[Mechanika] Alternatywne układy napędowe pojazdów samochodowych.

[damian61]

Witam to mój pierwszy post na forbot.pl mam nadzieję że spodka się z waszą akceptacją i zainteresowaniem temat jak sama nazwa mówi Alternatywne układy napędowe pojazdów samochodowych. Czyli ogół procesów jakie zróżnicowały dzisiejszą motoryzację i przyczyniły się do zainicjowania nowoczesnych technologii w praktyce. Życzę miłej lektury.

1. Wstęp.

Od wczesnych początków ludzkiej cywilizacji, jedną z dziedzin jaka przyciągała ludzi była chęć podroży.

Z początku piesze wędrówki plemion nie przysparzały kłopotu ale z czasem gdy trzeba było transportować ładunki na coraz dalsze odległości, ludzie zaczęli zastanawiać się jak można by sobie w tym pomóc. Tak wynaleziono wóz którego siłą napędową były zwierzęta.

Z czasem okazało się, że prosty wóz to za mało a transport potrzebował bardziej niezawodnego środka napędu swoich pojazdów.

1. Wstęp.

2. Pierwsze układy napędowe.

3. Historia powstania pojazdów samochodowych.

4. Wczesne układy napędowe pojazdów.

5. Początki współczesnych napędów pojazdów samochodowych.

6. Obecne alternatywne napędy pojazdów samochodowych.

7. Przyszłość komunikacji samochodowej.

2. Pierwsze układy napędowe.

Ludzi zawsze interesowały żywioły. Ogień i woda były chyba najpowszechniej obserwowanymi. Właśnie te obserwacje doprowadziły do spostrzeżeń takich, że woda po zetknięciu z ogniem (podgrzaniu) zmienia się w parę.

Był to punkt wyjściowy do stworzenia pierwszych urządzeń w których czynnikiem wywołującym pracę miała być przemiana wody w parę.

Mało kto wie, że gdyby nie Heron z Aleksandrii (urodzony ok. I w. p.n.e.), pewien grecki matematyk twórca słynnego wzoru na pole trójkąta oraz autor zbioru ksiąg, być może wynalezienie maszyny parowej wyglądałoby zupełnie inaczej.

Znany jest on między innymi jako twórca pierwszej maszyny parowej, zwanej aeolipile – piłką Eola, boga wiatru.

Była to pusta w środku metalowa kula, zaopatrzona w dwie rurki, połączone z jej wnętrzem, wygięte w przeciwne strony. Wystarczyło podgrzać wodę znajdującą się wewnątrz sfery tak, aby gorąca para, wydostawała się z niej przez dysze z dużą siłą. Dzięki sile reakcji wprowadzała kulę w szybki ruch wokół własnej osi.

Rys.1 Bania Herona (Aeolipile) podczas działania.

Urządzenie jak na swoje czasy było genialne ale posiadało wiele wad które nie pozwalały mu na użycie go w poważnych konstrukcjach. Siła odrzutu dysz była zbyt mała aby móc napędzić jakikolwiek mechanizm a banię należało często uzupełniać wodą.

Te jak i wiele innych wynalazków, traktowane były raczej jako zabawki, ciekawostki, niż wynalazki zasługujące na wcielanie w życie w szerszym zakresie i dopracowywane. Około półtora tysiąca lat musiały czekać na kontynuowanie prac, podjętych przez pierwszych antycznych mechaników, konstruktorów.

3. Historia powstania pojazdów samochodowych.

W roku 1452r. w Anchiano niedaleko Vinci we Włoszech urodził się wynalazca którego geniusz miał przyczynić się do dalszego rozwoju napędów.

To właśnie Leonardo di ser Piero da Vinci przypisuje się pierwszy pojazd który był samochodem. Pośród swoich szkiców miał on dwa godne wyróżnienia w dziedzinie napędów.

Pierwszym był wóz z doczepioną banią i odchodząca od niej rurą. Wynalazek ten miał działać na zasadzie Bani Herona gdzie siła odrzutu pary miała wprowadzać pojazd w ruch. Nie ma jednak wzmianek historycznych aby kiedykolwiek prototyp tego pojazdu powstał. Nawet gdyby miało to miejsce, siła odrzutu pary była by zbyt mała by wprowadzić maszynę w ruch.

Drugim i urzeczywistnionym w 1495r. szkicem był trójkołowy pojazd napędzany sprężyną.

Rys2. Pojazd Leonardo da Vinci.

Jest to pierwszy znany nauce pojazd posiadający własny napęd. Prawdopodobnie nigdy nie miał okazji pojawić się na włoskich drogach jednak stanowił w tamtych czasach ciekawostkę i przedmiot zabaw dworskich. Poruszał się on na odległość około 100 metrów po czym ponownie musiał być nakręcany.

Obecnie replikę maszyny można obejrzeć we florenckim Muzeum Historii i Nauki.

Trzeba było jednak poczekać wiele lat zanim transport bez użycia koni stał się rzeczywistością.

Simon Stevin, urodzony w 1548 roku w Brugii, należał do najznakomitszych matematyków holenderskich. Miał jednak i inne upodobania, przede wszystkim kochał wodę i statki które chętnie obserwował w działaniu.

Pewnego dnia doszedł do wniosku „Czemu nie można by jeździć także po suchym lądzie przy pomocy żagla?". Ta idea zaabsorbowała go na tyle, że stworzył modele statków wyposażonych w koła a następnie dmuchając w ich żagle obserwował jak zachowywały się poruszając po stole.

Kolejnym etapem jego projektów było stworzenie rzeczywistego statku z kołami co uczynił z pomocą dobrze opłaconych rybaków około 1600 roku.

Pierwszy test wynalazku na plaży nie obył się bez wypadku. Nagły podmuch wiatru wywrócił „lądową łudź” Simona a jego samego wyrzucił niczym z katapulty na pobliską wydmę. Na szczęście nic mu się nie stało,. Simon szybko się pozbierał, przeprowadził obliczenia dotyczące jego wynalazku i poprawił niedoróbki.

Okazało się, że pojazd Stevina był na tyle udany iż ten otworzył dzięki niemu pierwszą tego typu w dziejach historii firmę przewozową. Pojazdy Stevina napędzane żaglem kursowały na holenderskiej trasie Schwenningen – Petten, przewoziły 20 pasażerów z ładunkiem i pokonywały w 2 godziny dystans 67,8 km którego przeprawa w tamtych czasach zajmowała cały dzień.

Rys3. Pojazd z żaglami, Simona Stevina.

Twórca tego niezwykłego pojazdu zmarł w 1620 roku przez co wszelkie dalsze prace nad rozwojem urządzenia upadły jednak było ono dalej popularne i wykorzystywane w wielu krajach Europy, na przykład w Brytanii na trasie Londyn - Bristol aż do 1826 roku.

Wóz z żaglami mimo dobrych osiągów (duży udźwig i prędkość do 30km/h) miał jednak jedną podstawową wadę. Był uzależniony od wiatru i w razie jego braku nigdzie nie mógł pojechać. Niedogodność tę udało się wyeliminować poprzez zamontowanie w latach późniejszych pomieszczenia dla małego konika jednak nie było to rozwiązanie dobre na dłuższą metę i dalej poszukiwano lepszych napędów do pojazdów.

Oczy konstruktorów na nowo zwróciły się w kierunku wykorzystania pary jako napędu.

4. Wczesne układy napędowe pojazdów.

Era prawdziwych napędów pojazdów rozwinęła się dzięki zastosowaniu cylindra z tłokiem który poruszał się pod ciśnieniem pary.

