Kodėl Mechanizmo Naudingumo Koeficientas Niekada Negali Būti Lygus Vienetui: Priežastys ir Transporto Technologijų Plėtra

Lietuvos keliais važinėja daugiau kaip milijonas transporto priemonių. Į jas vienu metu laisvai gali susėsti ir iškeliauti po Europą visi Lietuvos gyventojai. Tačiau mažai kas iš sėdinčiųjų už vairo pagalvoja, kiek daug per daugelį šimtmečių padėta triūso, padaryta bandymų, sukurta mokslinių teorijų, kol automobilis pasiekė dabartinį patikimai tobulą mokslinį-techninį lygį.

Ratas atsirado prieš 6000 metų, vėjo varomas automobilis - prieš 400 metų, garo mašinos varomas prancūzų konstruktoriaus N.Ž.Kiunjo automobilis - prieš 230 metų, idealaus variklio teoriją prancūzų profesorius S.Karno sukūrė prieš 177 metus, o pagal ją vokiečių išradėjai N.Otas, K.Bencas, G.Daimleris, V.Maibachas ir R.Dyzelis paskutiniais XIX a. dešimtmečiais sukūrė veikiančius šiluminius vidaus degimo variklius ir jiems pritaikytus dviračius, ttriračius ir keturračius automobilius. Paskutiniaisiais XIX a. metais S.Peterburgo inžinierius G.Trinkleris patobulino R.Dyzelio variklį dyzelino įpurškimui vietoj oro kompresoriaus įrengęs didelio slėgio kuro siurblį.

Pirmoji S.Karno vidaus degimo variklių 1824 m. teorija nnusakė svarbiausią teiginį, kad variklis gali veikti tik esant aukštos temperatūros degimo procesui ir žemos temperatūros šaltiniams (duslintuvui, radiatoriui), todėl naudingumo koeficientas niekada negali būti lygus vienetui. Įvertinus variklio nuostolius dėl siurblių, ventiliatoriaus naudojimo, trinties transmisijoje galutinis automobilio naudingumo koeficientas tėra apie 33 procentus. Taigi įpylus į baką 100 litrų benzino, tik 33 litrai suka ratus, kiti išsisklaido į aplinką kaip teršalai ir šilumos nuostoliai.

Todėl per paskutinį XX a. dešimtmetį visų mokslininkų pastangos buvo sutelktos naudingumui padidinti ir išmetamų į atmosferą teršalų kiekiui sumažinti. Nors dabartinis 33 proc. naudingumo koeficientas yra ne toks mažas palyginti su pirmą kartą 1860 m. išbandytu garo mašinos pavidalo vidaus degimo varikliu, kai vietoj garo įleidžiant ir uždegant gamtines dujas bandytojui prancūzui Ž.E.Lenuarui dėl nne vietoje pastatytos mišinio uždegimo žvakės viduryje cilindro, o ne gale, pavyko pasiekti tik 0,4 proc. naudingumo koeficientą.

Vyresnio amžiaus vairuotojai prisimena XX a. vidurio automobilį “Pobieda” su 2 litrų 50 AG varikliu, sunaudojančiu iki 15 litrų benzino 100 km, o 2000 m. aplink pasaulį keliavęs serijinis automobilis VW Lupo su 1,1 litro 61 AG varikliu sunaudodavo vidutiniškai 2,5 litro dyzelino 100 km, t.y. per pastaruosius 50 mmetų mokslo laimėjimai padėjo sumažinti kuro sunaudojimą daugiau kaip 5 kartus esant panašiai variklio galiai. Nereikia pamiršti, kad atitinkamai sumažėja ir degimui reikalingas oro kiekis bei į atmosferą išmetamų teršalų.

Didžiuliai mokslo laimėjimai elektronikos, medžiagotyros, prietaisų pramonės srityse tuoj pat buvo pritaikyti automobiliuose. Tai ir elektroninio įpurškimo ESM valdomos sistemos, ir elektromagnetiniai uždegimo sistemų davikliai, ir siurbliai, reguliatoriai, plastmasinės lingės, ir t.t. Mokslas pakeitė net tokias nusistovėjusias sistemas, kaip akumuliatoriai: juose įrengiami ESM valdomi pašildytuvai ir maišytuvai šaltam variklio paleidimui, rengiamasi naudoti kondensatorius, o starterius ir generatorius - montuoti ant smagračių šitaip padidinant sukimo momentą ir apsaugant elektrines grandines nuo drėgmės važiuojant drėgnu keliu.

