Учебный проект по физике "Гибридный автомобиль- автомобиль будущего"

Министерство общего и профессионального образования  Свердловской области Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования «Управление образования Североуральского городского округа» Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Учебный проект по физике Гибридный автомобиль ­ автомобиль будущего Исполнители:       Жидков Илья, учащийся 10А класса  Овчинников Алексей, учащийся 10Б класса Руководитель:                                                                                Леоненко Анна Николаевна,                                                                     учитель физики высшей категории Североуральский городской округ 2013 Учебный проект по физике “Гибридный автомобиль - автомобиль будущего”. Учебный предмет: физика Продукты проекта: презентация, выполненная в программе MicrosoftPowerPoint Возраст учащихся: 10 класс Тип проекта: поисковый Основополагающий вопрос: Развитие автомобильного транспорта - шаг к прогрессу или транспортный тупик? Проблемные вопросы:  Что такое автомобиль?  Какова история создания автомобиля?  Как работает современный автомобиль?  Какую роль играет автомобиль в жизни человека?  Что такое гибридный автомобиль?  Каковы преимущества и недостатки гибридных автомобилей?  Что такое ё-мобиль, и как он работает? №1. Проблемный вопрос: Что такое автомобиль? Автомобиль - механическое самоходное транспортное средство, используемое обычно для перевозки по дорогам людей или грузов, или для буксировки по дорогам транспортных средств, используемых для перевозки людей или грузов. Коэффициент полезного действия современного автомобиля составляет 30- 45 % №2. Проблемный вопрос: Какова история его создания? (с пружинным приводом) Первые известные чертежи автомобиля принадлежат Леонардо да Винчи (R CodexAtlanticus), однако ни действующего экземпляра, ни сведений о его существовании до наших дней не дошло. В 2004 годуэксперты Музея истории науки из Флоренции смогли восстановить по чертежам этот автомобиль, доказав тем самым правильность идеи Леонардо. В эпоху Возрождения и позже в ряде европейских стран «самодвижущиеся» тележки и экипажи с пружинным двигателем строились в единичных количествах для участия в маскарадах и парадах. прожорливыми и неудобными, В 1769 году французский изобретатель Кюньо испытал первый образец машины с паровым двигателем, известный как «малая телега Кюньо», а в 1770 году — «большую телегу Кюньо». Сам изобретатель назвал её «Огненная телега» — она предназначалась для буксировки артиллерийских орудий. «Тележку Кюньо» считают предшественницей не только автомобиля, но и паровоза, поскольку она приводилась в движениесилой пара. В XIX веке дилижансы на паровой тяге и рутьеры (паровые тягачи, то есть безрельсовые паровозы) для обычных дорог строились в Англии, Франции и применялись в ряде европейских стран, включая Россию, однако они были тяжёлыми, поэтому широкого распространения не получили. В 1791 году русским изобретателем Иваном Кулибиным была изготовлена «самокатная повозка». Были отдельные случаи построения легковых автомобилей как предметов роскоши. Так, в историю вошёл LaMarquise(официальное название — DeDion- BoutonetTrepardoux), построенный в 1884 году и работавший на паровой тяге. Появление лёгкого, компактного и достаточно мощного двигателя внутреннего сгорания открыло широкие возможности для развития автомобиля. В 1885 году немецкий изобретатель ГоттлибДаймлер, а в 1886 году его соотечественник Карл Бенцизготовили и запатентовали первые самодвижущиеся экипажи с бензиновыми двигателями. В 1895 году Бенц изготовил первый автобус с ДВС. В 1896 году Даймлер изготовил первое такси и грузовик. В последнем десятилетии XIX века в Германии, Франции и Англии зародилась автомобильная промышленность. В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тыс. электромобилей. В том же 1900 году Фердинанд Порше сконструировал электромобиль с четырьмя ведущими колёсами, в которых располагались приводящие их в движение электродвигатели. Через два года голландская фирма Spyker выпустила гоночный автомобиль с полным приводом, оснащённый межосевым дифференциалом. Первый гоночный