Już w 1770 roku francuski oficer Nicolas Cugnot zbudował trójkołowy pojazd parowy. Była to jednak na dzisiejsze standardy konstrukcja bardzo prymitywna, ale niewątpliwie poruszała się sama i mogła osiągać prędkość 4km/h.

Rys.4 Pojazd Nicolas'a Cougnot'a.

Szesnaście lat później młody angielski inżynier William Murdock przeprowadził próby z napędzanym parą pojazdem zabawką. Pracujący w wytwórni pomp parowych Murdock skonstruował model 30-centymetrowej wysokości z silnikiem o stosunkowo dużej mocy. Anglik postanowił wypróbować swój wynalazek na ulicy i z przerażeniem stwierdził, iż nie jest w stanie dogonić szybko poruszającego się pojazdu. Mknąca przez miasto zabawka tak przestraszyła miejscowego księdza, że umarł na zawał serca. Pod naciskiem okolicznych mieszkańców i Jamesa Watta (który zastrzegał sobie patent na maszyny parowe używane do przewożenia osób, ale nie prowadził nad nimi prac) Murdock zrezygnował z dalszych eksperymentów.

Następny milowy krok w historii samochodu stanowiła lokomotywa drogowa skonstruowana w 1801 roku przez Anglika Richarda Trevithicka.

Dzięki wysokoprężnemu silnikowi pojazd Trevithicka był jak na owe czasy konstrukcją nowoczesną. Wynalazca zaprezentował go zaskoczonym mieszkańcom Londynu, a w 1804 roku postawił lokomotywę drogową na torach. Od tego momentu historia samochodu i historia parowozu potoczyły się dwiema różnymi drogami.

5. Początki współczesnych napędów pojazdów samochodowych.

Współczesne napędy pojazdów powstały razem z wynalezieniem silnika spalinowego. W 1800 roku emerytowany szwajcarski wojskowy, major Isaac de Rivaz zbudował prymitywny pojazd wprawiany w ruch wybuchem mieszanki gazu świetlnego (gaz koksowniczy) i powietrza. Zapalana iskrą elektryczną mieszanka wyrzucała w górę tłok, który z kolei napędzał umieszczone nad nim koło. Jego ruch był przenoszony za pomocą sznura na koło pojazdu. Konstrukcja nie miała kierownicy, a po każdej eksplozji musiała być od nowa „zatankowana” gazem. Rivaz uzyskał na nią patent, ale na tym poprzestał i nie starał się udoskonalić swojego wynalazku.

W 1860 roku, francuski mechanik Tienne Lenoir skonstruował silnik gazowy, który pracował bez sprężania mieszanki. Mianowicie w cylindrze umieścił tłok, po którego obu stronach naprzemiennie odbywało się zasysanie i spalanie mieszanki. Silnik miał już jednak mechanizm dostarczający gaz do cylindra. Powietrze ”drugi składnik mieszanki” było zasysane przez szczeliny pomiędzy tłokiem a cylindrem.

Dwa lata później uczony francuski Alphonse Beau de Rochas opracował teoretyczną zasadę pracy silnika czterosuwowego. Polegała ona na zassaniu do cylindra mieszanki paliwa następnie jej sprężeniu oraz spaleniu, co nadaje ruch tłokowi, i wyrzuceniu spalin na zewnątrz. W tym samym roku prototyp takiego silnika gazowego zbudował Niemiec Nikolaus August Otto.

W 1875 roku mieszkający w Wiedniu ślusarz żydowskiego pochodzenia Siegfried Marcus wyjechał na ulicę czterokołowym pojazdem z czterosuwowym silnikiem benzynowym. Marcus zamontował silnik na drewnianej ramie wzmocnionej blaszanymi okuciami. Rama opierała się na dwóch osiach z kołami, z których pierwsza była skrętna, tak jak w wozach konnych. Pojazdem sterowano za pomocą niewielkiej, pionowo ustawionej kierownicy połączonej z przekładnią. Konstrukcja Marcusa ważyła 756 kilogramów i była na tyle solidna, że jeszcze w 1950 roku udało się ją uruchomić. Pojazd osiągał prędkość od 6 do 8 km/h.