Tokia elektrinė variklio paleidimo sistema įgalina pradėti važiuoti galinga kondensatorių baterija maitinamu iki 10 AG starteriu. Didžiulis mokslinis darbas atliekamas tobulinant degimo procesą cilindre virš stūmoklio. Dar įdomesni mokslo laimėjimai slėginio uždegimo varikliuose (neteisingai vadinamuose dyzeliniuose). Kad būtų gauti kuo mažesni rūko pavidalo dyzelino lašeliai, jie išpurškiami 200 MPa (2000 atmosferų) elektromagnetiniais siurbliais, atidarant kompiuteriu valdomu elektromagnetu kuro purkštuvą dviem etapais: iš pradžių per 0,001 sekundės be triukšmo uždegama 12,5 proc. dyzelino, paskui per kitas 0,007 sekundės į degančią aplinką suleidžiamas ir visiškai sudeginamas likusis kuro kiekis. Dyzelis veikia taupiai, be dūmų ir triukšmo.

Iš esmės nauji mokslo laimėjimai bus diegiami automobiliuose ir ypač jų jėgainėse XXI amžiuje. Mažėjančios naftos ir dujų atsargos (užteks 50 metų!) bei didėjantys ekologiniai reikalavimai ir kainos privers daugiausia dėmesio skirti elektromobiliams. Jų visų maitinimui Lietuvoje reikės 10 kartų daugiau elektros energijos nei šiuo metu pagamintų visu galingumu veikiančios (kol kas politikų neuždarytos) atominė ir šiluminės elektrinės.

Juk po 10-20 metų 1-2 milijonus Lietuvoje esančių automobilių pervedus į elektros trauką (po 20 kW galios kiekvienam) bus reikalinga elektrinių galia 40 000 000 kW. O iš kur juos paimsi, kai arabai nnaftos jau neturės? Net pakeitus uždaromą IAE trigubai galingesne, susidarytų 2 kartus mažesnė galia negu reikia.

Karno ciklas

Alternatyvūs Energijos Šaltiniai ir Technologijos

Kaip matyti iš lentelės, šiuo pereinamuoju laikotarpiu didžiausias mokslininkų dėmesys krypsta į vandenilį naudojančius vidaus degimo variklius ir tobulesnius kuro elementus, tiesiogiai chemiškai be degimo gaminančius elektros energiją 60 proc. naudingumu. Vandenilis bus laikomas kuro bakuose esančiose intermetalidų (75 proc. FeTiH ir 25 proc. Mg3NiHx) kapsulėse, sugeriančiose jo iki 1000 kartų didesnį tūrį (mokslas!).

Panaudojus moderniausius elektrinius akumuliatorius mieste galima bus visiškai likviduoti taršą, o tarpmiestiniams pasivažinėjimams naudoti hibridinius variklius. Juose, be akumuliatoriaus ir elektros variklio, įrengiamas nedidelis, užmiestyje automatiškai pasileidžiantis, ekonomiškas vidaus degimo varilis. Tokie automobiliai jau keleri metai gaminami Japonijoje, Amerikoje, Prancūzijoje. Vienas iš jų - Toyota Prius buvo demonstruotas 2001 m. rudenį įvykusioje automobilių parodoje Kaune.

Lentelėje, be elektrinių akumuliatorių, pateikti mechaniniai akumuliatoriai. Šiuo metu Vilniuje svarstomi prieš kelis šimtus metų atrasto ir Kaune naudoto “Konkės” pavadinimu tramvajaus įrengimo projektai. Reikia vėl susidomėti naujausiais ššios srities mokslo laimėjimais - mechaniniais akumuliatoriais - iš plonų vielų ar folgos susuktais, avarijų atvejais nepavojingais smagračiais.

Kaip tokie elektra pakraunami mechaniniai akumuliatoriai gali būti naudojami troleibusuose, automatricose, priemiesčio transporte, gerai matyti iš 1 paveikslėlio. Sustojus stotelėje smagratis įsukamas nuo kintamosios 380 V elektros srovės transformuojamu elektros varikliu, kuris atsijungęs nuo tinklo tampa generatoriumi ir smagračio energiją perduoda ratams veždamas keleivius iki 10 kkm atstumu, pvz., per visą Laisvės prospektą Vilniuje.

Esant atstumui tarp stotelių 1-2 km kiekvieną kartą, kol keleiviai išlipa ir įlipa, smagratis papildomai įsukamas ir šitaip gali važiuoti neribotą atstumą. Nereikia brangių nuolatinės srovės pastočių su aptarnaujančiuoju personalu, storo vario ttrolėjų su nutrūkstančiu ir stabdančiu visus troleibusus ryšiu (arba pavogtais laidais). Už jų judantis paprastas transportas su veikiančiais vidaus degimo varikliais kamščių metu daugiau teršia nei troleibusai grynina, o jei sustos siauroje gatvėje 10 tramvajų nutrūkus nuolatinei srovei?

