что дает энергию машине
Источники энергии автомобиля
Для движения автомобиля нужна энергия. Только на спусках или после разгона автомобиль может пройти некоторый отрезок пути без помощи двигателя, расходуя энергию, накопленную за время подъема или разгона. Во всех прочих условиях и для подъема на вершину, с которой начинается спуск, и для разбега источником энергии на автомобиле служит двигатель. На подавляющем большинстве автомобилей — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком нефтяном топливе (бензине, дизельном топливе) или на газе (газогенераторные и газобаллонные автомобили). Существуют также электрические, паровые, газотурбинные автомобили. Впрочем и поршневой двигатель внутреннего сгорания здесь изучать не будем, поскольку применительно к теории автомобиля необходимо знать о двигателе сравнительно немного. Такие разделы теории автомобиля, как устойчивость, управляемость, плавность хода, вовсе или почти не связаны с работой двигателя. Работа двигателя имеет наибольшее значение для динамики и экономики автомобиля. 
О двигателе нужно сейчас знать лишь, что дает двигатель для движения автомобиля, т.е. знать так называемые скоростные характеристики двигателя; кроме того, надо знать, в каком количестве двигатель расходует топливо, т.е. знать его так называемую экономическую или топливную характеристику.
Вспомним, что величина мощности означает число килограммов, которые могут быть подняты на высоту 1 м в 1 сек. 1 лошадиная сила — это мощность, необходимая и достаточная для того, чтобы поднять 75 кг на высоту 1 м в 1 сек., а 52 л. с. (мощность двигателя автомобиля М-20 «Победа»), чтобы поднять в то же время на ту же высоту 52 * 75 = 3900 кг. Если ввести в систему передачи пару шестерен с передаточным числом, например 2 (ведомая шестерня вдвое больше ведущей), можно будет поднимать вдвое больший груз, но зато и вдвое медленнее, так что мощность останется неизменной.
Таким образом мощность, переданная к ведущим колесам автомобиля, не может быть больше мощности, полученной от двигателя, какие бы устройства не были применены в системе передачи усилия от двигателя к колесам.
Другое дело — крутящий момент, величина которого равна произведению числа килограммов, которые могут быть сдвинуты рычагом или вращающимся колесом, на длину этого рычага или радиус колеса. Ясно, что, меняя длину рычага или радиус колеса, можно уменьшать или увеличивать момент. Если наибольший крутящий момент двигателя М-20 равен 12,5 кгм, то это значит, что при радиусе маховика этого двигателя, равном 200 мм, можно закрепить на маховике груз, равный 62,5 кг, и стронуть этот груз с места вращением маховика при работе двигателя:
Для того чтобы сдвинуть с места автомобиль, потребуется значительно больший момент, и этот момент можно получить, вводя в систему силовой передачи пары шестерен с соответствующими передаточными числами. Перемещение автомобиля в момент трогания с места будет происходить медленнее, чем происходило бы перемещение груза на ободе маховика.
Скоростные характеристики представляют собой кривые изменения мощности и крутящего момента, развиваемых двигателем, в зависимости от числа оборотов его вала при полной или частичной подаче топлива (дизель) или открытии дроссельной заслонки (карбюраторный двигатель).
Рис. Внешние характеристики двигателей показывает изменение мощности и крутящего момента, разбиваемых при разных числах оборотов вала. Слева — характеристики двигателей легковых автомобилей, справа — грузовых.
Наиболее важной является скоростная характеристика двигателя, построенная для двигателя, работающего при полностью открытой дроссельной заслонке. Такую характеристику называют внешней.
Внешнюю характеристику вычерчивают на основе испытания двигателя на стенде, называемом тормозным.
Принцип испытания может быть объяснен схематически следующим образом:
Во внешней характеристике двигателя наиболее существенными являются самые верхние точки кривой — точки, соответствующие наибольшим (или максимальным) мощности и моменту, которые обычно и записываются в технические характеристики автомобилей и их двигателей; например, для двигателя автомобиля М-20 «Победа»:
В результате большого накопленного опыта по испытаниям двигателей удалось найти формулы, по которым можно строить приблизительную внешнюю характеристику любого двигателя, зная только его наибольшую мощность и соответствующее ей число оборотов вала. Вот одна из простейших и достаточно точных формул для подсчета мощности карбюраторного двигателя (формула С.Р.Лейдермана):
где Nе — искомая мощность при данном числе оборотов;
Nm — наибольшая мощность;
n — данное число оборотов;
nm — число оборотов, соответствующее наибольшей мощности.
