Особенности формирования у учащихся знаний о гибридных двигателях на уроках физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Двадцатый век - период войн, катаклизмов, резких подъемов и падений - ознаменовался эпохой стремительного развития автомобильной промышленности. Сложные и простые, грациозные и неповоротливые машины за сотню лет преодолели путь становления, развития и, наконец, завоевания какой-то «части» жизни каждого из нас. На протяжении всего этого времени вместе с очевидными преимуществами четырехколесных средств передвижения сосуществовали также их явные недостатки, а именно: абсолютная зависимость от источника энергии (топлива) и негативное влияние на окружающую среду продуктов горения этого топлива, в том числе, углекислого газа.

Ученые и инженеры разных стран решили избрать разные пути решения «автомобильных» проблем. Кто-то ограничился введением жестких экологических норм, стимулирующих производителей разрабатывать авто с низкими показателями загрязнения окружающей среды. Некоторые страны развернули кампании по переходу на альтернативные виды горючего, такие как, например, этанол (состоит из этилового спирта и бензина). В то же время азиатские разработчики решили пойти более сложным путем и заняться совершенствованием самих автомобилей, а не топлива, и тем самым сделать их не только экологически «чистыми», но и экономичными, что для рядового потребителя, особенно в наше время, немаловажно.

Главная задача гибридного автомобиля - снижение расхода топлива, а также снижение вредных выбросов в атмосферу. 78% выбросов углекислого газа за полный жизненный цикл обычного автомобиля приходятся на его эксплуатацию и лишь 22% - на все остальное. Поэтому 4% «добавки» на производство и переработку батареи, электромотора и генератора гибрида с лихвой компенсируются снижением выбросов на 30% во время езды. В последнее время, в связи с высокими ценами на нефть и постоянным повышением экологических требований, рыночный спрос на подобные автомобили возрос многократно. При этом, совершенствование технологий и налоговые льготы производителям гибридов снижают стоимость их производства, сравнимую в наше время со стоимостью производства обычного автомобиля. Владельцы таких транспортных средств во многих странах уже несколько лет имеют льготы при уплате дорожного налога и освобождены от платы на муниципальных парковках.

Цель исследования: Раскрыть особенности формирования у учащихся знаний о гибридных двигателях на уроках физики.

Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе.

Предмет исследования: методика формирования у учащихся знаний о гибридных двигателях на уроках физики.

1. Методические особенности изучения темы «Гибридные двигатели» на уроках физики в средней школе

Тема «Тепловые двигатели» выполняет важное целевое назначение при изучении основ термодинамики в 10 классе.

Ознакомление учащихся с физическими основами работы тепловых двигателей способствует реализации принципа политехнизма и практической направленности обучения, т.к. различные виды этих двигателей широко применяются в технике и играют важную роль в повседневной жизни людей.

В качестве опорных знаний при изучении данной темы выступает следующий учебный материал:

- необратимость процессов в природе;

- второй закон термодинамики.

Этот материал дает возможность продолжить формирование у учащихся модельных представлений, которые в дальнейшем помогут осознать необходимость наличия у тепловых двигателей нагревателя и холодильника и позволяет четко уяснить, что собой представляет идеальный тепловой двигатель.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал второй закон термодинамики следующим образом: теплота не может самопроизвольно переходить от тел менее нагретых к телам более нагретым. Французский инженер С.Карно предложил такую формулировку закона: для работы тепловой машины необходимы по крайней мере два резервуара теплоты.

Первая формулировка четко указывает на необратимость тепловых процессов, вторая говорит о том, что невозможно построить тепловой двигатель, который имел бы только нагреватель или холодильник.

Очень важно разъяснить учащимся, что эти формулировки эквивалентны. Несмотря на существенное внешнее различие, они выражают одну и ту же закономерность: внутренняя энергия ни при каких условиях не может превратиться полностью в другие виды энергии, в частности в механическую энергию.

Следует отметить, что существуют строгие доказательства эквивалентности различных формулировок второго закона термодинамики, которые в школьном курсе физики не приводят из-за их значительной сложности.

Завершив изучение необратимых процессов и второго закона термодинамики, переходят к рассмотрению принципиального устройства и физических основ работы тепловых двигателей.

Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Всякий тепловой двигатель представляет собой систему, которая многократно совершает круговой процесс (цикл).

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника, имеющего более низкую температуру, чем нагреватель.

Основы теории тепловых двигателей были заложены Сади Карно в опубликованной в 1824 г. работе под названием «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Исходя из потребностей практики, С.Карно поставил задачу, определить максимальное значение КПД тепловых двигателей.

В классах физико-математического профиля полезно привести сведения исторического характера, позволяющие уяснить ход рассуждений С.Карно.

В своих исследованиях С.Карно опирался на результаты, полученные его отцом Л.Карно при анализе работы механических водяных: двигателей.

Лазарь Карно показал, что КПД водяных двигателей будет максимальным при отсутствии трения между движущимися частями и при условии, что движение от одной части двигателя к другой передается при равных скоростях этих частей. КПД водяного" двигателя тем выше, чем больше разность уровней, между которыми осуществляется переход воды, т.е. чем больше высота падения воды.