Lata 1885-1886 były przełomowe dla rozwoju motoryzacji. Gottlieb Daimler i Karol Benz, po wykonaniu prób ze swoimi pierwszymi samochodami, założyli wówczas dwie rywalizujące wytwórnie, znane później ze swych wyrobów na całym świecie. W 1886 roku swój pierwszy samochód zaprezentował publicznie Gottlieb Daimler.

Rys.6 Samochód Gottlieb'a Daimler'a.

Umieścił on silnik benzynowy nie na trójkołowym, lecz na czterokołowym podwoziu. Skrętna była cała przednia oś. Jego pojazd przypominał bryczkę, od której odczepiono konia. Taki kształt miał być pomocny w razie awarii samochodu (łatwo było doczepić do niego zwierzę pociągowe). Po kolejnych zmianach silnik Daimlera miał moc 3,75 konia mechanicznego, co umożliwiało rozpędzenie samochodu do szybkości 32 km/h.

W latach 1878-79, Carl Benz skonstruował pierwszy silnik spalinowy od jego nazwiska nazwany „benzynowy”, natomiast w roku 1893 Rudolf Disel opatentował pierwszy silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym.

Od tego momentu w historii rozpoczyna się wyścig polegający na przeróbkach, poprawianiu układów silników oraz ciągłym unowocześnianiu pomysłów Disel'a i Benz'a. Zasady działania tych silników pozostają nie zmienione do dziś.

Inżynierowie i wynalazcy nie poprzestawali tylko i wyłącznie na silnikach spalinowych. W ich głowach rodziły się śmiałe pomysły.

Projektanci Forda, którzy zafascynowani nowym źródłem energii jakim w latach 50 ubiegłego wieku, stał się atom przedstawili w 1957 roku wizję projektu samochodu z napędem nuklearnym. Zasięg samochodu miał dochodzić do 8000 kilometrów na jednej porcji paliwa, przy braku hałasu silnika i emisji spalin.

Rys.7 Model samochodu z napędem atomowym.

Niewielki reaktor atomowy miał zostać umieszczony w tylnej części pojazdu a w celu optymalizacji masy kabinę pasażerską przesunięto maksymalnie do przodu. Plany zakładały, że kapsuła z reaktorem będzie wymienna i dostępna w różnych wersjach, co pozwoli kierowcy na wybranie wariantu zapewniającego optymalne osiągi i zasięg.

Projektanci pojazdu wierzyli, że rozwój technologii pozwoli na zmniejszenie reaktorów oraz stosowanie lżejszych osłon. Niestety mylili się.

Kwestie bezpieczeństwa, właściwości jezdnych ciężkiego pojazdu, ochrony otoczenia przed promieniowaniem oraz składowania radioaktywnego odpadu były nie przemyślane. Ostatecznie projekt tego samochodu upadł.

Podobne projekty z atomowymi samochodami powstawały także w Związku Radzieckim.

Inną formą napędu w 100% bezpieczną, ekologiczną i zastosowaną w praktyce stał się napęd pneumatyczny. Jego rozwój nastąpił w XIX wieku m.in. za sprawą prac konstrukcyjnych i pomysłów Ludwika Mękarskiego. Już w 1988 roku Dennis Lee twierdził w swoich materiałach reklamowych, że dysponuje wydajnym silnikiem pneumatycznym a w 1991 r. Guy Nègrge wynalazł silnik z podwójnym zasilaniem. Mógł on działać zarówno na sprężone powietrze, jak i na zwykłe paliwo.

Przed drugą wojną światowa w Paryżu kursowały tramwaje napędzane silnikami na sprężone powietrze. Posiadały one butle które były pompowane powietrzem z dystrybutorów podczas postojów pojazdów na niektórych stacjach.