Рис. Частичная скоростная характеристика двигателя показывает изменение мощности, развиваемой при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора.
Если известны мощность и соответствующее ей число оборотов вала, крутящий момент можно подсчитать по формуле
Если в формулу подставлять значения мощности, подсчитанные по предыдущей формуле, наибольший крутящий момент для современных двигателей получится меньшим, чем в действительности, примерно на 15%.
Скоростные характеристики, построенные для двигателя, работающего при неполном (частичном) открытии дроссельной заслонки, называют частичными.
Экономическая характеристика двигателя отражает удельный расход топлива, т.е. расход топлива в граммах на 1 лошадиную силу в час; эта характеристика, как и скоростные характеристики двигателя, может быть построена для работы двигателя при полной нагрузке или частичных нагрузках.
Рис. Экономические характеристики двигателя М-20 «Победа» при различном открытии дроссельной заслонки.
Важно отметить, что при уменьшении открытия дроссельной заслонки на получение каждой лошадиной силы мощности приходится затрачивать больше топлива. При неизменном положении дроссельной заслонки расход топлива зависит от скорости вращения вала двигателя, причем наименьший расход получается при меньшем числе оборотов вала, чем число оборотов, соответствующее максимальной мощности.
Пользуясь экономической характеристикой двигателя и зная передаточные числа силовой передачи автомобиля, радиус качения колеса и условия движения, можно определить расход топлива автомобилем при движении с данной скоростью.
Приведенное описание характеристик двигателя является несколько упрощенным, но достаточно для практической оценки динамической и экономической характеристики автомобиля.
Откуда возьмется энергия для электромобилей?
В статье, опубликованной в немецком издании «Deutsche Wirtschafts Nachrichten» еще два года назад, один из самых авторитетных экономических журналистов в Европе Рональд Баразон поднял интересный вопрос: откуда возьмется энергия для электромобилей, которыми хотят заменить все бензиновые и дизельные машины?
Казалось бы, вопрос напрашивается сам собой, тем не менее, производители электромобилей, «зеленые» активисты и политики из года в год упорно обходят его стороной.
Рональд Баразон пишет: «Автомобильная промышленность и энергетическая политика находятся в своего рода электро-эйфории. (…) Климатический саммит 2015 года в Париже принес свои плоды — в будущем дороги принадлежат электромобилям.
При этом на задний план отошел вопрос: откуда возьмется электрический ток для этих авто?
В мире используется около 1,2 миллиарда легковых автомобилей. К этому добавляются еще около 250 миллионов грузовых и других транспортных средств, которые в настоящее время не находятся в центре внимания, но, согласно Международному энергетическому агентству, в последние годы окончательно определили развитие расхода горючего.
Этот гигантский парк должен быть переведен за несколько лет на электропривод. В связи с этим в центре интересов оказывается потребность в электричестве. Электромобилю требуется примерно 15 — 35 киловатт-часов на 100 километров. Чтобы избежать преувеличенных оценок, будем исходить здесь из 20 кВт/ч.
Для более простого ориентирования можно взять немецкие данные: за год пробег легковых автомобилей составляет 750 миллиардов километров. Германия дает около 3,3% мирового объема производства. Таким образом, получаем мировой пробег около 25000 миллиардов километров. Здесь не принимаются во внимание грузовые автомобили.
При потреблении электроэнергии в 20 кВт/ч на каждые 100 км для 25000 миллиардов километров потребуется гигантское количество электроэнергии в 5000 миллиардов кВт. Эту цифру тем не менее можно легко выразить в понятном виде: для того, чтобы производить ежегодно 5000 миллиардов кВт, необходимо иметь в мире около 450 атомных электростанций или 4000 речных гидроэлектростанций или 400 электростанций на угле, при этом эти данные являются приблизительными средними значениями.