С.Карно, используя метод аналогий, пришел к выводу, что в тепловых двигателях отсутствие трения означает обратимость цикла; передаче движения при равных скоростях движущихся частей в водяных двигателях должна соответствовать передача теплоты при равных температурах соответствующего теплового резервуара и рабочего тела. Зависимости КПД водяных двигателей от разности уровней падения воды должна соответствовать зависимость КПД тепловых двигателей от разности температур нагревателя и холодильника.

Дальнейшее решение поставленной задачи было направлено на выявление обратимых процессов, совокупность которых образует обратимый цикл.

С.Карно доказал, что единственным обратимым процессом, в ходе которого осуществляется теплообмен, является изотермический процесс.

Так как цикл должен быть замкнутым, то нельзя использовать процессы только одного вида. Необходимо- изотермические процессы дополнить такими процессами; в ходе которых вменяется температура. Это даст возможность связать изотермы и замкнуть цикл. С.Карно пришел к выводу, что таким обратимым процессом может быть только адиабатный процесс, не сопровождающийся теплообменом между рабочим телом и тепловыми резервуарами.

Однако, снижение экологической опасности от выбросов громадного числа автотранспортных средств приобрело в наше время общебиологическое значение.

Сегодня первостепенное значение для уменьшения загрязнения атмосферы выбросами автомобилей имеет техническое состояние автомобильного парка и поддержание его в технически исправном состоянии, удовлетворяющим экологическим требованиям. Одним из направлений решения экологической проблемы есть разработки технологических новинок, позволяющие усовершенствовать двигатели любой существующей конструкции. Создание более экономичных и экологически безвредных автомобилей.

Следует познакомить учащихся с понятием гибридного автомобиля и его особенностями.

Гибридный автомобиль это - высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель - двигатель внутреннего сгорания» (далее двигатель), питаемой как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество гибридного автомобиля - снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации - использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

Затем следует рассказать о предпосылках создания гибридного двигателя.

Основные причины, стоящие за разработкой гибридной силовой установки - уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу, что очень актуально именно для городского транспорта. Эта система позволяет снизить выброс сажи и углеводородов на 90%, оксидов азота - на 50%. При этом экономия топлива достигает 60% по сравнению с обычными автобусами с дизельными двигателями, а ускорение во время начала движения увеличилось на 50%. Такая силовая установка может устанавливаться на различные автомобили, которые выполняю самые разные задачи. Принцип работы гибридной силовой установки заключается в следующем: колеса приводятся в движение электродвигателем, который питается от АКБ, а дизельный двигатель приводит в действие генератор, питающий аккумулятор. К тому же дизель соединен с трансмиссией и часть своей мощности передает на колеса. Благодаря этому во время начала движения достигается максимальное ускорение без лишнего шума, затрат топлива и клубов дыма из выхлопной трубы.

Снижение расхода углеродного топлива, немедленно сказалось на экологической чистоте. Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей, гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила проблему утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте, и для грузовых автомобилей, ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.

Однако, следует указать учащимся и на имеющиеся недостатки гибридных двигателей.

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Гибридные автомобили, как и электромобили, хоть и в меньшей степени, подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, пока еще никто не исследовал, а оно может быть опасным.

2. Схема работы гибридного двигателя

Гибридная силовая установка сочетает в себе современный двигатель внутреннего сгорания, технологически совмещенный с электромоторами. Весь комплекс управляется электронной системой, и конечно же все компоненты отличаются высочайшим качеством. Гибридная силовая установка управляет расходом энергии в зависимости от условий движения автомобиля.

Начало движения

Для начала движения и при движении на малых скоростях используется только электромотор.

-При наборе скорости батарея направляет свою энергию на блок управления электропитанием.

-Блок управления направляет энергию на электромоторы, расположенные в передней и задней частях автомобиля.

-Передний и задний электромоторы позволяют автомобилю плавно трогаться с места.

Вот характеристики гибридного автомобиля Lexus RХ400h. В основном весь принцип работы гибридной силовой установки показан на примере этого автомобиля.

Бензиновый двигатель

-рабочий объем: 3.3 л

-количество и расположение цилиндров: v6

-мощность: более 150 квт (204 л.с. (din))

Система

-Максимальная мощность: ±200 кВт (270 л.с. (DIN))

-Рабочее напряжение: 650 В

-Напряжение батареи: 288 В

Технический симбиоз

1.Электрическая система кондиционирования: система кондиционирования может работать без участия бензинового двигателя, обеспечивая комфортную температуру в салоне и экономя топливо.

2.Технология электрического управления: повышенное напряжение позволило конструкторам автопроизводителей оборудовать гибридную версию своих автомобилей большим количеством систем электрического питания и управления.

3.система vdim (vehicle dynamics integrated management): новая версия системы курсовой устойчивости vsc (vehicle stability control) действует через электрический контур высокого напряжения, за счет этого сокращается время реакции автомобиля.

4.Бензиновый двигатель;

5.Гибридная трансмиссия;

6.Генератор;

7.Электрический двигатель задних колес;

8.Блок управления силовой системой;

9.Электрических двигатель передних колес;

10.Батарея высокого напряжения.

