Все слышали, что за электродвигателями будущие и что нужно как можно скорее заменить двигатели внутреннего сгорания на них из-за их экологичности. Я задумался действительно ли сейчас замена двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели оправдана. Чтобы это выяснить мне нужно ознакомиться с конструкцией и принципом работы двух видов двигателей.
Знакомство с двигателем внутреннего сгорания
Для начала рассмотрим принцип работы и классификация ДВС
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя. Продукты сгорания образуют рабочее тело. Такой двигатель является первичным, химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Существует большое число разнообразных двигателей с внутренним сгоранием, отличающихся назначением, способом отдачи мощности и другими параметрами.
ДВС отличаются по устройству и разделяются на виды:
Рассматривать и сравнивать газотурбинные и реактивные двигатели я не буду, так как у них движение осуществляется за счёт закона сохранения импульса.
С устройством и принципом работы поршневого ДВС все знакомы, поэтому на нём заострять внимание я не буду.
Куда интересней выглядит роторно-поршневой двигатель.
Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.
А с принципом работы газотурбинного двигателя знакомы не все.
Вкратце принцип работы можно описать так, воздух из атмосферы сжимается в компрессоре потом сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда подаётся топливо, которое, сгорая, образует газообразные продукты с большей энергией. Затем в газовой турбине часть энергии продуктов сгорания преобразуется во вращение турбины, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть энергии может передаваться на приводимый агрегат или использоваться для создания реактивной тяги.
В случае с турбовальным двигателем энергия передаётся на силовую турбину, которая вращает вал.
Плюсы и минусы ДВС
Двигатели внутреннего сгорания обладают рядом недостатков
● Обладают низким КПД в среднем 35%
● Для работы обычно необходима КПП
● Высокая стоимость топлива
● Для максимального момента необходим выход на рабочие обороты
● Максимальная скорость вращения не более 20000 об/мин
● Загрязняют окружающую среду(но существуют стандарты экостандарты для ДВС на автомобилях например двигатель с стандартом Евро-1 имеет следующие выбросы CO — не более 2,72 г/км СН — не более 0,72 г/км NO — не более 0,27 г/км ,а стандарт Евро-5 выдвигает такие требования к ДВС CH — до 0,05 г/км, CO — до 0,8 г/км и NO — до 0,06 г/км
К преимуществам ДВС можно отнести
● Высокая дальность передвижения на одной заправке
● Малый вес и объем источника энергии (топливного бака)
Знакомство с Электродвигателем
Электрический двигатель(ЭД) — электрическая машина, в которой элетрическая энергия, посредством магнитного поля, преобразуется в механическую.
ЭД так же как и ДВС имеют классификацию по их устройству
● Двигатели постоянного тока
● Двигатели переменного тока(синхронные и асинхронные)
Устройство разных видов ЭД
Двигатель постоянного тока — двигатель, переключение фаз в котором осуществляется прямо в самом двигателе. Работа которого основана на индукции магнитных полюсов. Она осуществляется за счёт вращений ротора, когда на зажимы подаётся напряжение, и неподвижности статора. Якорь начинает вращаться под действием поля постоянного магнита, а поскольку направление тока не изменяется, не изменяется и вращение ротора.
Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные; их характерная особенность – возникновение вращающегося магнитного поля. У асинхронных электродвигателей частота вращения ротора отличается от частоты вращения поля, у синхронных эти частоты равны. Наиболее распространены асинхронные двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, простые в производстве и надёжные в эксплуатации .
По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:
● однофазные
● двухфазные
● трёхфазные
Плюсы и минусы ЭД
К преимуществам электродвигателей в первую очередь относят их экологичность, но проблема в том что для выработки электроэнергии в большинстве случаев сжигают уголь и другие полезные ископаемые. Также в случае когда электродвигатель питается не от сети ,а от аккумулятора(например электрокары) используют литий-ионные чьё производство нельзя назвать экологически чистым ,а переработка таких аккумуляторов не практикуется.
Реальными преимуществами электродвигателей являются
● их малый вес
● возможность дать максимальный момент при 0 об/мин
● отсутствие необходимости КПП
● высокий КПД
● значение максимальных оборотов(до 250 тыс. об/мин ,а экспериментальные двигатели способны на 1 млн. об/мин )
● Высокая удельная мощность
● возможность рекуперации энергии
Главным недостатком электродвигателя является высокая стоимость и несовершенство аккумуляторов современные литий-ионные аккумуляторы обладают низкой энергетической плотностью и долго заряжаются.
Возможно ли заменить ЭД на ДВС в определенных сферах?
В данный момент уже происходит замена ДВС на ЭД в автомобилестроении, как говорилось ранее источники питания обладают низкой энергетической плотностью по сравнению с топливом для ДВС из-за чего запас хода в электрокарах меньше чем в привычных нам автомобилях, но это не критично.
Но ЭД пока не могут заменить ДВС в дальней авиации ,потому что масса в авиации имеет главную роль поэтому современные аккумуляторы не подойдут из-за своей низкой энергетической плотности.(энергетическая плотность авиакеросина в среднем 12500 Вт*ч/кг ,а средняя энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторов 300Вт*ч/кг.)
В железнодорожном транспорте переход с ДВС на ЭД случился давно благодаря отсутствию необходимости в аккумуляторах.
В морском и речном флоте ЭД тоже уже используются например в атомных ледоколах, подводных лодках ,но на остальных типах судов крупного флота используются либо ДВС, либо ЭД, но с ДВС в качестве генератора и заменить ДВС на ЭД полностью не получиться, потому что источником энергии является атомный реактор но это очень дорого или ДВС благодаря которым вырабатывается достаточное количество энергии для ЭД установленных на них. А использование аккумуляторов не возможно из-за их энергетической плотности.
Вывод
По моему мнению замена ДВС на ЭД(где она возможна) в данный момент не принесёт большой пользы для экологии и не удешевит производство техники. Для действительно оправданного перехода на ЭД сначала необходимо массово перейти на экологически чистые источники энергии(АЭС,ВЭС,СЭС).Ещё для полной замены ДВС понадобятся аккумуляторы с гораздо большей энергетической плотностью. Всё это вопрос времени и глядя на темпы развития альтернативных источников энергии, и аккумуляторов можно сказать, что электродвигатели смогут заменить двигатели внутреннего сгорания в ближайшем чистом будущем.