Вернемся в Германию, которая в настоящее время последовательно отключает атомные электростанции: повсеместная э-мобильность (использование электротранспорта) в области легковых автомобилей потребует дополнительного производства электроэнергии к имеющемуся производству 140 миллиардов кВт. Германии нужно тогда построить 12 новых электростанций, работающих на угле, чтобы создать условия для широкомасштабной э-мобильности. Однако правительство Ангелы Меркель уже заявило об отказе от угольной генерации к 2038 году.
Надежда на то, что возобновляемые источники энергии могут гарантировать э-мобильность, является нереальной. Несмотря на огромные усилия в этой области, производство электроэнергии из энергии ветра составляет, например, около 77 миллиардов кВт в год, солнечная энергия добавляет к этому 38 миллиардов кВт. Кроме этого, ветер и солнце не являются бесперебойным надежным источником энергии, вследствие чего постоянно используется уголь для подстраховки.
Электромобили сделают возможным отказ от ископаемых видов топлива в автомобильном транспорте, но при этом создадут другие проблемы. В то же самое время государственная политика регулирования энергоснабжения надеется, что применение возобновляемых источников энергии при производстве электроэнергии гарантирует электроснабжение. Но отказ от использования атомной энергии в Германии уже повлек за собой значительное увеличение выработки электроэнергии из бурого угля, так как возобновляемые источники энергии не оправдывают ожиданий.
По идее э-мобильность должна создать предпосылки для возрождения таких носителей энергии как атом, нефть, бурый и каменный уголь. И здесь вырисовывается пиррова победа политики в области экологии.
Атомная энергия встречает сопротивление во многих странах, но тем не менее она используется. Это касается, например, США, Франции и Великобритании, а также многих других стран. Также можно предположить, что с учетом огромной потребности, являющейся следствием э-мобильности, будет задействован весь спектр носителей энергии, а альтернативные виды энергии, как это было до сего времени, смогут обеспечивать лишь часть производства электроэнергии.
Отдельного внимания заслуживают 250 миллионов грузовиков. С 2000 года потребление нефти грузовым транспортом выросло больше, чем во всех остальных секторах, таких как движение легкового транспорта, воздушный транспорт или промышленность. 20% мирового потребления нефти или 17 миллионов баррелей ежедневно приходится на грузовые автомобили и имеет тенденцию к повышению. Воздействие на окружающую среду, соответственно, является огромным.
Некоторые поставщики, среди них MAN и Mercedes, работают над разработкой электрогрузовиков, поэтому следует ожидать, что и в этой области э-мобильность приобретет значимость.
По мнению экспертов, более реалистичным было бы сделать акцент на гибридные решения, которые предусматривают сочетание питания от аккумуляторной батареи с бензином или дизелем. Во время пробега на дизеле или бензине батарея заряжается, так что зависимость от электросети либо полностью отпадает, либо по крайней мере значительно уменьшается.
Посредством такой конфигурации потребление топлива сильно сокращается, требуется меньше станций заправки, а разрядка батареи не будет заставлять водителей застревать на долгое время на улице. Также не нужно будет строить бесчисленные электростанции по всему миру.
Многие защитники окружающей среды решительно сопротивляются этой перспективе, и настаивают на полной ликвидации ископаемого горючего. При этом на проблемы производства электроэнергии они не обращают внимания, и упускают из вида, что гибридные решения помогают зеленым задачам.
Еще один фактор, который беспокоит защитников природы, — утилизация необходимых для электротранспорта аккумуляторных батарей. Множатся статьи о нагрузке на окружающую среду при добыче необходимого для батарей сырья — лития, кобальта и никеля, а также обсуждаются угрозы, связанные с переработкой использованных батарей.
В связи со всем перечисленным сообществу необходимо выработать новую энергетическую политику, которая бы учитывала всю совокупность факторов:
— Э-мобильность, безусловно, следует приветствовать, так как она сокращает воздействие шума и загрязнения. Но положительный эффект не должен достигаться только посредством дополнительной, критичной нагрузки на окружающую среду электростанциями на ископаемых энергоресурсах.
— Разумеется, ветер и солнце являются привлекательными источниками энергии, но пока нет мощных накопителей энергии, нужно понимать их уязвимость.
— Отказ от атомной энергии является проблематичным, более целесообразным было бы дальнейшее повышение мер безопасности, обязательное поддержание больших зон безопасности вокруг электростанций и хранение использованных топливных стержней на электростанциях.
