Пневмо-электрический городской автобус (ПЭ автобус сокращённо)
Разработка
ID
5VIR-RYLE
Пользователь
Категория
B - различные технологические процессы; транспортирование
Стоимость
1,000 ₽
Опубликован
07.07.2024 20:39
Дата окончания
31.12.2024
Срок разработки
10 месяцев
Описание
Городские автобусы ( к примеру класс 52) использующие ДВС как на дизельном топливе так и на метане имеют хорошие экономические и эксплуатационные характеристики . Стоимость автобуса 16-18 млн. руб. , дневной пробег в городских условиях 400-450км, низкая себестоимость перевозки , не зависимость эксплуатации от какой быто ни было инфраструктуры. Одно плохо- большой углеродный след. Автобус на метане на 100км пробега в городе выбрасывает порядка 119.7кг СО2 , а дизельный автобус порядка 106,2кг ( к тому же в дизельных выхлопах есть ещё канцерогены ). С характеристиками электробуса всё гораздо хуже. Если мы рассмотрим пример г. Москвы ,где самый большой парк электробусов в Европе, то увидим следующую картину. На сегодняшний момент стоимость электробуса Камаз 70 млн. руб. с батареей 78квтч , дневной пробег 200-220 км (большую часть рабочего времени электробус проводит на зарядных станциях) , себестоимость перевозки выше чем у автобусов с ДВС на 15%. Выбросы СО2 электробуса на 100 км пробега 123.9кг. Энерго-генерация г. Москвы происходит на 22 тепловых станциях работающих на природном газе, поэтому определённое кол-во киловатт час электроэнергии , которые заряжают аккумуляторы электробуса, по сути являются определённым количеством кубометров сгоревшего природного газа. В автобусах использующих ДВС , тепловая энергия метана непосредственно преобразуется в механическую энергию. В случае электробуса тепловая энергия метана ,что бы превратиться в механическую работу проделывает очень большой круг с массой потерь. Сгоревший метан разогревает воду, превращая её в перегретый пар, который крутит турбину, которая вращает генератор. Далее электричество передаётся на определенные расстояния многократно преобразовываясь , что бы соответствовать параметрам зарядной станции, которая заряжает аккумулятор. И уже из аккумулятора питаются электродвигатели электробуса. При такой схеме получения электроэнергии, конечно углеродный след электробуса будет больше чем обычного автобуса.
Другими словами что бы вывести из эксплуатации , например старый дизельный автобус стоимостью 16 млн. руб. потребуется два электробуса ( по паритету дневного пробега) общей стоимостью 140 млн. руб. Чтобы электробусы работали, нужны инфраструктурные кап. вложения в развёртывание сети зарядных станций и ещё потребуется дотации из бюджета на пассажирские перевозки электробусом, так как дневной пробег в два раза меньше, значит в два раза меньше перевезённых пассажиров, в два раза меньше дневная выручка. И при этом выбросы углекислого газа электробуса оказываются самыми большими. Абсурд-единственное подходящее слово.
Совершенно очевидно что нужно другое решение , которое будет и экономичным (стоимость автобуса 20-22 млн. руб. , дневной пробег не менее 400км, отсутствие необходимости в зарядных станциях), и экологичным ( эмиссия СО2 32-37 кг на 100км пробега). Именно такими характеристиками и будет обладать пневмо-электрический автобус. Именно эти характеристики определят потенциал коммерциализации такого продукта на Российском и международном рынке.
Эффективность ПЭ автобуса основывается на двух главных вещах. 1) Рекуперационной системе по производству энергии для питания тяговых электродвигателей и 2) Устранение основных недостатков теплового двигателя (который является сердцем системы производства эл. энергии ПЭ автобуса) по сравнению с обычным ДВС.
Малые расстояния между остановками в городах, частые торможения автобусов (светофоры , перекрестки, пешеходные переходы и т.д.) всё это говорит о эффективности именно рекуперационного способа передвижения. Т.е. при разгоне автобуса энергия тратится из хранилища ,а при торможении 40-50% энергии можно вернуть.
В состав рекуперационной системы пневмо-электрического городского автобуса входят 1)электро-пневматический разрезной задний мост, 2) ресивер для хранения сжатого воздуха давлением 7,5-8 атм. объёмом 20-22м куб. 3)Система трубопроводов для сжатого воздуха 4)Тепловой роторно-лопастной двигатель 5)Генератор на 110Квтч 6) Литий-ионная батарея небольшой ёмкости порядка 15Квтч (или может использоваться небольшой суперконденсатор) 7)инвертор с блоком управления.
В свою очередь задний мост ПЭ автобуса состоит из двух главных элементов: 2 -х асинхронных тяговых эл. двигателей на 75Квтч каждый (по одному на каждое колесо) и 14 компактных роторных компрессоров (по 7 шт в каждом колесе). Торможение ПЭ автобуса с замедлением до 2,2 м в секунду в квадрате (это 90-95 % всех торможений городского автобуса) происходит исключительно за счёт компрессоров. Количество включенных в работу компрессоров регулирует интенсивность замедления. Таким образом при нажатии на тормоз, задние колеса инерционно двигающийся ПЭ автобуса , приводят в движение компрессоры ,происходит плавное торможение с одновременным нагнетанием сжатого воздуха в ресивер. Полученный сжатый воздух перерабатывается в электроэнергию с помощью теплового роторно-лопастного двигателя и генератора. Особенность теплового двигателя ПЭ автобуса в том ,что он работает на сжатом воздухе и метане (у него нет такта сжатия). Полученная эл. энергия сохраняется в литий ионной батареи , которая собственно питает эл. двигатели ПЭ автобуса. На цифрах это выглядит так. Дистанция между остановками 450м. ПЭ автобус проходит 385м (разгон и равномерное движение) с помощью эл. двигателей и тратит на это 3500 Кдж энергии ,которые берутся из литий-ионной батареи . Затем перед остановкой ПