте - и газопереработке.

· Меньший износ двигателя  и, соответственно, уменьшение затрат на проведение капитального ремонта  автотранспорта.

· Безопасность хранения и  транспортировки. По сравнению с  другими видами топлива жидкие газы весьма безопасны. Пропан имеет высокую  температуру воспламенения (около 450-510^о С) по сравнению с бензином (257^о). Этот факт снижает вероятность самопроизвольного возгорания. Кроме того, из-за давления, необходимого для поддержания пропана в жидком виде, баллоны, используемые для хранения пропана, прочнее бензобаков. Специальный клапан отсечки топлива в баке также увеличивает коэффициент безопасности.

В сравнении с бензином и дизельным топливом СУГ выигрывает по стоимости даже с учетом того, что на одинаковое расстояние придется израсходовать на 10% литров пропан-бутановой смеси больше, чем бензина.

энергосберегающий транспорт  зеленая шина

4. "Зеленые"  шины

Общая экономия топливных  ресурсов при повсеместном переходе на использование автотранспортом "зеленых" шин в РФ может  составить 0,9-1 млн. т. н.э.

По данным компании Michelin, использование "зеленых" шин, при среднем годовом пробеге автомобиля около 20 тыс. км, позволяет сократить годовое потребление топлива на 40 литров. С учетом того, что российский легковой автопарк в настоящее время превышает 30 млн. автомобилей, использование "зеленых" шин при оснащении этого автопрака позволит ежегодно экономить порядка 1 млн. т. топливных ресурсов.

Отрицательное воздействие  шин на воздух, почву, растения, животных и людей обусловлено их сопротивлению  качению, которое, в свою очередь, определяет расход топлива двигателем и, следовательно, количество выбрасываемых в атмосферу  выхлопных газов, содержащих такие  опасные компоненты, как свинец, углеводороды, сернистый, углекислый, угарный газы. Вместе с тем, при движении автомобиля шины стираются о дорожное покрытие. При этом шины из синтетического каучука выделяют твердые высокодисперсные продукты и вредные для здоровья человека газообразные вещества.

В результате проведенных  НИИ шинной промышленности РФ исследований было выявлено, что основной вклад  в перечисленные негативные явления  вносит протектор - наружный резиновый  слой покрышки. На его долю у легковых машин приходится 35-50%, у грузовых - 50-70% сопротивления шины качению, а  также практически весь объем  продуктов их стирания.

Решение возникших проблем  может быть найдено в использовании  так называемых "зеленых" шин. Производство "зеленой" шины предусматривает  улучшение экологических показателей  производства и сокращение потерь энергии  на качение при эксплуатации. Это, в свою очередь, уменьшает расход топлива автомобиля и выброс им выхлопных  газов в окружающую атмосферу.

Сопротивление качению выражается в механических потерях и образовании  тепла при циклическом нагружении шины. Для снижения потерь по этой причине протекторы шин необходимо делать из соединений технического углерода с коллоидным диоксидом кремния (КДК). Проведенные опыты показали, что замена 45-75% первого из них на второй снижает гистерезисные потери на 30-50%. Правда, непременным условием получения таких результатов является дезагрегация частиц КДК и взаимодействие между их поверхностями и каучуком резиновой смеси, для чего в последнюю вводят специальные добавки. Проведенные эксперименты показали, что все это положительно влияет на упругость, прочность, износостойкость и сцепление протектора шины с дорогой.

За счет уменьшения сопротивления  качению, "зеленые" шины помогают в среднем сэкономить до 10% топлива  по сравнению с использованием обычных  шин и на 50% уменьшить энергозатраты на резиносмешивание. В зависимости от условий использования (город, деревня, автострада) снижение расхода топлива автомобилем составляет от 5 до 10% при уменьшении сопротивления качению на 25%.

Еще одной возможностью снижения сопротивления качения шины является уменьшение ее массы. Наиболее перспективным в этом плане выглядит применение в конструкции шины не традиционного корда13, а изготовленного из высокопрочного капронового волокна. При одинаковой прочности с серийным кордом данный вариант имеет меньший диаметр, а значит, и массу, к тому же его использование ведет к уменьшению толщины охватывающего слоя резины и, следовательно, массы шины. Другой вариант того же подхода - высокопрочные капроновые нити такого же диаметра, как и серийные. Они позволяют уменьшить число слоев корда в каркасе шины, а стало быть, значительно понизить ее массу.

В транспорте  энергосберегающий  эффект можно достичь еще за счет внедрения нових технологий в роботе ДВС.

В прошлом веке бензиновые двигатели стали повсеместны, в  этом столетии они станут еще и  умными. Рассмотрим некоторые из новых  технологий будущего двигателей внутреннего  сгорания:

Двигатель Scuderi

Группа Scuderi представляет двигатель разделенного цикла – он делит четыре обычных поршневых цилиндра на два различных типа для более разумного использования каждой капли энергии, которую они могут выработать.

Принцип действия технологии заключается в соединение двух цилиндров  между собой. В отличии от обычных двигателей, которые во время четвертого такта выбрасывают сжатые газы, двигатель Scuderi впрыскивает сжатый воздух во второй цилиндр, где проходит воспламенение и выхлоп.

Благодаря данной технологии мы можем использовать два цилиндра из четырех бесплатно. Как показывают компьютерные модели, двигатель Scuderi улучшает экономию по сравнению со своими обычными аналогами на 50 процентов.

Разделение двигателя  на горячую и холодную части

Как и предыдущий данный двигатель делиться на две рабочие  части, но по сравнению с Scuderi дополнительно использует температурами в разных частях, для достижения максимального КПД.

