Kaip veikia automobilis: nuo vidaus degimo iki elektrinių ir hibridinių modelių

Automobiliai yra nepakeičiama šiuolaikinio gyvenimo dalis, tačiau dažnai nesusimąstome, kiek daug sudėtingų mechanizmų slypi po jų kapotu. Kiekvieną kartą užvedant variklį ir važiuojant, dirba daugybė inžinerinių sistemų, kurios užtikrina patogumą, saugumą ir stabilumą.

Tradicinių automobilių veikimo principai

Tradiciniai automobiliai su vidaus degimo varikliais veikia iš esmės kitaip nei modernūs elektromobiliai. Vidaus degimo varikliai turi daug judančių dalių ir paverčia kurą energija, reikalinga automobiliui judėti.

Pagrindiniai komponentai ir sistemos

• Variklis: vidaus degimo variklis paverčia kurą energija, reikalinga automobiliui judėti.
• Laiko mechanizmas: užtikrina, kad alkūninis velenas ir paskirstymo velenas veiktų sinchroniškai.
• Turbokompresoriai: dalis automobilių komplektuojama su turbokompresoriais, kurie pateikia daugiau oro į variklį, didindami jo galią.
• Transmisija: dar vadinama pavarų dėže, perduoda variklio galią ratams. Vienas pagrindinių transmisijos elementų yra pavarų dėžė. Kai kuriuose automobiliuose montuojamas smagratis, kituose - sukamasis keitiklis.
• Vairo sistema: populiariausias vairo sistemos tipas yra krumpliaratinė.
• Pakaba: jungia automobilį su ratais, užtikrindama stabilų valdymą ir minkštą važiavimą, sugėrusi kelio nelygumus.
• Ratai ir padangos: jų svarba dažnai nuvertinama, nors būtent jos užtikrina sukibimą ir automobilio valdymą. Ratai - tai metaliniai ar aliuminio diskai, o padangos yra iš gumos arba kompozitinių medžiagų pagaminti elementai, kurie suteikia sukibimą ir sugeria smūgius.
• Stabdžių sistema: leidžia sustabdyti automobilį efektyviai ir saugiai.
• Akumuliatorius: tiekia elektros energiją, reikalingą variklio užvedimui ir visų elektros sistemų veikimui.
• ECU (elektroninis valdymo blokas): stebi duomenis iš įvairių jutiklių ir pagal juos reguliuoja variklio darbą, užtikrindamas optimalią veiklą.
• Jutikliai: renka informaciją apie skirtingas automobilio sistemas ir perduoda ją ECU.
• Traukos kontrolės sistema (TCS): apsaugo nuo ratų prasisukimo ir užtikrina didesnį saugumą. Žieduose įtaisyti jutikliai stebi kiekvieno rato sukimosi greitį.
• ABS (stabdzių antiblokavimo sistema): stabdant staigiai ar smarkiai, ABS užtikrina, kad ratai neužsiblokuotų - taip išsaugomas automobilio valdymas.
• Parkavimo jutikliai: padeda nustatyti atstumą iki aplinkinių objektų.

Automobiliuose integruojama daugybė tarpusavyje susijusių sistemų, o jei tave domina, kaip veikia automobilis, nesvarbu, ar jis benzininis, dyzelinis, ar elektrinis, knygoje "Kaip veikia automobilis" tikrai rasi atsakymus. Sužinosi, kaip veikia valytuvai, variklis, stūmokliai, akceleratorius, pavaros, ratai, vairo mechanizmas, pakaba ir stabdžiai. Ir visa tai galėsi patikrinti savo paties sukonstruotais modeliais!

Šioje išskirtinėje interaktyviojoje knygoje "Kaip veikia automobilis" yra viskas, kad galėtum sėkmingai pasidaryti devynis veikiančius modelius. Tereikia remtis paprastomis instrukcijomis ir prie modeliavimo lentos pritvirtinti nurodytų spalvų detales - traukes, svirtis ir ratus. Sukonstruotus mechanizmus išbandyk ir taip išsiaiškinsi, kaip jie veikia. Knygoje pateikiami paprasti kiekvieno mechanizmo paaiškinimai, pavaizduota, kaip mechanizmas veikia automobilyje, o laiko juosta parodo, kaip automobiliai tobulėjo. Rinkinyje yra 47 detalės ir 12 varžtų su veržlėmis, leidžiančių konstruoti 9 veikiančius mechanizmus ant modeliavimo lentos.