Nie wszystkie jednak pomysły związane z powietrzem przyjęły się. Tak było na przykład z pojazdami w których źródłem napędu miał być silnik z śmigłem.

Za przykład można wziąć pojazd z 1922 roku zaprojektowany przez Marcela Leyat'a.

Podczas przejazdu na torze w Montlhery z 1927 roku samochód uzyskał prędkość 170km/h co na owe czasy było zawrotną prędkością, niestety konstrukcja nie sprawdzała się w terenie oraz istniało poważne ryzyko łatwego uszkodzenia pojazdu w razie wypadku.

Pomysł wykorzystania napędu śmigłowego jeszcze kilkakrotnie pojawił się w dziejach historii. W 1933 roku powstał pociąg Schienenzeppelin z śmigłem. Osiągał na torach prędkość 140km/h.

Najlepiej jednak napęd ten sprawował się w saniach przy ciężkich zimowych warunkach i był wykorzystywany podczas wypraw arktycznych.

Kolejnym ciekawym osiągnięciem myśli technicznej było wykorzystanie napędu w postaci żyroskopu. Swoje zasługi ma tu polski wynalazca Stanisław Wilkus który w 1977 roku przedstawił patent na napęd żyroskopowy stosowany w taborze autobusowym lub kolejowym. Rozpędzone do prędkości 3000 obr. na min. koło żyroskopu o wadze 1,5 tony miało zasilać silnik elektryczny pojazdu. Powstał nawet autobus z tym napędem jednak jak większość tego typu wynalazków nie zyskał wielkiej popularności.

Oddzielne eksperymenty z napędem, żyroskopowym były także prowadzone w USA przy projektach kolei jednotorowej.

Znane są także próby użycia w samochodach napędów tak niekonwencjonalnych jak rakietowy czy odrzutowy.

Ze względu na specyfikację tych napędów były jednak to próby o charakterze czysto sportowym, gdzie starano się osiągnąć jak największe szybkości samochodów. Obecny rekord prędkości na lądzie to 1228 km/h. Osiągnięto go w roku 1997. Kierowcą, który zasiadł wtedy za sterami maszyny z napędem odrzutowym o nazwie Thrust SSC był Andy Green. Obecnie ten sam kierowca towarzyszy w pracach nad kolejną maszyną z silnikiem odrzutowym. Pojazd ma nosić nazwę Bloodhound SSC i pokonać barierę prędkości 1600km/h.

6. Obecne alternatywne napędy pojazdów samochodowych

Alternatywą dla silników spalinowych zaczęły być równie stare co i odmienne konstrukcje.

Amerykanin Thomas Davenoprt w roku 1835 zbudował pierwszy samochód napędzany silnikiem elektrycznym, czerpiącym prąd z elektrycznej baterii.

Ulepszaniem akumulatorów zajęli się Francuzi Gaston Plante w 1865 rok i Kamil Faure w 1881 roku. Utorowali oni drogę dla rozwoju pojazdów elektrycznych. Francja i Wielka Brytania były pierwszymi państwami, które popierały powszechny rozwój pojazdów elektrycznych.

Ciekawym epizodem w historii silnika elektrycznego jest zdarzenie jakie miało miejsce dzięki nieprzeciętnemu wynalazcy Nikola Tesla które miało miejsce w 1931 roku.

Wynalazca miał ponoć zamontować w seryjnie produkowanym samochodzie Pierce-Arrow silnik elektryczny a następnie uzupełnić go urządzeniem przypominającym akumulator które to urządzenie pobierało energię elektryczną z otoczenia. Następnie jeździł tak skonstruowanym samochodem przez tydzień po mieście Buffalo. O niezwykłym wynalazku rozpisały się tamtejsze gazety przyciągając rzesze sceptyków twierdzących iż takie urządzenie nie ma prawa istnieć. Sugestie jakoby Tesla był wariatem dotarły do twórcy wynalazku a ten będąc nimi rozgoryczony usunął najważniejsze komponenty samochodu i powrócił do swego laboratorium w New York City.