Движение:

При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес осуществляется за счет бензинового двигателя и электромоторов; энергия двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, который в свою очередь приводит в движение электромоторы.

Распределение энергии находится под контролем в целях обеспечения максимальной эффективности. При необходимости генератор также осуществляет зарядку батареи, отдавая ему излишки энергии.

Разгон:

1.Бензиновый двигатель разгоняет автомобиль, работая в нормальном режиме.

2.Для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромотора.

3.При работе в нормальном режиме бензиновый двигатель также снабжает энергией генератор.

4.Генератор может направлять излишки энергии на блок управления электропитанием.

Торможение:

1.При торможении кинетическая энергия преобразуется в электричество.

2.Электромоторы направляют его на блок управления электропитанием.

3.Блок управления электропитанием возвращает энергию на высоковольтную батарею. Бензиновый двигатель автомобиля работает в обычном режиме.

Задачи гибридной силовой установки:

1.Обеспечение высоких эксплуатационных характеристик и набора скорости за счет мгновенной подачи энергии.

2.Сохранение энергии при торможении: часть энергии преобразуется в электричество, остальное - в тепловую энергию (в сравнении с обычным автомобилем, у которого на "тепло" уходят все 100%).

3.Обеспечение автомобиля самой современной системой управления расходом энергии.

4.Снижение массы и размеров компонентов.

"В своем желании создать привод, какого никогда не было раньше, мы отразили ключевые элементы защиты окружающей среды, безопасности и удовольствия от вождения автомобиля. Мы также поняли, что наша новая гибридная система хорошо подходит к автомобилям среднего и большого размера. В итоге получился блестящий пример настоящего прорыва в эволюции автомобильного транспорта".

Гибридная трансмиссия.

Делитель мощности в гибридной трансмиссии направляет поток мощности туда, где она больше всего нужна. Обеспечивая максимально экономное расходование энергии, он не только направляет всю необходимую мощность, но и управляет совместной работой бензинового и электрического двигателей. Бесступенчатая трансмиссия мгновенно откликается, когда водителю нужна большая мощность. Электрический и бензиновый источники энергии

Термин "гибридный" подразумевает сочетание бензинового и электрического двигателей, которые приводят в движение RX400h. Эти два источника энергии прекрасно дополняют друг друга. Электродвигатели моментально обеспечивают дополнительную мощность, не расходуя топливо и не загрязняя окружающую среду. Бензиновый двигатель позволяет развить высокую скорость на уровне современных автомобилей.

Работа в системе позволяет каждому источнику энергии работать в оптимальном режиме, обеспечивая автомобилю прекрасные ходовые качества и топливную экономичность. Восстановление энергии

Один из источников экономии - снижение потребляемой энергии. Однако гибридные технологии Lexus позволяют возвращать энергию, которая в обычных условиях теряется безвозвратно. В частности, при торможении электродвигатели действуют как генераторы, и с подачи блока управления силовой установкой энергия движения "перекачивается" обратно в батарею высокого напряжения.

Большая производительность благодаря двум источникам энергии

Гибридная силовая установка использует в своей работе два источника энергии: 6-цилиндровый бензиновый двигатель, соединенный с генератором, и электромотор, обладающий большим крутящим моментом.

Высокопроизводительный двигатель

В качестве основного источника энергии в гибридной силовой установке используется самый современный двигатель внутреннего сгорания. Сложная компьютерная система осуществляет непрерывное изменение забора воздуха в целях обеспечения оптимальных условий работы двигателя. Это не только обеспечивает двигателю дополнительную мощность, но и способствует значительной экономии топлива и уменьшению выбросов выхлопных газов. При этом не увеличивается уровень шума и не возникает никаких вибраций. Все, что чувствует водитель, - это чутко реагирующий на команды двигатель.

Высоковольтный мотор

Усовершенствованный электромотор-генератор, соединенный с бензиновым двигателем V6, обеспечивает исключительно плавный разгон, когда вы нажимаете на педаль газа до упора. Высоковольтный электромотор гибридной силовой установки представляет собой сложную и одновременно компактную комбинацию электромотора и электрогенератора.

Гибридная технология

Немного подробнее о принципах работы гибридной силовой установки.

1. Начало движения

При трогании с места и движении на малых скоростях используются лишь электромоторы.

2. Нормальный режим движения

На трассе двигатель и электромотор работают вместе; мощность двигателя делится между колесами и электрогенератором, который приводит в движение электромотор. Распределение мощности корректируется для обеспечения максимальной эффективности. При необходимости генератор подзаряжает батарею за счет избыточной мощности двигателя.

3. Разгон

Батарея дает энергию, дополняющую мощность двигателя; двигатель и электромоторы обеспечивают плавный разгон.

4. Торможение

При торможении электромоторы работают как генераторы. Они преобразуют кинетическую энергию в электрическую, накапливающуюся в батарее.

5. Остановка

При остановке двигатель автоматически выключается для экономии топлива и обеспечения максимальной эффективности.

6. Начало движения

Работают только электромоторы.