Mokslininkai tokiai atgyvenai niekuo nepadės. O girobusas su mechaniniu akumuliatoriumi gali puikiausiai apvažiuoti aplinkine gatve 10 km iki kito turinčio kintamąją elektros srovę stovo. Naudojant mechaninę jėgainę (1c pav.) siūlomoje priekaboje, šiai sugedus pakanka per kelias minutes prikabinti kitą, atsarginę, su įsuktu smagračiu ir važiuoti toliau.

Viskas labai paprasta ir viską galima sukonstruoti, pagaminti Lietuvoje buvusioje “Pergalės” ir Tankų remonto gamykloje Kaune. Plečiantis pasaulinei automobilių pramonei (metinė gamyba siekia 40 milijonų), padidėjo rinkos konkurencija ir daugelio originalių mokslo laimėjimų nnebuvo galima įgyvendinti. Atsirado gamybą supaprastinantys ir atpiginantys, tačiau nepatogūs ir brangūs vairuotojams technologiniai sprendimai, įmantrūs išorinio dizaino atributai bei elektroniniai efektai.

Tai ypač būdinga naujai atsirandančioms ir greit bankrutuojančioms firmoms, kurios stengiasi pateisinti savo produkciją didelėmis išlaidomis reklamai. Tai akivaizdu stebint subjektyvius metų automobilio rinkimus. Jų gaminami automobiliai kasmet keičia išorę, variklio konstrukcijas ir, žinoma, negali būti ilgaamžiai. Tokiais pavyzdžiais galima llaikyti technologijai naudingą, bet valdymui pavojingą skersinį variklio pastatymą priekyje su priekiniais varančiaisiais ratais ir “saugos sistemas” su nuo mažiausio prisilietimo subyrančiais brangiais plastmasiniais buferiais, ir aptakias užpakalines kėbulo dalis, kai keleiviams ne tik sunku įlipti, bet ir sėdint galvą reikia pataikyti į viršuje padarytą įdubimą (pvz., naujajame Audi-6).

Rimtos firmos dažniausiai išvengia šių brangių reklaminių triukų, naudojasi mokslo laimėjimais, todėl jų automobiliai net po kelerių metų eksploatacijos išlaiko savo vertę, o po 30-40 metų jų kaina padidėja dešimteriopai. Mokslo laimėjimų įtaka transporto technologijų plėtrai nesustos niekada.

Be transporto neįmanoma jokia civilizacija, jokios katastrofų, taip pat ir karų likvidavimo priemonės, neįmanoma nei aviacija, nei susisiekimas jūromis. Pasaulyje kasmet didėja energijos poreikiai, tačiau kuro ir kiti energijos šaltiniai vis senka, todėl būtina racionaliai bei taupiai naudoti turimas atsargas, taip pat ieškoti galimybių naujiems energijos ištekliams panaudoti. Keičiantis techninėms ir ekonominėms sąlygoms transporto energetikoje, pamažu didės gamtinių dujų, sunkiųjų naftų ir bitumų, anglių, degiųjų klinčių, biomasės ir kitų netradicinių žaliavų šaltinių vaidmuo vidaus ddegimo variklių degalų gamyboje.

Manoma, kad daugiausia naftos produktų pasaulyje bus sunaudojama 2005 metais. Paskui naftos produktų naudojimas ims staigiai mažėti, nes padidės alternatyviųjų degalų naudojimas. Pagrindinis energijos išteklių taupymo mūsų šalies transporte tikslas - žymiai sumažinti naftos produktų sunaudojimą, nes kone visa nafta importuojama.

Alternatyviųjų Degalų Naudojimas

Perspektyvus automobilių transporte skystųjų naftos produktų sąnaudų mažinimo būdas yra alternatyviųjų degalų naudojimas vidaus degimo varikliuose. Alternatyvieji degalai - tai ne iš tradicinių išteklių gaunami skystieji ir dujiniai degalai.

1. Naftiniai degalai su nenaftinės kilmės priedais. Šie priedai - tai deguonies turintys junginiai: spiritai ir esteriai, vandens bei degalų emulsijos.
2. Sintetiniai (dirbtiniai) skystieji degalai savo savybėmis artimi tradiciniams naftos degalams. Jie gaunami perdirbant skystąją, dujinę arba kietąją žaliavą.
3. Nenaftiniai degalai, kurie fizinėmis ir cheminėmis eksploatacinėmis savybėmis, o kartais ir agregatine būsena visiškai skiriasi nuo tradicinių degalų.

Kadangi Lietuva beveik visiškai priklauso nuo naftos importo, taupant jos sąnaudas, tikslinga naftinės kilmės degalus pakeisti kitais, iš vietinių atsinaujinančių išteklių išgaunamais degalais. Vilniaus Gedimino technikos universitete Automobilių transporto katedroje pagal Panevėžio spirito gamyklos akcinės bendrovės “SEMA” užsakymą buvo atlikti spirito gamybos atliekų pritaikymo vidaus degimo variklių degalams teoriniai ir eksperimentiniai (laboratoriniai) tyrimai.