автомобиль был оснащён двигателем мощностью 35 л. с. и был доставлен Эмилю Еллинеку от DMG 22 декабря 1900 года. Этот «Мерседес» был разработан Вильгельмом Майбахом, главным инженером DMG, и включал инновационные конструкторские решения: длинную колёсную базу, широкую колею и низкий центр тяжести, стальную раму, сотовый радиатор и рулевое колесо. Лёгкий и высокопроизводительный двигатель достигал 75 км/ч и мог набирать от 300 до 1000 оборотов в минуту. В нём было 4 цилиндра и соотношение каждого цилиндра на ход поршня составлял 116×140 мм. Объём — 5918 см³. Для каждой пары цилиндров стоял свой карбюратор, два распределительных вала и контролируемые впускные клапана, низковольтное магнето зажигания. Братья Стэнли производили около 1000 автомобилей в год. В 1909 году братья открыли первую в Колорадо гостиницу люкс-класса и от железнодорожной станции до гостиницы гостей возил паровой автобус, что стало туризма. Фирма Stanley выпускала автомобили на паровом ходу до 1927 года. фактическим началом автомобильного Несмотря на ряд достоинств (хорошая тяга, многотопливность) паровые автомобили сошли со сцены к 1930-м годам из-за своей неэкономичности и сложностей при эксплуатации. Немалый вклад в широкое распространение автомобильного транспорта внёс американский изобретатель и промышленник Генри Форд, с 1913 года внедривший конвейерную систему сборки автомобилей. В 1923 году фирма Бенца изготовила первый грузовой автомобиль с двигателем Дизеля. №3. Проблемный вопрос: Как работает современный автомобиль? В основе автомобиля лежит четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Четыре такта - впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. смесь. Степень Впуск. При движении поршня вниз стержень толкает клапан всасывания, и он открывается, впуская топливно-воздушную смесь в цилиндр. Поршень втягивает смесь подобно шприцу. Когда поршень достигает нижней точки, клапан закрывается, запирая воздушно-топливную смесь в цилиндре. Поршень поднимается и сжимает пойманную в ловушку Сжатие. воздушно-топливную сжатия определяется характеристикой двигателя. Это означает, что, когда поршень достигает вершины цилиндра, воздушно-топливная смесь сжата приблизительно в десять раз от ее первоначального объема. Рабочий ход. Искра свечи зажигания, воспламеняет сжатую воздушно- топливную смесь. При этом происходит мощное расширение газа. Процесс сгорания толкает поршень вниз цилиндра с большой силой, поворачивающей коленчатый вал, что позволяет сдвинуть транспортное средство. Каждый поршень срабатывает в свое время, определенное двигателем. К тому времени, когда коленчатый вал проворачивается дважды, в каждом цилиндре двигателя произойдет один рабочий цикл. Выпуск.Когда поршень окажется вновь у основания цилиндра, открывается выпускной клапан, что позволяет удалить отработанный газ из цилиндра. Так как сгоревший газ находится в цилиндре под очень высоким давлением, то при открытии выпускного клапана он вырывается с огромной скоростью и громким хлопком. Чтобы уменьшить шум, применяют глушители. Далее поршень идет вверх, чтобы начать новый цикл. №4. Проблемный вопрос: Какую роль играет автомобиль в жизни человека? В наше время люди не могут обойтись без автомобиля, который очень необходим в мире больших расстояний. Поэтому в жизни человека большое значение имеет автомобиль. Смотря на машину можно многое узнать о владельцах, например, какой у них характер и их финансовое положение. Каждый человек выбирает себе автомашину, так чтобы она соответствовала его характеру и темпу жизни. Выбирая себе большую машину, человек стремится к тому, чтобы расширить свое личное пространства. Но есть люди, которые покупают себе маленькую машину - это может говорить о том, что у этих людей заниженная самооценка. Автомобиль является не только средством самовыражения, но и средством передвижения. Когда автомобиль перестал быть роскошным и показывать большое финансовое положение своего хозяина, он стал средством массового пользования в обществе. В наше время почти у любой семьи может быть несколько автомобилей, но всеми пользоваться. У многих люде машина служит для того чтобы доехать до работы и потом на ней вернуться домой. Но есть