Elektromobilių veikimo principai

Elektromobiliai veikia iš esmės kitaip nei tradiciniai automobiliai. Nors elektromobiliai turi savų sudėtingumų, jie yra daug labiau skaitmeniniai nei mechaniniai. Praktikai automobilių gamintojai naudoja skirtingas technologijas vidaus komponentams integruoti, tačiau „pagrindiniai komponentai“ ir pagrindinė „architektūra“ yra ta pati visuose pasaulio elektromobiliuose!

Pagrindiniai elektromobilio komponentai

• Akumuliatorių blokas: vietoj benzino elektra varomi elektromobiliai energiją gauna iš akumuliatorių bloko, kuris paprastai būna ištemptas išilgai automobilio apačios, kad būtų kuo mažesnis svoris. Jį sudaro keli moduliai, kurie savo ruožtu suskirstyti į atskirus akumuliatoriaus elementus, savo dydžiu panašius į AA tipo baterijas. Tarp elementų eina aušinimo skysčio sluoksnis, nes įkaitę akumuliatoriai sprogsta.
• Inverteris (įtampos keitiklis): dauguma jūsų namų elektronikos prietaisų veikia kintamąja srove (AC), kur elektronai nustatytais intervalais nuolat keliauja laidais pirmyn ir atgal. Tačiau akumuliatoriai veikia nuolatine srove (DC), todėl elektronai tiesiog pastoviu srautu sklinda viena kryptimi. Elektromobilyje naudojamas inverteris, kuris pakeičia akumuliatoriaus srovę iš nuolatinės į kintamąją, kol ji pasiekia variklį. Įtampos keitikliai konvertuoja iš baterijos tiekiamą nuolatinę srovę (DC) į kintamąją srovę (AC), kuri tiekiama varikliui. Tai padeda valdyti elektrinių variklių greitį ir sukimo momentą.
• Elektrinis variklis: elektriniai varikliai elektrą paverčia judesiu sukurdami besisukantį magnetinį lauką. Cilindre, vadinamame statoriumi, yra tvirtai suvynioti variniai laidai, kuriais teka kintamoji srovė iš keitiklio. Kadangi srovė yra kintama, šių magnetinių laukų šiaurinis ir pietinis poliai persijungia pirmyn ir atgal. Statoriaus viduje laisvai plaukiojantis rotorius jaučia visų šių besisukančių magnetinių laukų poveikį. Srovei tekant per statorių, dėl magnetinės traukos rotorius sukasi, kad ją pasivytų. Juk rotoriaus magnetiniai poliai, priešingi statoriaus magnetiniams poliams, bus traukiami, o panašūs poliai atstumiami. Kuo daugiau galios bus pumpuojama per statorių, tuo greičiau suksis magnetinis laukas. Rotorius judina ašį, kuri suka elektromobilio ratus.
• Integruotas įkroviklis: integruotas įkroviklis reguliuoja įkrovimo procesą: jis kintamąją srovę (AC) paverčia nuolatine srove (DC), kurią gali kaupti baterija.
• Šilumos valdymo sistema: reguliuoja svarbiausių komponentų temperatūrą, užtikrindama optimalų veikimą ir saugumą. Sistema taip pat apima šilumos siurblį, padedantį didinti klimato kontrolės sistemos energinį efektyvumą.

Kaip veikia elektromobilių baterijos?

Baterija - tai kiekvieno elektrinio automobilio jėgainė, kurią sudaro šimtai ličio jonų elementų, sukurtų užtikrinti našumą, efektyvumą ir ilgaamžiškumą. Apie tai, kaip veikia akumuliatoriai, parašytas visas straipsnis, tačiau trumpai galima pasakyti, kad elektronai traukiami per grandinę judant ličio atomams iš vienos akumuliatoriaus pusės į kitą. Elektronai nori sekti paskui tuos ličio jonus, tačiau baterijoje esanti skiriamoji membrana neleidžia jiems važiuoti kartu. Todėl jie turi bėgti per laidus, kuriais taip pat maitinami mūsų telefonai, planšetiniai kompiuteriai, lemputės, kompiuteriai ir automobiliai. 800 V technologija leidžia įkrauti bateriją greičiau, išskiria mažiau šilumos ir pasiekia iki 270-350 kW įkrovimo galią. Elektromobilių baterijos kuriamos laikantis tų pačių ilgaamžiškumo reikalavimų, kaip ir tradiciniai vidaus degimo varikliai ar pavarų dėžės. Gamintojų tikslas - kad elektromobilių baterijos tarnautų 15 metų arba 300 000 km. Numatoma, kad net ir pasiekus šią ribą, daugumos baterijų talpa vis dar bus didesnė nei 70 proc. pradinės talpos.