Buvo išnagrinėti spiritinių degalų (alkoholių) panaudojimo vidaus degimo varikliuose trūkumai ir pranašumai palyginti su degalais, pagamintais iš naftos. Etilo ir metilo spiritų tūrio vienetas energijos išskiria daugiau už kitų rūšių alternatyviuosius degalus. Kadangi spiritiniai degalai yra didelio oktaninio skaičiaus, tikslingiau juos naudoti kibirkštinio uždegimo varikliuose.

Naudojant spiritinius degalus galima padidinti oro ir degalų mišinio slėgį prieš uždegimą, oro ir degalų santykį bei liepsnos plitimo greitį. Dėl to gerėja variklių efektyvumas. Norint kkuo geriau išnaudoti antidetonacines spiritų savybes ir pritaikyti variklį grynam spiritui, reikia padidinti variklio suspaudimo laipsnį iki 12-14. Pagrindinis alkoholių trūkumas - didelė garavimo šiluma ir mažas sočiųjų garų slėgis, apsunkinantis variklio paleidimą. Etanolio šios eksploatacinės savybės yra geresnės nei mmetanolio. Kad variklio paleidimas palengvėtų, į spiritus įmaišoma 6-8 proc.

Naudojant alkoholius kaip variklio degalus, sumažėja kenksmingų medžiagų kiekis išmetamuose deginiuose. Dėl žemesnės degimo temperatūros variklio cilindre susidaro iki 10 proc. Kadangi alkoholiuose yra degimo procese dalyvaujančio deguonies, vyksta tobulesnė degimo reakcija ir susidaro mažiau negalutinio degimo deginių - anglies monoksido CO ir angliavandenilių CH. Tačiau išmetamuosiuose deginiuose padidėja aldehidų kiekis, ir jis didėja didėjant spirito koncentracijai mišinyje.

Nuo grynų spiritų smarkiau šyla variklių cilindro ir stūmoklio grupės detalės, nes ant cilindro sienelių patenka nemažai neišgaravusių degalų, kurie nuplauna nuo sienelių alyvą, ir ant besitrinančių paviršių ssusidaro spirito ir alyvos emulsija. Kadangi etanolio oktaninis skaičius yra ddidelis (108), t.y. 10-25 vienetais didesnis už benzino oktaninį skaičių, todėl mažo oktaninio skaičiaus benziną (pvz., A-76) maišant su etanoliu galima gauti didelio oktaninio skaičiaus degalus.

Tačiau atlikus eksperimentinius tyrimus paaiškėjo, kad didėjant etanolio tūrio daliai mišinyje su benzinu, mišinio oktaninis skaičius didėja ne pagal tiesinę priklausomybę. Variklio bandymai parodė, kad karbiuratorinis variklis be specialių konstrukcijos pakeitimų, varomas benzino ir spiritiniais mišiniais, veikia stabiliai, kai etanolio kiekis mišinyje ne didesnis kaip 14 procentų.

Išvados:

1. Įmaišius į benziną 14 proc. tūrio etanolio, variklio lyginamosios degalų sąnaudos be padidėja apie 6 proc., o įmaišius 25 proc.
2. Variklio, varomo benzino ir etanolio mišiniais, vidutinis indikatorinis slėgis padidėja 4 proc., o efektyvusis naudingumo koeficientas padidėja 5 proc. palyginti su benzinu.
3. Naudojant spiritinius priedus degaluose būtų galima išspręsti žemdirbių išaugintos produkcijos supirkimo problemą, atgaivinti merdinčias spirito gamyklas, kurios veikia maždaug tik 20 proc. pajėgumu, sukurti papildomų darbo vietų, sumažinti naftos importo poreikius bei aplinkos teršimą. Tam turi būti sukurta teisinė bazė bei numatytas ekonominis skatinimas naudoti spiritinius degalus.

Modeliams naudojami vidaus degimo varikliai skiriasi veikimo principu (2- arba 4-ciklų), cilindro darbiniu tūriu ir uždegimo sistema (savaimine arba kibirkštine). Savaiminei uždegimo sistemai naudojamas kuro mišinys iš alyvos, metanolio ir nitrometano (dvitakčiai varikliai kartais kurui naudoja žibalo, eterio ir alyvos mišinį) . Modelių varikliai su kibirkštine uždegimo sistema veikia benzino ir alyvos mišinio pagrindu. Vidus degimo varikliui užvesti naudojami mechaniniai arba elektriniai paleidėjai. Varikliai papildomai naudoja kaitinimo arba kibirkštines žvakes, kuriomis užvedimo momentu įkaitinamas arba ...

tags: #kodel #mechanizmo #naudingumo #koeficientas #negali #buti