Устройство распределения электроэнергии

Сердцем устройства распределения энергии является компактный механизм планетарной передачи. Этот планетарный механизм управляет процессом взаимодействия бензинового двигателя, электромотора и генератора. Механизм планетарной передачи объединяет двигатель, электрогенератор и электромотор. По своему весу он легче и имеет намного меньше движущихся частей, чем стандартные 5- или 6-ступенчатые автоматические коробки передач, применяемые в настоящее время в большинстве автомобилей класса "люкс".

Все это снижает потери на трение и обеспечивает более тихую работу, а также более длительный срок службы автомобиля.

Энергетический центр

Гибридный "энергетический центр" является уникальной системой, которая создает и управляет запасом электрической энергии, хранящейся в высокотехнологичной батарее. Процесс производства и управления расходом электроэнергии интегрирован в батарее. Ключевыми компонентами энергетического центра являются:

- мощная высокопроизводительная батарея;

- блок управления энергией;

- полупроводниковое коммутационное устройство;

- регенеративная тормозная система.

Мощная батарея

Для обеспечения энергией электромоторов и электрических систем автомобиля гибридная силовая установка использует в своей работе высокопроизводительную никель-металл-гидридную батарею.

Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения

Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения применяются для управления потоком энергии между генератором, батареей и электромотором. В то время как генератор и электромотор являются устройствами переменного тока, батарея представляет собой устройство постоянного тока. Кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также величине входного напряжения электромотора. Поэтому эти устройства осуществляют преобразование электроэнергии согласно потребностям системы.

Регенеративная тормозная система

При торможении генератор используется для замедления движения автомобиля. При этом он вырабатывает электроэнергию, которая хранится в батареях. В традиционных системах энергия, которая используется для торможения, теряется полностью. В отличие от них данная система особо эффективна при езде в городских условиях, где часто чередуются разгон и торможение. Без наличия традиционной коробки передач в системе образуется намного меньше трения, поэтому большее количество кинетической энергии может быть сохранено в виде электрической энергии.

Инвертор

Инвертор представляет собой устройство, которое преобразует постоянный ток от аккумулятора в переменный. При преобразовании постоянного тока в переменный он может быть использован для питания электромотора. В гибридной силовой установке автомобиля Lexus RХ400h предусмотрена высоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, также постоянный ток. Поскольку она повышает напряжение, происходит равномерный рост электрической мощности при том же уровне тока, результатом чего является более высокая производительность и повышенный крутящий момент привода электромотора.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM)

Во взаимодействии с новой гибридной силовой установкой улучшение качества управления автомобилем достигается еще и за счет модифицированной подвески, специальной электронной системы управления и самой современной системы контроля устойчивости автомобиля и системы интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM).

До сегодняшнего дня такие системы активной безопасности, как антиблокировочная система тормозов (АВS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (ЕРS), имели тенденцию развиваться отдельно друг от друга, даже если они были установлены в одном и том же автомобиле. По существу их успешная совместная деятельность была ограничена, а оптимальная работоспособность не реализована.

Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM), установленная в RХ400h, была разработана с целью объединения этих различных систем, что существенно улучшило безопасность и характеристики автомобиля.

Более того, поскольку обычные системы безопасности активируются сразу после того, как был достигнут предел технических возможностей автомобиля, VDIM активизируется еще задолго до наступления этого момента. В результате расширяются рамки работы систем активной безопасности, и за счет этого обеспечивается более мягкое и предсказуемое поведение автомобиля, так как эти системы действуют точнее, более мягко и гибко. Располагая полной информацией о текущем состоянии, получаемой с датчиков, расположенных по всему автомобилю, VDIM не только объединяет функции систем АВS, ТRC, VSC и ЕВD с электроусилителем рулевого управления, но и управляет гибридной силовой установкой и системой полного привода. Используя объединенный контроль над всеми элементами, отвечающими за движение автомобиля, включая крутящий момент, тормозное усилие и рулевое управление, VDIM не только оптимизирует работу тормозной системы, системы курсовой устойчивости и антипробуксовочной системы, но и улучшает основные динамические характеристики автомобиля. Новая система управления динамикой не столь "навязчива", как обычные системы контроля устойчивости, но при этом намного более эффективна. С помощью высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией система управления динамикой контролирует гибридную силовую установку, полный привод на все колеса и систему торможения, одновременно управляя моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения, а также стабилизирует поведение автомобиля на дорожном покрытии с низким коэффициентом сцепления. За счет всего этого достигается безопасное и комфортное управление автомобилем.

Запуск системы:

Система подачи энергии включается, когда электронный ключ дает подтверждение, что водитель находится в салоне. При включении зажигания система осуществляет проверку нормальной работы всех датчиков, двигателя, электромотора, генератора и батареи. После этого переключатели на различных компонентах высоковольтной системы, таких как электромотор, генератор и батарея, включаются - машина готова к поездке.

Отключение системы:

После отключения зажигания и до того, как водитель покинет салон автомобиля, компоненты высоковольтной системы отключаются, и после подтверждения отключения этих систем компьютер управления гибридной системой также отключается.