Kaip elektriniai varikliai veikia elektromobiliuose?

Elektriniai varikliai suteikia elektromobiliams jiems būdingą staigų pagreitį ir tylų važiavimą. Aukštos įtampos baterijos energiją tiekia asinchroniniams (ASM) arba nuolatinio magneto sinchroniniams varikliams (PSM) - kiekvienas iš jų pasižymi savais privalumais. ASM varikliai yra itin efektyvūs ir generuoja sukimo momentą dėl elektromagnetinės indukcijos. PSM variklių rotoriuje naudojami nuolatiniai magnetai, sukuriantys magnetinį lauką. Abu varikliai užtikrina tolygią ir sklandžią galią be jokių pavarų perjungimų.

Indukcinio variklio grožis tas, kad jo greitis priklauso nuo tiekiamos kintamosios srovės dažnio. Taigi, tiesiog keisdami maitinimo šaltinio dažnį, galėsime keisti varančiojo rato greitį. Esant dažnio diapazonui, elektromobilio variklio greitis gali kisti nuo 0 iki 18 000 apsisukimų per minutę (apsisukimų per minutę). Tai didelis elektromobilių pranašumas, palyginti su vidaus degimo automobiliais.

Kuo skiriasi kintamosios ir nuolatinės srovės varikliai?

Tiek kintamosios (AC), tiek nuolatinės srovės (DC) varikliai elektros energiją paverčia mechanine energija, tačiau tai atlieka skirtingais būdais. Nuolatinės srovės varikliuose naudojami maži komponentai, vadinami šepetėliais, kurie varikliui sukantis fiziškai perjungia srovę tarp skirtingų apvijų. Kadangi vienu metu naudojama tik dalis apvijų, šie varikliai pasižymi mažesniu galios tankiu. Siekiant užtikrinti sklandų ir dinamišką veikimą esant įvairiam greičiui, šiuolaikiniuose varikliuose naudojamos pažangios elektroninės galios valdymo sistemos. Jos valdo kintamosios srovės variklius aktyvuodamos apvijas tam tikra seka.