такие люди, для которых автомобиль — это хобби. Они любят ковыряться в запчастях, обновлять свой автомобиль, то есть машина для них это часть их жизни. Пешеходы воспринимают машину не как благо человека, а как самый жуткий кошмар, который встречается только на улице, и они отчасти правы, так как многие водители слишком часто нарушают правила дорожного движения и поэтому считаются страшнее маньяка – убийцы! Польза: Вред: 1. Польза: 2. Мобильность в больших городах 3. Преодоление расстояний между городами 4. Статус человека, отражение его характера 5. Работа или хобби 1. Загрязнение окружающей среды 2. Негативное воздействие на здоровье человека 3. Опасность ДТП 4. Большой расход денежных средств 5. Истощение запасов нефти №5. Проблемный вопрос: Что такое гибридный автомобиль? Гибридный автомобиль – автомобиль, который сочетает два двигателя, первый двигатель внутреннего сгорания (питается бензином или дизелем), второй электрический двигатель (работает на электричестве). этом Главной причиной начала производства легковых гибридов был рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным повышением требований к экологичности автомобилей. При и налоговые льготы производителям гибридов делает эти автомобили в некоторых случаях даже дешевле обычных. В некоторых странах владельцы гибридов освобождаются от уплаты дорожного налога и не платят за муниципальные парковки. Применение электромобилей, несмотря на многие преимущества, и даже налаженный их выпуск, имеет ряд недостатков: совершенствование технологий    необходимость длительной зарядки аккумуляторов; большая масса аккумуляторов; недостаточная дальность пробега; недоступность заправочных станций;  Нужно было искать компромиссы и устранять недостатки. И таким компромиссом стала разработка гибридомобиля. №6. Проблемный вопрос: Каковы преимущества и недостатки автомобилей будущего? Преимущества: 1. Экономная эксплуатация Главным преимуществом является экономная эксплуатация. 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:   меньшей зависимости от условий езды; снижением объёма и мощности двигателя; работа двигателя в оптимальном и равномерном режиме, в гораздо 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. Снижение расхода углеводородного 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 остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов. Развитие гибридной технологии в общественном транспорте и для грузовых автомобилей ещё больше улучшит экологическую обстановку городов. 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 за счет установки менее мощного двигателя внутреннего сгорания, работающего основное время в наиболее экономном и благоприятном для себя режиме.или в случае использования последовательной схемы расходуется энергия запасённая в накопителях. Такое равномерное перераспределение и накопление мощности, позволяет использовать гибридные установки в автомобилях спортивного классаи внедорожниках. Несмотря на то, что электродвигатели обладают достаточно большим 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». Исключение половины заездов на заправочные станции, и даже большего количества таких заездов, при езде по городу, высвобождает у автовладельца некоторое количество времени. с последующим быстрым использованием, 2. Экологическая чистота 3. Хорошие ходовые характеристики 4. Увеличение дальности пробега 5. Сохранение и повторное использование энергии 2. Отсутствие трансмиссий 3. Утилизация аккумуляторов 6. Заправка обычным топливом Устранён один из главных недостатков 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 и гидравлическую энергию удаётся сохранить с минимальными потерями и достаточно дёшево. В качестве накопителя применяются аккумуляторы, гидр аккумуляторы и специальные конденсаторы. 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 нано материалов до 80 % ёмкости за 5-15 минут. Заправка У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным 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 PeugeotCitroen 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: Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Аккумуляторныебатареи имеют небольшой диапазон рабочих температур, подвержены саморазряду. Кроме того, они дороже в ремонте. Опыт США говорит, что автомеханики берутся за ремонт гибридных автомобилей с большой неохотой. США пытаются решить проблему дороговизны налоговыми льготами. 