Большая проблема в обычном  четырехтактном двигателе – первые два такта (впуск и сжатие) наиболее эффективны при холоде, в то время  третий и четвертый такты работают лучше в холодных условиях. Как  утверждают инженеры, если придерживаться данных требований, можно добиться до 40 процентов экономии. Просто отделив  область высокой температуры  радиатором.

Процесс проходит следующим  образом: впуск и сжатие происходят в холодном цилиндре, гарантируя максимальную эффективность при этом, а сгорание и выхлоп сжатой в холодной части смеси происходят в горячем цилиндре. Данная технология дает до 20 процентов экономии топлива, но ученые надеются усовершенствовать систему и выжать из нее 50 процентов.

Двигатель Pinnacle

В данном виде двигателей поршни расположены противоположно друг к  другу. Но в отличие от оппозитных двигателей, которые сейчас широко распространены, тут на одну головку  цилиндра приходиться два поршня, соответственно взрыв горючей смеси  происходит между двумя поршнями. При таком расположении поршней  получается колоссальная экономия энергии, которая в привычных двигателях внутреннего сгорания тратиться  на выделение высокой температуры.

Первые малолитражки с  таким типом двигателей должны быть выпущены уже в 2013, а большие двигатели  будут готовы к 2016. Инженеры ожидают  увеличение эффективности данного  двигателя до 50 процентов.

EcoMotors OPOC

Данная схема двигателя  объединяет в себе конструкции известного многим оппозитного двигателя и  описанного выше двигателя Pinnacle. В данной конструкции два поршня расположены в одной головке цилиндра, а два других находятся тоже вместе под углом 180 градусов.

В обоих цилиндрах сгорание происходит в центре, между поршнями, длинные шатуны соединяют наиболее удаленные поршни с коленчатым валом, который расположен посредине. Как  и другие оппозитные двигатели, OPOC не нуждается в тяжелых головках цилиндров, снижая вес двигателя. Ход  поршней в таком двигателе, меньше чем в обычных бензиновых двигателях.

Инженеры Ecomotors надеяться создать демонстрационный автомобиль с двигателем OPOC, который на 2 литрах топлива будет проезжать до 100км.

Двигатель на взрывных волнах

Поршни, клапана и распредвалы приводили в движение бензиновые двигатели на протяжении всего прошедшего столетия, но в будущем они могут оказаться ненужными. Исследователи Мичиганского университета разрабатывают новый вид бензинового двигателя, принцип действия которого базируется на взрывных волнах, которые поддерживают движение.

Концепция базируется на роторе, который содержит несколько радиальных каналов. Поскольку ротор вращается  быстро, смесь топлива и воздуха  поступает через серию каналов  в его центре, заполняя отсек, в  котором находиться ротор. Расположение отсеков и каналов в системе  такое, что во время сжатия жидкости все выходные порты заблокированы, чтобы горючая смесь не могла  вытечь. Смесь приливает в отсеки внезапно, производя ударную волну, которая сжимает оставшуюся горючую  смесь дальше в центр. Дальше происходит зажигание и выхлоп, единственная проблема тут – это выбор времени.

Это, довольно радикальное  решение, может сэкономить до 60 процентов  топлива, а также дает возможность  снизить общий вес автомобиля до 400 кг. Еще одним плюсом данного  двигателя является то, что в нем  мало движущихся частей, которые стираются  в течении долгого времени.

Замена обычных  свечей зажигания на лазеры

Лазеры стают все лучше, и теперь их можно использовать в  двигателях внутреннего сгорания. В  свечах, которые используются сегодня, есть одна проблема, для сжигания большего количества воздуха и меньшего количества топлива нужна сильная искра. Но если увеличить мощность искры, будут  быстро изнашиваться электроды. Идеальным  выходом из данной ситуации может  быть использование лазеров. У лазеров есть большой плюс по сравнению с обычными свечами зажигания, их можно очень точно настроить: установить нужную мощность, угол зажигания, тем самым увеличив мощность и эффективность процесса сгорания.

Японские инженеры уже  разработали керамические лазеры диаметром 9 мм специально для двигателей внутреннего  сгорания. Такие нововведения будут  достаточно эффективны и не требуют  серьезных доработок в существующих двигателях.

Заключение

На сегодняшний день энергосбережение занимает одну из ключевых позиций  в развитии и экономике рынков потребительских услуг и материалов.

Использование альтернативных источников энергии становится всё  более популярно, особенно в свете  энергосберегающих технологий. Сокращается  потребление других видов топлива  и энергии.

Применение энергосберегающих  материалов является практической гарантией  сокращения расходов на эксплуатацию и обслуживание любых объектов, ранее  требовавших больших материальных затрат на энергообслуживание, в том числе по теплоэнергетике.

Повышение энергоэффективности в производстве, в транспорте, в быту и в сфере ЖКХ, требует хорошо продуманного и четкого определения конкретных целей и методов их достижения, которые могут стать основой программы энергосбережения. Практическая реализация такой программы в большой степени может найти опору в прямой материальной выгоде между субъектами отношений. Сравнительные характеристики энергосберегающих материалов позволяют делать оптимальный выбор с учётом требуемых свойств и качеств при планировке работ по повышению уровня энергосбережения объектов.

Отношение государства к  разработкам, внедрению и широкому использованию технологий в сфере  энергосбережения является одной из ключевых позиций в степени развитости страны. На протяжении последних десятилетий  стало очевидным, что вопросы  энергоэффективности более чем насущны для всей планеты.