Elektromobilių pranašumai ir savybės

• Didesnis našumas ir staigus sukimo momentas: elektriniai varikliai galią perduoda akimirksniu - tai reiškia spartų pagreitėjimą ir sklandų važiavimą. Nėra ir jokio pavarų perjungimo. Tik tylus ir tolygus judėjimas pirmyn. Elektriniai varikliai išvysto maksimalų sukimo momentą vos paspaudus akceleratoriaus pedalą. Nėra jokio laukimo ir uždelsimo. Tik tolygus ir galingas pagreitis - vos pajudėjus iš vietos. Tai viena iš priežasčių, kodėl vairuoti elektromobilį yra taip lengva ir malonu.
• Mažesnis poveikis aplinkai: visiškai elektriniai automobiliai neišmeta jokių išmetamųjų teršalų. Mažesnis išmetamo CO₂ kiekis reiškia švaresnį orą ir geresnį klimatą.
• Tylesnis važiavimas: elektromobiliai sumažina triukšmą tiek automobilio viduje, tiek išorėje. Jokio variklio triukšmo. Tik ramybė bei tyla salone ir kur kas malonesnė kelionių patirtis.
• Patogus įkrovimas: elektromobilį galima palikti įsikrauti per naktį ir dieną pradėti visiškai įkrauta baterija. Planuojant kelionę, galima naudotis programėle telefone arba navigacija automobilio ekrane, kad greitai rastumėte įkrovimo stoteles savo maršrute.
• Mažiau techninės priežiūros: mažiau judančių dalių reiškia mažiau rūpesčių dėl techninės priežiūros. Pamirškite alyvos ir uždegimo žvakių keitimą ar išmetimo sistemos remontą. Vairuojant elektromobilį, visa tai lieka praeityje. Didžiąją dalį priežiūros darbų sudaro paprasti patikrinimai, tokie kaip filtrų keitimas, padangų sukeitimas vietomis bei stabdžių ir aušinimo skysčių patikra. Elektromobiliai patiria daug mažesnį mechaninį krūvį ne tik stabdant, bet ir apskritai. Elektromobilių varikliai nesusiduria su pasikartojančiomis sprogstamomis cheminėmis reakcijomis, kaip vidaus degimo varikliai, neperkelia stūmoklio linijinės jėgos į sukimosi jėgą (sukimo momentą) per alkūninį veleną ir nesiremia smagračiu, kad stabilizuotų kintančią įvestą jėgą.
• Regeneracinis stabdymas: elektrinių automobilių varikliai nėra tik varikliai - jie taip pat gali veikti kaip generatoriai. Kiekvieną kartą mažindami greitį, jūs ne tik stabdote. Kartu jūs įkraunate bateriją. Atleidus akceleratoriaus pedalą, elektrinis variklis kinetinę energiją paverčia elektros energija. Ši energija kaupiama baterijoje, kad ją būtų galima panaudoti vėliau. Regeneracinis stabdymas gali padidinti nuvažiuojamą atstumą ir sumažinti stabdžių trinkelių dėvėjimąsi. Visa tai vyksta automatiškai ir visiškai nepastebimai. Kadangi didžioji dalis jėgos, reikalingos transporto priemonei sulėtinti, nukreipiama į rekuperacinį stabdymą, elektromobilio stabdžių trinkelės dėvisi mažiau nei įprasto automobilio. Be to, elektromobilyje, vos tik atleidus akceleratoriaus pedalą, pradeda veikti regeneracinis stabdymas.
• Valdymo vienu pedalu funkcija: visus elektromobilius galima vairuoti naudojant tik akceleratoriaus pedalą. Paspauskite pedalą, kad važiuotumėte, arba jį atleiskite, kad pristabdytumėte. Valdymas vienu pedalu yra intuityvus ir ypač patogus eismo spūstyse, o ši funkcija naudoja regeneracinį stabdymą, kad būtų užtikrintas maksimalus komfortas.
• „Eco“ važiavimo režimas: visi elektromobiliai turi „Eco“ važiavimo režimą. Jį įjungus, aktyvuojami nustatymai, padedantys važiuoti efektyviau. Kai „Eco“ režimas įjungtas, „Range Assistant“ programėlėje centriniame ekrane galėsite stebėti automobilio energijos suvartojimo efektyvumą. Be to, siekiant taupyti energiją ir maksimaliai padidinti nuvažiuojamą atstumą, ši funkcija apriboja klimato kontrolės veikimą bei automobilio dinamiką.
• Atbulinės eigos pavara: elektromobilyje atbulinės eigos mechanizmą realizuoti gana paprasta, nes variklis gali tiesiog keisti sukimosi kryptį.
• Efektyvumas: apie 90 proc. elektromobilio baterijoje sukauptos energijos panaudojama važiavimui. Kita vertus, tradiciniuose benzininiuose varikliuose ratus pasiekia tik apie 30 proc. energijos.

Elektromobiliai turi vienos pavaros transmisiją. Jiems pakanka vienos pavaros, nes variklis veikia vienodai efektyviai visame sūkių diapazone. Skirtingai nei automobiliai su vidaus degimo varikliais, kurių galia išlieka nepakitusi iki pat variklio užgesimo, elektromobiliai sukurti taip, kad įspėtų vairuotoją iš anksto ir palaipsniui lėtėtų. Jei nepaisant šių įspėjimų baterija visiškai išsikraus, automobilis tiesiog sustos.

Hibridinių automobilių veikimas

Hibridinis automobilis naudoja du ar daugiau energijos šaltinių. Dažniausiai tai derinamas tradicinis vidaus degimo variklis, elektros variklis ir speciali akumuliatoriaus sistema. Tai yra dažniausias variantas, kaip veikia hibridinis automobilis. Sujungus šias technologijas į vieną, galima gauti ne tik itin dinamišką, tačiau ir maloniai vairuojamą, ekonomišką ir praktišką automobilį. Hibridiniai automobiliai kaupia energiją regeneracinio stabdymo metu, kuomet generatorius kinetinę energiją verčia elektra, kuri įkrauna akumuliatorių. Automobilio kompiuteris gali pats parinkti, kada naudoti elektros variklį, vidaus degimo variklį ar jų abiejų derinį, optimizuojant efektyvumą ir našumą pagal važiavimo sąlygas.