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 (2008) серийная разработка — HybridSynergyDrive(произносится [хаайбридсианеджи драйв]) компании Toyota. Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений (более 20). Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления. Хоть и в меньшей степени, чем электромобили, гибридные автомобили подвержены проблеме утилизации аккумуляторов. Влияние выбрасываемых аккумуляторов на окружающую среду, по-видимому, никто не исследовал. В 1. Высокая сложность 5. Опасность для пешеходов некоторых гибридных автомобилях аккумуляторы не предусмотрены (например, в ё-мобиле). 4. Подогрев салона Высокий КПД определяет малую побочную генерацию бросового тепла. В обычных автомобилях в зимнее время это тепло используют для обогрева салона. В гибридных автомобилях ДВС не глохнет, пока не нагреет салон до требуемой температуры, что, естественно, увеличивает расход топлива. В американских моделях Тойота Приус также используются электрические ТЭНы, которые питаются от высоковольтной батареи. Они не только обеспечивают тепло без излишней работы ДВС, но и позволяют нагревать салон сразу после холодного старта автомобиля. Что позволяет всегда сохранять среднюю температуру в салоне. Американский институт по оценке ущерба на дорогах (англ. HighwayLossDataInstitute) опубликовал исследование, согласно которому гибриды опаснее для пешеходов, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Причиной повышенной опасности гибридов для пешеходов является их бесшумность в режиме работы от электродвигателя. Согласно опубликованной статистике аварийности, наезды гибридных автомобилей на пешеходов происходят на 20 % чаще, а степень урона выше[5]. Для решения этой проблемы предлагается оснащать гибридные автомобили генератором звукового сигнала, который на небольших скоростях (до 30 км/ч) будет имитировать звук работающего двигателя внутреннего сгорания. Подобный генератор ставится с 2010 года на ToyotaPrius. Сейчас требования к наличию звукового генератора у гибридных и электрических машин узаконены только в Японии. В конце 2011 года президент США Барак Обама дал указание Национальной администрации безопасности дорожного движения решить эту проблему в США в течение ближайших трёх лет .Существует три вида гибридов: 1. Электродвигатель на одну ось 2. Электродвигатель на 4 колеса 3. Электродвигатель вместогенератора и статора Первый тип гибридов – когда бензиновый двигатель имеет привод на одну ведущую ось, а электромотор на другую. То есть, они работают в совокупности, допустим передняя ось на бензиновом моторе, а задняя ось полностью на электричестве. Получается полный привод автомобиля, но бывают ситуации когда, передняя ось (бензин) отключается и автомобиль двигается только на электромоторе, либо отключается задняя ось (электричество) и автомобиль работает на бензине. Второй тип гибридов – конструкция не критически, но изменена. Такие гибриды очень схожи с электромобилями. Тут дело в том, что все 4 или 2 колеса имеют электродвигатели, и автомобиль двигается только на электротяге, бензиновый двигатель в движении не применяется. Однако бензиновый двигатель, применяется только для заряда батарей. То есть когда батарея полностью разряжена, включается бензиновый или дизельный мотор, крутит генераторы, которые подзаряжают батареи, происходит все это на ходу и автоматически. Такие гибриды наиболее экономичны, по сравнению с первым типом. Потому как двигатель для зарядки батарей можно использовать маломощный, на два цилиндра. Встречаются случаи, например компания Mercedes ставит одноцилиндровые дизельные двигатели, которые расходуют очень мало топлива, порядка 1,5 литра дизеля на 100 километров пути. Также эти двигатели, работают при не высоких оборотах и без существенной нагрузки (похоже на холостой ход двигателя), что дополнительно экономит топливо. Третий вид гибридов – у таких автомобилей полностью заменена система пуска и зарядки. Отсутствуют как генератор, так