Управление мощностью двигателя:

Система осуществляет контроль за потреблением энергии по всему автомобилю. Она определяет, нужно ли остановить бензиновый двигатель и задействовать вместо него электромотор или продолжать движение автомобиля за счет работы бензинового двигателя. Система принимает эти решения, основываясь на текущем состоянии автомобиля, то есть исходя из потребности в ускорении, а также на сигналах состояния, подаваемых компьютером аккумулятора. При первом запуске автомобиль начинает работать от своего электромотора, но при условии, что температура окружающего воздуха не слишком низкая и заряд аккумулятора достаточен. Для того чтобы привести в движение автомобиль с использованием электроэнергии, двигатель сначала запускается от генератора и одновременно система производит расчет энергии, необходимой для всего автомобиля. Далее система рассчитывает условия движения, при которых будет обеспечена максимальная эффективность, необходимая для выработки этого количества энергии, и направляет двигателю сигнал на установление определенного количества оборотов. В дальнейшем контроль за количеством оборотов двигателя осуществляет генератор. Мощность двигателя контролируется за счет учета мощности, расходуемой непосредственно на движение автомобиля, мощности, производимой электрическими устройствами, и мощности, необходимой для вспомогательного оборудования и подзарядки батареи. За счет оптимизации контроля мощности двигателя обеспечивается повышенная экономичность расхода топлива.

Контроль движения:

Общая мощность гибридной силовой установки складывается из сочетания мощностей бензинового двигателя и электромоторов. На малых скоростях большее количество энергии поступает от электромоторов. Такая комбинация создает ощущение плавного контроля над мощностью. Даже если бензиновый двигатель используется не постоянно, особенно в условиях частых остановок при движении, никогда не ощущается недостатка мощности.

Контроль регенеративного торможения:

Для оптимизации количества сохраняемой энергии система торможения, управляемая электроникой, принимает решение о том, когда следует использовать гидравлические тормоза, а когда - регенеративное торможение. Система старается применять регенеративное торможение как можно чаще с целью оптимизации процесса сохранения энергии.

Достоинства автомобилей с гибридной установкой

1. Экономная эксплуатация

Экономная эксплуатация - главное преимущество гибридов. Чтобы достичь её, необходимо было искать баланс, то есть уравновесить все технические показатели машины, но при этом сохранить все полезные параметры обычного автомобиля: его мощность, скорость, способность к быстрому разгону, и множество других, весьма важных характеристик, заложенных в современных автомобилях. Мало того, способность накапливать энергию, в том числе и не терять понапрасну кинетическую энергию движения во время торможения, а заряжать аккумуляторные батареи, помимо основных явных преимуществ, привнесло автолюбителям некоторые побочные «мелкие радости», например, меньший износ тормозных колодок.

Как была достигнута экономия:

-снижением объема и мощности двигателя;

-работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо меньшей зависимости от условий езды;

-полная остановка работы двигателя, когда это необходимо;

-возможность движения только на электродвигателях;

-рекуперативное торможение с зарядкой аккумулятора.

Вся эта система до такой степени сложна, что стала возможна в полной мере только в современных условиях, с применением достаточно непростых алгоритмов работы бортового компьютера. Даже правильное и эффективное (с точки зрения безопасности) торможение управляется бортовым компьютером.

2. Экологическая чистота

Снижение расхода углеродного топлива, немедленно сказалось на экологической чистоте. Полная остановка работы двигателей в местах скопления автомобилей на дорогах городов, и прежде всего в пробках, имеет самую первостепенную роль. Применение же аккумуляторных батарей, гораздо меньшей емкости, чем в электромобилях, снизила проблему утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте, и для грузовых автомобилей, ещё больше улучшит экологическую обстановку городов.

3. Хорошие ходовые характеристики

Теперь нет необходимости устанавливать двигатель из расчёта пиковых нагрузок эксплуатации. В момент, когда необходимо резкое усиление тяговой нагрузки, в работу включаются одновременно как электро-, так и обычный двигатель (а в некоторых моделях и дополнительный электродвигатель). Это позволяет сэкономить на установке менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее благоприятном для себя режиме. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, с последующим быстрым использованием, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного класса и внедорожниках. Несмотря на то, что электродвигатели обладают достаточно сильным крутящим моментом в пересчёте на массу и габариты двигателя, по сравнению с другими двигателями, разработчики всё же в ряде моделей устанавливают не слишком мощные электродвигатели, уменьшая их габариты. При этом, в целях суммирования мощностей, применяются комбинированные схемы передачи крутящего момента, с прямой передачей механического крутящего момента, непосредственно от двигателя. Такая схема называется «гибридно-совместный привод».

4. Увеличение дальности пробега

Время -- это самый ценный ресурс для человека. Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени для других больших и важных дел.

5. Сохранение и повторное использование энергии

Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе -- невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком. Но только электрическую энергию удаётся сохранить с самыми минимальными потерями и максимально дёшево. В качестве накопителя применяются как аккумуляторы, так и специальные конденсаторы.

6. Обычная заправка топливом

У электромобилей пока есть один большой недостаток -- необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий, и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80% ёмкости за 5-15 минут.