Hibridinių automobilių tipai

MHEV (angl. Mild Hybrid)

MHEV (angl. Mild Hybrid) - tai hibridinio automobilio veikimo principas, kur elektros variklis papildomai tiekia energiją vidaus degimo varikliui, taip padidindamas kuro ekonomiją, dinamiškumą pajudant iš vietos ir sumažindamas išmetamųjų teršalų kiekį. Kuomet iškyla klausimas, kas yra hibridas, daugiausiai galvojama būtent apie tokio tipo sistemą ir jėgos agregatą. Toks automobilis turi gana nedidelį veikimo nuotolį „tik elektra“.

PHEV (angl. Plug-in Hybrid)

PHEV (angl. Plug-in Hybrid) turi didesnės talpos akumuliatorių nei tradicinis hibridas, todėl jį galima įkrauti iš išorinio maitinimo šaltinio. Na, o naudojant elektros energiją su PHEV nuvažiuosite daug ilgesnį atstumą. PHEV vairavimas leidžia naudotis nemaža dalimi elektromobilio privalumų, tačiau neprarandamas vidaus degimo motoro suteikiamas praktiškumas ypač važiuojant ilgesnį atstumą ar didesniu greičiu.

Unikalios hibridinės sistemos

Pavyzdžiui, kai kurie modeliai naudoja unikalią rotorinę hibridinę sistemą, kurioje ikoninis rotorinis variklis naudojamas tik kaip generatorius krauti elektros bateriją, kuri varo visureigio ratus. Ši inovatyvi konstrukcija sujungia elektros variklio privalumus su aukštasūkio, paklusnaus rotorinio variklio charakteristikomis, todėl vairavimo patirtis yra sklandi ir maloni.

Įvairių tipų ir konfigūracijų hibridiniai automobiliai gali pradžiuginti ekonomiškumu, našumu, malonumu būnant už vairo ar komfortu sėdint keleivio vietose. Plati modelių gama ir ne vienas hibridinio jėgos agregato tipas leidžia išsirinkti būtent tai, kas labiausiai atitinka poreikius ir lūkesčius.

Autonominių automobilių technologija

Ar kada nors pagalvojai, kaip būtų smagu važiuoti automobiliu be vairuotojo? Sėdi, atsipalaiduoji, gal žiūri filmą ar klausaisi muzikos, o automobilis pats tave nuveža ten, kur reikia. Autonominis automobilis - tai transporto priemonė, kuri gali važiuoti be žmogaus vairuotojo. Ji pati priima sprendimus: kada sustoti, kur sukti, kaip reaguoti į kliūtis, kitus automobilius ar pėsčiuosius. Kad važiuotų saugiai, automobilis turi tiksliai matyti ir suprasti aplinką. Autonominiai automobiliai - tai pažangios technologijos derinys: jutikliai, dirbtinis intelektas, duomenų apdorojimas ir žemėlapiai.

Pagrindinės autonominių automobilių sistemos

• LiDAR (lazerinis jutiklis): siunčia šviesos impulsus į aplinką ir matuoja, kaip greitai jie sugrįžta. Taip sukuriamas labai tikslus trimačio (3D) vaizdo žemėlapis.
• Kameros: fiksuoja vaizdą kaip žmogaus akys. Jos padeda atpažinti kelio ženklus, šviesoforus, juostas, net pėsčiųjų judesius.
• Kompiuteris ir dirbtinis intelektas (AI): automobilio „smegenys“ - tai galingas kompiuteris, kuriame veikia dirbtinio intelekto (AI) sistema.
• Išsamūs žemėlapiai: dauguma autonominių automobilių naudoja itin detalius žemėlapius, kuriuose pažymėti ne tik keliai, bet ir šaligatviai, kelio ženklai, net medžiai.

Autonominės transporto priemonės nuolat mokosi iš naujų situacijų. Jei vienas automobilis susidoroja su sudėtinga situacija, šia patirtimi gali pasinaudoti ir kiti. Kai kuriose JAV vietovėse, pavyzdžiui, Finikse ar San Fransiske, jau veikia autonominiai taksi be vairuotojo. Tokias paslaugas teikia bendrovės kaip „Waymo“ ar „Cruise“. Autonominiai automobiliai - tai sparčiai artėjanti ateitis. Jų kūrimui reikia įvairių sričių specialistų: programuotojų, inžinierių, dizainerių, psichologų ir net etikos ekspertų.

tags: #kaip #veikia #automobilis