W chwili obecnej najnowocześniejszy seryjnie produkowany samochód elektryczny nosi nazwę od wielkiego wynalazcy. Zwie się Tesla Car model S, niestety niewiele ma wspólnego z niezwykłym wynalazkiem uczonego.

Poważnymi wadami obecnych samochodów elektrycznych są ich ograniczenia w utrzymaniu energii przez akumulatory ich waga oraz czas ładowania. Dzięki rozwojowi inżynierii oraz nanotechnologii wady te mogą być stopniowo usuwane.

Aby zachować niski poziom emisji spalin oraz jak najwięcej energii, stosuje się napędy hybrydowe. Jest to zwykle połączenie silnika spalinowego i elektrycznego gdzie paliwem może być gaz lub benzyna. W odpowiednich warunkach systemy elektroniczne bądź manualne przełączają napęd samochodu z elektrycznego na spalinowy lub odwrotnie.

Stosowane są także napędy hybrydowe gdzie jedynym napędem jest silnik spalinowy, a różnica polega na zamiennym stosowaniu paliwa i gazu. Układy takie są montowane w samochodach ze względów ekonomicznych.

Jednym ze współczesnych rozwiązań zastosowanych w niektórych rodzajach samochodów są ogniwa fotowoltaiczne (słoneczne). Samochody te ze względu na wymaganą obecność słońca która produkuje energię zasilającą ich silniki elektryczne stanowią raczej formę ciekawostki niż realnego środka transportu.

Przepraszam że tak się rozpisałem , ale jak to się mówi " Pierwsze wrażenie jest najważniejsze ". 😋 Czekam na komentarze

[Tolo]

Chyba nie ma to dużego związku zz tematyką forum... No ale skoro artykuł został dopuszczony

[danioto]

Chyba nie ma to dużego związku zz tematyką forum... No ale skoro artykuł został dopuszczony

Szczerze powiedziawszy to denerwują mnie takie komentarze. Najlepiej się zamknąć w swoim małym światku i dziubać waldemary światłoluby, zamiast edukować się szerzej i być otwartym na nowe rzeczy.

Wracając do tematu to ciekawe spojrzenie historyczne na problem mobilności. Troszkę inaczej nazwałbym temat, ale tekst był całkiem ciekawy, a tym bardziej ciekawy jest błąd ortograficzny 'łudź" 😃😉

[Treker (Damian Szymański)]

Tolo, ma to już większe powiązanie niż pytanie o miganie diodami/wyświetlaczami 7-seg.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Harnas]

Fajny artykuł, jest co poczytać. Wydaje mi się że dużo lepiej by się czytało jakby tytuły kolejnych punktów był napisane pogrubioną czcionką. Bo teraz wszystko się zlewa.

[Tolo]

To w takim razie zabieram się za pisanie artykułu o silnikach dwusuwowych...

[danioto]

Zrobił się tutaj bezsensowny offtopic.

Tolo, nie wiesz o czym mówisz. Słyszałeś o czymś takim jak AGV? Właśnie w tym momencie pracujemy w kole nad projektem autonomicznego quada i nawet nie wiesz, jaką przysługę byś nam oddał, gdybyś znalazł sposób na proste sterowanie silnikiem spalinowym, bo ma on ogromnie nieliniową charakterystykę. Więc czekam na Twój artykuł.

A tak jeszcze jedna uwaga co do artykułu/wypowiedzi - zgodzę się z Harnasiem - jest on całkiem mało czytelny. Faktycznie warto byłoby pomyśleć nad jakimś przyjemniejszym dla oka formatowaniem 😉

[Mechano]

Artykuł super. Już czekam na artykuł o silnikach dwusuwowych. 🙂