— Нужно отказаться от лозунгов «Покончить с нефтью, газом и углем!» или «Электромобиль — вот решение!», потому что они не способствуют реальному уменьшению загрязнения окружающей среды».
Работа генератора автомобиля: откуда он берёт электричество?
Познакомимся с важным узлом автомобиля, узнаем как происходит работа генератора автомобиля по производству и обеспечению его электричеством.
Вы, конечно же, знаете, что для полноценной работы автомобиля нужно не только топливо, но и электричество.
Где взять горючее, мы с вами прекрасно знаем, а вот обеспечение многочисленных потребителей током возложено на устройства самой машины, которые скрываются, как правило, под её капотом.
Таких источников два – это аккумуляторная батарея, подающая напряжение в бортовую сеть пока мотор заглушён, и генератор, являющийся настоящим энергетическим сердцем авто. О нём и пойдёт речь в этой статье.
Рождение электричества: элементарная физика
Как мы уже сказали, генератор – это один из двух источников тока наших четырёхколёсных друзей. Нужно отметить, что питание бортовых систем во время работающего двигателя не единственная его функция.
Параллельно этому занятию он ещё и подзаряжает аккумуляторную батарею, чтобы обеспечить бесперебойную работу всех электросистем авто в любой ситуации.
По сути, генератор это тот же электродвигатель, только выполняет он обратную работу. Если обычный двигатель превращает электрическую энергию в энергию вращения, то герой нашего сегодняшнего рассказа всё делает с точностью наоборот. По этой причине он и не вырабатывает ток, пока двигатель автомобиля отдыхает – его нужно раскрутить.
Для понимания процессов преобразования одной энергии в другую нам нужно открыть учебник физики.
Там написано, что в основе работы генератора лежит явление электромагнитной индукции. Простыми словами его можно объяснить следующим образом: в любом проводнике, который находится рядом с движущимся магнитом (изменяющимся магнитным полем), будет образовываться переменный электрический ток.
«Но ведь электросистема машины питается постоянным!», — возразите Вы. Так и есть, и чтобы разобраться с секретами этих метаморфоз, надо изучить конструкцию генератора. Об этом далее.
Устройство и работа генератора автомобиля
Теперь давайте разберём среднестатистический генератор легковушки и посмотрим что у него внутри. В нём мы увидим такие запчасти:
Ротор
Ротор в этой конструкции является тем самым элементом, который создаёт переменное магнитное поле. Для этого он вращается вокруг своей оси, а в движение его приводит шкив, соединённый передачей с коленвалом двигателя.
Щеточный узел
На валу ротора находятся мощные магниты, поле которых усиливают обмотки возбуждения, запитываемые при помощи щёточного узла от аккумулятора или сети авто.
Статор
Образованное ротором поле наводит в обмотках статора электрический ток, но, правда, он пока ещё не готов для подачи в бортовую сеть машины, так как является переменным, а нам, как Вы знаете, необходим постоянный ток, причём имеющий определённые параметры.
Выпрямительный узел и регулятор напряжения
Доводит до ума полученную электрическую энергию блок выпрямителей и регулятор напряжения. В итоге на выходе мы получаем необходимое для нормальной работы электросистемы постоянное напряжение порядка 12 или 24 Вольт.
Нужно отметить, что принципиальной разницы между этими устройствами от разных производителей нет, все они работают благодаря одному и тому же физическому закону, отличаясь лишь какими-то конструктивными нюансами.
Надеюсь, данная статья помогла вам приобрести общие понятия о питании электросистемы автомобиля и вы знаете что такое работа генератора автомобиля.
На этом разрешите откланяться, и до новых встреч на страницах блога!
Преобразователи энергии в виде электрических машин
Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.
Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.
Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:
Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.
Вращающиеся преобразователи мощности
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.
Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.
Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.
Статические преобразователи мощности
В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.
В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.
Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.
Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.
Роль электромеханического преобразования энергии
Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.
Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.
Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.
На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.
Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы
Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии
Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.
Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:
Процесс электромеханического преобразования энергии
Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.
Три наиболее важных типа электрических машин:
Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.
Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.
Вращающиеся электрические машины
Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.
Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.
Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.
Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.
Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.
Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.
Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.
Реверсивные машины
Электрические машины в основном реверсивны.
Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.
Потери при преобразовании энергии
Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.
В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.
В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.