ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

THE POSSIBILITY OF USING HYBRID ENGINES

Daria Vakulenko

master's student, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена гибридная силовая установка (ГСУ), которая может использоваться, как альтернативный источник энергии для машин и оборудования. Рассмотрены положительные и отрицательные стороны использования гибридных двигателей. Изучена классификация гибридов.  Даная тема является актуальной, ввиду мировых тенденций рационального использования не возобновляемых энергетических ресурсов.

ABSTRACT

This article discusses a hybrid power plant (GSU), which can be used as an alternative energy source for machinery and equipment. The positive and negative aspects of using hybrid engines are considered. The classification of hybrids has been studied.  This topic is relevant due to global trends in the rational use of non-renewable energy resources.

Ключевые слова: гибридная силовая установка (ГСУ), двигатель внутреннего сгорания (ДВС), двигатели.

Keywords: hybrid power plant (GSU), internal combustion engine (ICE), engines.

В современном мире подавляющее большинство используют двигатели внутреннего сгорания (ДВС).  При работе ДВС происходят выбросы вредных и токсичных веществ, что отрицательно сказывается на окружающую среду. Также стоит учитывать, что запасы нефти уменьшаются, что может привести к отказу в эксплуатации машин с ДВС.

Например, замена в RTG дизельных двигателей на гибридные сократит использование топлива в среднем на 60%, а также сократятся выбросы в окружающую среду: CO₂ – на 60%, NO_x – на 90%, PM10 – на 90%.

КПД двигателей внутреннего сгорания сравнительно невысоко и имеет значение в пределах от 20 до 55 %. Потери таких двигателей обусловлены следующими факторами:

1. Потери при сгорании топлива. Всё топливо, которое поступает в двигатель сгорает не полностью, небольшая его часть уходит с отработанными газами в выхлопную трубу. Потери в данном случае могут составлять около 25 %.

2. Тепловые потери. Часть энергии теряется при образовании тепла. При работе двигателя необходимо прогреть множество элементов: радиаторы, свой корпус, жидкость которая циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами.

3. Потери на трение и обслуживание дополнительных устройств. Последняя группа потерь имеет место в ходе обслуживания дополнительного оборудования. Расход энергии может идти на преодоление сил трения и дополнительное оборудование: кондиционер, генератор, помпу системы охлаждения и прочие установки [1].

В настоящее время увеличение коэффициента полезного действия дизельных двигателей производится благодаря применению наддува впускного воздуха, повышению качества распыла топлива форсункой, использованию смазок с лучшими антифрикционными свойствами. Дальнейшее повышение КПД требует кардинального изменения конструкции энергетической установки [2, 3].

Под ГСУ понимают силовую установку, в которой используются ДВС, генератор, электродвигатель или гидромотор и накопитель энергии, в роли которых могут применять аккумуляторные батареи. Гибридные системы позволяют использовать преимущества каждого типа двигателя, уменьшая выбросы вредных веществ в атмосферу и расход топлива, снижая шум, и позволяя использовать различные источники энергии [4].

Однако у гибридных технологий также имеются свои отрицательные стороны, связанные с использованием литий-ионных батарей, которые необходимы для накопления избыточной электроэнергии. При повреждении аккумуляторов выделяются токсичные элементы и газы. Кроме того, материалы из которых производятся аккумуляторы находятся в природе в ограниченном количестве и не возобновляются. Их дополнительное производство, а не повторное использование, приводит к дополнительной нагрузке на экологию. Перерабатывающие технологии, пока не успевают за развитием техники использующей батареи, но при достижении равновесия, эта проблема исчезнет. Так как производственные процессы довольно грязные и энергоемкие, то стоимость батарей довольно высока. Поэтому отдельное внимание стоит обратить на то, что в ходе работы перегрузочного оборудования, батареи часто приходится  заменять, так как со временем они теряют свою мощность, а процесс  их переработки довольно дорогостоящий, примерно в 3 раза выше  стоимости получаемых на выходе материалов [5].

В зависимости от способа взаимодействия ДВС и электродвигателей (ЭД) бывают последовательные, параллельные и параллельно-последовательные схемы.

Для последовательной схемы ГСУ мощность, развиваемая ДВС не связана с потребляемой для преодоления усилий для подъема груза в конкретный момент времени. В этом случае необходимая эффективная мощность ДВС определяется из баланса выработанной и используемой энергий в форме работы с учетом возможной рекуперации.

Преимущества последовательной схемы: возможность работы ДВС на стационарном режиме с низкими показателями расхода топлива и относительная простота конструкции, высокая топливная экономичность, незначительный парниковый эффект и в несколько раз меньшая токсичность отработавших газов по сравнению с другими типами двигателей; низкий уровень шума и вибрации; блочное исполнение, удобство компоновки; простота реализации различных алгоритмов управления [6].