У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеродным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.

В городском цикле эксплуатации гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля. В феврале 2006 года автолюбители из США смогли взломать электронную систему управления Toyota Prius, и научились принудительно переключать автомобиль в режим электромобиля. Французская компания PSA Peugeot Citroen к 2010 году начнет серийное производство гибридных версий Peugeot 307 и Citroen C4. В автомобилях предусмотрен режим электромобиля на скоростях менее 50 км/ч. Водитель может по желанию включать режим электромобиля.

Недостатки автомобилей с гибридной установкой

1. Высокая сложность

Гибридные автомобили сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт автоиндустрии США говорит о том, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами.

Далеко не все крупные автопроизводители смогли создать собственную гибридную систему. Компания Porsche отказалась от попыток самостоятельного производства гибридного автомобиля. Компания Mitsubishi изначально не пыталась создать гибридный автомобиль, а сконцентрировала все свои усилия на разработке электромобилей. Наиболее удачная на сегодня серийная разработка -- Hybrid Synergy Drive (произносится [хамйбрид симнеджи драйв]) компанией Toyota.

2. Утилизация аккумуляторов

Гибридные автомобили, как и электромобили, хоть и в меньшей степени, подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. А ведь оно может быть опасным.

3. Высокая стоимость некоторых моделей.

Естественно сложность и "нетрадиционность" создания некоторых моделей влечет за собой увеличение цены на автомобили.

- Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - Гибридная машина имеет привычный бензиновый двигатель. Хотя современные высокие технологии позволяют делать его меньшим по габаритам, более экологичным и экономичным.

- Топливный бак - Здесь хранится топливо для двигателя. Бензин обладает большим энергетическим запасом, нежели электрические батареи. Для примера, батареи весом 450 кг отдадут столько же энергии, сколько и 3,5 кг бензина.

- Электромотор - Очень "продвинутый" элемент. Современная электроника делает его и мотором и генератором одновременно. Например, когда это необходимо, энергия берется из электрических батарей и ускоряет автомобиль. Но тормозя машину, двигатель переходит в режим генератора и восстанавливает энергию.

- Генератор - Схож с электромотором, но работает только в режиме запасания энергии (используется, главным образом, в серийных гибридных автомобилях).

- Батареи - Источник энергии для электромотора, в отличии бензинового ДВС, электромотор может не только "брать" энергию, но и запасать её в батареях.

- Трансмиссия - Функции те же, что и у трансмиссии на традиционных автомобилях с ДВС.

Схема работы гибридного двигателя

Последовательная схема. В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

Параллельная схема. Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса.

Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.

Последовательно - параллельная схема. Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом достигается максимальная эффективность силовой установки.

Режимы движения

Начало движения

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места.

Движение в нормальном режиме

В этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов; энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии.

В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

Стоит упомянуть, что при движении в нормальном режиме система автоматически переходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняется полный.

Разгон. Бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, при необходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромоторов.

Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересно сравнить эту систему с турбированным двигателем. В то время как работа последнего может сопровождаться "турбозадержками", гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительной энергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента.

Классификация гибридных двигателей

Электромобиль сочетает в себе большое количество преимуществ, которых лишен автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Стоит только вспомнить из курса физики, что электродвигатель имеет значительно больший КПД (около 90%) по сравнению с двигателем, преобразование энергии которого осуществляется посредством сгорания.

Соответственно электроавтомобиль не потребляет бензина (что с нынешними ценами на топливо немаловажно), не требует большого количества смазывающих материалов, не содержит греющихся деталей (которые постоянно требуется охлаждать), не имеет глушителя (который гниет и требует постоянного внимания), не имеет никаких проблем с карбюратором и т.д. Кроме того такой автомобиль не создает особого шума и не загрязняет окружающею среду.

Однако не будем забывать и о заслугах внутреннего сгорания, да и сразу перейти на электромобили технологически и финансово очень сложно, просто нереально. Посему в данное время все более широкое распространение получают гибридные авто, то есть автомобили, которые способны работать как на бензине, так и на электричестве (или одновременно на обоих источниках). С каждым годом разрабатывают и выпускают все новые и новые гибриды, которые конструктивно достаточно существенно отличаются друг от друга. Далее рассмотрим существующие разновидности гибридных автомобилей по отдельности.

Класс 1. Автомобили этого класса в основном не способны передвигаться только за счет электрической тяги. Грубо говоря, движение осуществляется при помощи обыкновенного двигателя, а электрический двигатель лишь помогает ему в этом. Обычно мощность электродвигателя составляет около 20 кВт. Достоинства у такой конструкции такие: существенно снижен расход топлива, особенно при городском цикле езды, а также увеличена динамика разгона автомобиля. Конструктивно электродвигатель установлен между двигателем и коробкой передач. Электромотор помогает при разгоне и одновременно работает в качестве генератора осуществляющего подзарядку аккумулятора. Однако современные разработки автомобилей, которые оснащены вариатором, и имеют новую систему фаз газораспределения, значительно уменьшают насосные потери и торможение двигателем, что позволяет двигаться исключительно на электротяге.