и стартер, вместо них есть один электромотор, который пускает двигатель, а также поддерживает его работу, например при резком ускорении или движении в горку. Такой вид гибридов способен экономить топлива до 15 – 20 %. №8. Проблемный вопрос: Что такое ё-мобиль, и как он работает? Ё-мобиль – проектируемый российский гибридный автомобиль под финансированием Михаила Прохорова. В конструкции ё-мобиля предполагается трансмиссии с комбинированным вращаемого газо- бензиновым двигателем внутреннего сгорания, и от ёмкостного накопителя энергии. По заявлениям разработчиков, промышленное производство машин запланировано на начало 2013 года, при этом стоимость автомобиля будет составлять, в зависимости от комплектации, от 450 до 490 тыс. рублей Основные узлы ё-мобиля: использование электрической от генератора, питанием связи с колесами 1. ДВС с генератором как источник энергии, не имеющий механической 2. 2 электродвигателя 3. Накопитель энергии в виде суперконденсаторов 4. Бак для бензина 5. 2 баллона для природного газа Режимы работы ё-мобиля: 1. В режиме движения с постоянной скоростью энергия, вырабатывается силовой установкой, поступает на тяговые электродвигатели. Заряд электроконденсаторов держится на определенном уровне, соответствующем данной скорости. (Чем больше скорость, тем меньше заряд) . При движении со скорость 60 км/ч заряд суперконденсаторов составляет 50 процентов полного объема суперконденсаторов. 2. При нажатии педали тормоза включается режим рекуперации энергии, то есть электродвигатели переходят в режим выработки электроэнергии, которая аккумулируется в суперконденсаторах до полной их зарядки. 3. При кратковременных перемещения ё-мобиль использует только электротягу от суперконденсаторов). Когда их заряд упадет до минимального уровня, снова запускается двигатель. (электродвигатель запитывается 4. При ускорении электродвигатели запитываются и от конденсаторов, и от двигателя. Такая схема позволяет достичь желаемых характеристик. При увеличении скорости движения заряд суперконденсаторов стремится к нулю. Зимой, после длительного простоя накопитель энергии может разрядиться. В этом случае, кратковременно запускается двигатель, через 10-15 секунд суперконденсаторы будет полностью заряжены. Кроме этого, можно установить время запуска двигателя, чтобы к вашему приходу автомобиль был прогрет и готов к выезду. Силовую установку ё-мобиля можно использовать в быту как мини электростанцию. Вывод: Транспорт - важнейшая часть как экономики, так и жизни, и без него невозможно существование современного человечества. С развитием технологий совершенствуется существующая техника и создается новая. И одним из таких витков является создание гибридного автомобиля. Конечно, проект ещё не окончен, многое необходимо доработать, но уже сейчас можно утверждать, что автомобильный гибрид будет большим шагом к прогрессу. Материалы необходимые для постройки заправки ослабят давление на увеличение темпов добычи нефти. Принцип действия, положенный в основу работы и сочетающий в себе классический ДВС и электродвигатели вкупе с суперкоденсаторами, обеспечивает рациональное распределение энергии и нагрузки, что позволяет увеличить КПД, а значит и расходы пользователей. Таким образом, если разработка перспективных гибридных автомобилей не прекратится, вскоре мы сможем увидеть множество новых авто, которые, несомненно, будут лучше обычных "убийц здоровья и атмосферы". За ними будущее. Приобретенные навыки и проблемы: Проблемы:  Большой объем информации   Не знали с чего начать   Вычленение главного  Оформление информации грамотно и лаконично  Доступное донесение информации  Навыки:  Узнали много нового об автомобиле  Закрепили умение создавать презентации  Получили дополнительный опыт в работе с проектом ИСТОЧНИКИ: 1. Книжные ресурсы:  Советский энциклопедический словарь  "Гибридный автомобиль” из серийного журнала "Изобретатель- Рационализатор" 2. Интернет-ресурсы:  http://www.drive.ru/technic/2009/10/30/2876201.html  http://ru.wikipedia.org/wiki/Гибридный_автомобиль  http://ru.wikipedia.org/wiki/Автомобиль  http://www.hcars.ru/tech/3  http://www.yo-auto.ru/  http://avto-blogger.ru/poleznoe/gibridnyj-avtomobil.html