Схема ГСУ параллельного вида имеет трансмиссию с изменяемым передаточным числом, а ЭД стоит параллельно ей. ДВС и ЭД соединены с ведущими колесами через трансмиссию. Когда ДВС загружен не до конца, ЭД в режиме генератора вырабатывает дополнительный запас энергии в АКБ. В зависимости от условий эксплуатации, например, при переходе на другой режим нагрузки (подъем груза), ЭД образует дополнительный крутящий момент, начиная потреблять запасенную в АКБ энергию. Питание ЭД осуществляется от АКБ, которые заряжаются во время движения ПТО. Параллельная схема частично сглаживает пиковые нагрузки ДВС [7].

Преимуществами параллельной схемы являются: более высокий КПД, чем при последовательной схеме, а также возможность автономной работы, как на ДВС, так и на ЭД. Недостатками являются: обязательное использование в трансмиссии привода и невозможность непрерывной работы ДВС в режиме минимального расхода топлива [8].

Последовательно-параллельный (смешанный) тип совмещает в себе последовательную и параллельную схему. В последовательно-параллельной ГСУ привод ДВС, генератор и выходной вал трансмиссии, который соединен с ведущими валами ведущих колес и на который передается энергия, соединены через планетарную передачу. Для вращения ведущих колес может использоваться комбинированная тяга. Недостаток схемы в ее очень высокой стоимости [8].

Гибридные силовые установки по степени электрификации делятся на: 1. Микрогибрид. Он не оказывает взаимодействия на привод, хотя данный вид использует рекуперативное торможение и автоматическую систему «старт-стоп», что экономит топливо и улучшает экологические показатели.

2. Мягкий гибрид. Или пассивный гибрид предназначен для поддержки двигателя внутреннего сгорания. Пассивный гибрид используется при необходимости дополнительной мощности, работает с помощью генератора, который преобразует тепловую энергию в электрическую, которая скапливается в специальных батареях.

3. Полный гибрид. Этот вид гибрида в некоторых случаях использует энергию электродвигателя без участия двигателя внутреннего сгорания, например, во время начала движения используется только электромотор. Полный гибрид имеет высокие экологические, а также и экономические показатели, такой вид работает долговечнее по сравнению с таким же двигателем без гибридной установки.

Таким образом, использование ГСУ оказывает благоприятный эффект на окружающую среду, потому что в значительной степени уменьшается количество вредных и токсичных выбросов. При эксплуатации машин с гибридными двигателями потребление топлива уменьшается. Следовательно, применение ГСУ выгодно как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Список литературы:

1. Разумов, М. С. Способ сокращения расхода топлива в автомобилях с гибридным двигателем за счет применения термоэлектрических генераторных модулей / М. С. Разумов, М. В. Митрофанов, Н. О. Федорченко // Молодежь и XXI век - 2019 : материалы IX Международной молодежной научной конференции, Курск, 21–22 февраля 2019 года. Том 5. – Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2019. – С. 158-161. – EDN MHPPSK.
2. Нечитайло Ю.А. Энергетические режимы гибридной силовой установки // Информационные технологии и инновации на транспорте: мат-лы междунар. науч.-практ. конф.; под общ. ред. А.Н. Новикова. Орел, 2015. С. 116–121.
3. Смирнов А.В., Раков В.А. Определение необходимой мощности ДВС гибридных силовых установок транспортных средств // Вестн. машиностроения. 2010. № 4. С. 32–35.
4. Сагитов, Д. И. Сравнительный анализ эффективности электрических и гибридных двигателей в малой авиации / Д. И. Сагитов, А. А. Федорова, А. С. Никулина // Актуальные проблемы науки и образования в условиях современных вызовов (шифр –МКАП 25) : Сборник материалов XXV Международной научно-практической конференции, Москва, 17 ноября 2023 года. – Москва: Печатный цех, 2023. – С. 198-201. – EDN CJXOJW.
5. Крупнов, П. А. Исследование применения альтернативных двигателей для портовой перегрузочной техники / П. А. Крупнов, И. О. Огнев // Транспортное дело России. – 2019. – № 4. – С. 114-117. – EDN OKBRRV.
6. Арав, Б.Л. Повышение эксплуатационных качеств автомобильных гибридных моторно-трансмиссионных установок применением микрогазотурбинных двигателей-генераторов / Б. Л. Арав, М. Б. Хаим, М. Бранд [и др.] // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : Материалы Международной научно-технической конференции, Тюмень, 08 апреля 2009 года / Ответственный редактор Захаров Н.С.. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2009. – С. 37-41.
7. Раков, В. А. Расчет мощности двигателя гибридной энергетической установки сельскохозяйственной машины / В. А. Раков, В. И. Литвинов // АгроЗооТехника. – 2020. – Т. 3, № 1. – С. 4. – DOI 10.15838/alt.2020.3.1.4.
8. Зарипов, Р. Ю. Разработка концепции гибридной силовой установки на базе автомобиля/Р. Ю. Зарипов, П. Гаврилов, Р. Б. Муканов и [др.]//Наука и техника Казахстана. – 2023. – № 1. – С. 131-141. https://doi.org//10.48081/HDOM8389.