Класс 2. Такие автомобили имеют возможность осуществлять движение, как на обыкновенном, так и на электрическом двигателе как раздельно, так и сочетая их мощности. Конструктивно в такой системе вместо коробки передач установлен генератор, который через планетарный делитель соединен с двигателем. Такой делитель позволяет переключать «сцепление» между генератором и ведущими колесами (то есть позволяет мотору выбрать что вращать, колеса или генератор). Далее расположен электромотор и еще один планетарный редуктор, работающий в режиме двух ступенчатой коробки передач, которая меняет передаточное число между двигателем и трансмиссией. Классической коробки передач на автомобиле нет - общий крутящий момент обеих двигателей обходится всего двумя ступенями.

Существуют и другие конструкции, в которых отсутствует планетарная передача и вместо одного электродвигателя установлено два. Этого вполне достаточно чтобы обойтись без коробки передач для бензинового двигателя и двигаться только на электротяге.

Класс 3. Этот класс, в принципе находится в разработке, по большому счету в нем находится дополнительный бензиновый или дизельный двигатель. Основным назначением является езда по городу, так как такое решение обязывает постоянно осуществлять подзарядку от внешнего источника. Если заряд аккумулятора заканчивается, на помощь приходит бензиновый двигатель, который теоретически должен доставить своего владельца к ближайшей «электрозаправке». Бензиновый двигатель только поддерживает небольшое количество заряда, а не заряжает аккумулятор полностью. Конечно, КПД такой конструкции не высок, но применение бензинового двигателя подразумевается использовать лишь в экстренном случае.

3. Методические разработки

Интегрированный урок (физика + химия) по теме "Роль автомобиля в жизни человека"

Цель урока: обобщение и углубление знаний учащихся по теме: “Тепловые двигатели”, “Природные источники углеводородов и их переработка”

Задачи образовательные:

Закрепление понятий “Двигатели внутреннего сгорания” и принципы их действия, виды топлива и физико-химические процессы в природе;

Закрепление умения учащихся работать с дополнительной литературой.

Воспитательные задачи:

Стимулировать познавательную активность ребят и интерес к предметам;

Воспитывать потребность у учащихся применять знания, полученные на уроках физики, химии и других предметах в окружающей, повседневной жизни; урок физика гибридный двигатель

Воспитывать у учащихся бережное и разумное отношение к окружающей природе, толерантность.

Развивающие задачи:

Развитие личности ребенка в процессе самостоятельной исследовательской деятельности;

Развитие критического мышления, способности учащихся анализировать ситуации, связанные с охраной атмосферы;

Совершенствование умений анализировать, классифицировать, делать выводы

Технологии: информационные технологии обучения: личностно-ориентированные, развивающие обучение (И.С. Якиманская), развитие критического мышления.

Методы:

1. По источникам знаний:

Словесный (беседа, рассказ);

Наглядный (наблюдение учащихся, иллюстраций);

Практический (опыт);

2. По характеру познавательной деятельности:

Проблемный

Частично-поисковый (самостоятельная работа учащихся, лабораторная работа);

3. По степени самостоятельности школьников:

Учебная работа под руководством учителя;

Самостоятельная работа учащихся

Оборудования: плакаты (устройство двигателя внутреннего сгорания), презентации учащихся, компьютерное обеспечение, т. с. о., реактивы (бензин, солярка, белок, соль свинца).

План работы:

Историческая справка и т.д.

Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный), их устройство и принцип работы

Топливо, его виды

Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами, автотранспортом; их влияние на здоровье человека

Мероприятия по борьбе с загрязнениями атмосферного воздуха автотранспортом: альтернативные виды топлива и новые виды автотранспорта

Работа с тестом

Домашнее задание

После изучения тем по физике “Тепловые двигатели. К.П.Д. двигателей. Охрана окружающей среды” и по химии “Природные источники углеводородов и их переработка” мы проводим совместный обобщающий урок в форме семинара, используя групповую форму работы.

Групповая форма работы привлекает учащихся к живой творческой работе, так как материал интересен, связан с обыденной жизнью и вполне доступен.

Каждая группа работала самостоятельно, используя материалы интернета, местный материал, составляли презентации.

В работе семинара принимают участие историки, специалисты по ТД, химики-технологи и экологи, представители ГАИ.

“Нельзя допускать, чтобы

люди направляли на свое

собственное уничтожение

те силы природы, которые

они сумели открыть и

покорить”.

Ф. Жолио-кюри.

“Или люди сделают так,

чтобы в воздухе стало

меньше дыма, или дым

сделает так, что на земле

станет меньше людей”.

Л.Дж. Баттан.

Вступительное слово учителя: Здравствуйте уважаемые гости, ребята.

Тема нашего урока: “Роль автомобиля в жизни человека”

Цель нашего урока - решить эту поставленную проблему путем обобщения и систематизации знаний в области химии, физики и экологии.

А для того чтобы ее решить, начнем со статистики, которую представят Вам историки.

Немного статистики:

В городе Абдулино Оренбургской области 25 тысяч жителей. На 1000 человек населения обеспеченность собственным легковым автомобилем на начало 2007 года составляет по Абдулинскому району - 228,7 шт, по городу Абдулино - 204,0. наличие легковых автомобилей в собственности граждан Абдулинского района на начало 2007 года составляет 2882 шт, а по городу Абдулино 4324 шт.

Доля автотранспорта во вредных выбросах составляет 0,7%. Ежегодно с отработанными газами в окружающую среду попадает 0,1 тыс. тонн токсичных веществ. Всего же по России на долю автомобильного парка приходится свыше 20 млн. тонн в год.

Выхлопные газы ДВС вызывают 70% детских болезней. Считают, что болезни человечества на 68% вызваны дыханием отравленного воздуха. Так, Вероятность заболевания раком на 57-80% зависит от состояния окружающей среды. Поэтому настало время выяснить о “Роли автомобиля в жизни человека”.

Учитель физики: Семинар считается открытым. Предоставляется слово “Историкам, дав им возможность ответить на вопрос: “Почему возникла необходимость в Т.Д?”.

Историки: Наряду с политическими революциями в 18 веке произошли экономические промышленные революции, в результате которых ремесленный способ производства вытиснился фабрично - заводским. Характерной чертой времени стали технические изобретения и усовершенствования, которые следовали одно за другим как ответы на задачи растущего фабричного производства. В первую очередь фабрики потребовали новый источник механической энергии и такой был создан - им стал паровой двигатель. В 19 веке в связи с быстрым развитием торговли и промышленности появилась потребность в новом виде транспорта, соответствующим новым экономическим условиям. Паровая машина - энергетическая основа крупной машинной индустрии - оказалась универсальным двигателем и на транспорте.

История свидетельствует, что:

1)тепловые машины-1765г. - жел. дор. транспорт.

2)паровая турбина - 1625г. - Т.Э.С.,А.Э.С.

3) ДВС - 1866 г.

4) Д.Д - 1892 г.

5)реактивные - 1903г. авиация

Выводы историков:

Обратите внимание на то, что сфера применения Т.Д. обширна. Поэтому мы приходим к такому выводу: Без Т.Д. современная цивилизация не мыслима. Они дают самую дешевую электроэнергию и разные виды скоростного транспорта, выполняют трудоемкие работы.

Слово учителя физики: Сегодня мы говорили об автомобиле, потому обратимся к специалистам по Т.Д. с вопросом: Каковы преимущества Д.Д. перед карбюраторными Д.В.С. Предоставим слово специалисту по Т.Д. (презентация №2 о ДВС )

1 специалист по Т.Д.: Первый ДВС работал на газе. Изобрел его в 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто. Позже его коллега, инженер Даймлер, построил двигатель, работавший на бензине.

Это был 1885 г.

Карбюраторный ДВС имеет карбюратор - устройство, в которое поступают бензин и воздух, при этом получается горючая смесь. Напомним принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя (используется модель ДВС).

В I такте в результате движения поршня вниз происходит всасывание через впускной клапан горючей смеси, выпускной клапан закрыт. Совершая возвратное движение, поршень во II такте сжимает (оба клапана закрыты) горючую смесь, которая при этом нагревается. Когда поршень поднимется почти до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь поджигается электрической искрой от свечи. Раскаленные газы - продукты сгорания горючей смеси -- давят на поршень и толкают его вниз. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу и маховику. Поршень совершает полезную работу. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает соединенный с ним поршень при последующих тактах. Этот третий такт является единственным рабочим тактом из четырех. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, газы охлаждаются при расширении и давление падает до 2*105 -3 * 105 Па. Оба клапана в III такте закрыты. В IV такте поршень поднимается вверх и выталкивает отработанные газы через выпускной клапан, который в это время открывается, в атмосферу.

Давайте посмотрим график изменения состояния газа в цилиндре ДВС на p, V-диаграмме

I такт -- всасывание горючей смеси, объем увеличивается при р = const.

II такт - сжатие горючей смеси (кривая 2--3). В конце сжатия (точка 3) с помощью электрической искры горючая смесь зажигается, происходит "взрыв " - давление скачком повышается (кривая 3--4).

III такт -- рабочий ход (кривая 4--5), в конце которого (точка 5) открывается выпускной клапан, давление резко падает (кривая 5--6), но оно больше атмосферного, поэтому отработанные газы выталкиваются в окружающую среду (кривая 6--7); это IV такт -выхлоп.

Цикл завершен, закрывается выпускной клапан, открывается впускной, и начинается новый цикл. Полезная работа ДВС равна площади фигуры 2--3--4--5--6--2.

Вывод:

Малая масса, компактность, сравнительно высокий кпд (25--30%) обусловили широкое применение карбюраторных двигателей. Они приводят в движение автомобили, мотоциклы, моторные лодки, применяются в бензопилах.

Но есть и недостатки:

работают на дорогом высококачественном топливе, довольно сложны по конструкции, имеют большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

2 специалист по Т.Д. Более экономичен 4-тактный дизельный ДВС. В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель , в цилиндре которого сжимался воздух, а не горючая смесь. Дизельный двигатель работает без карбюратора и свечи, на дешёвых сортах топлива, причём расходует его меньше.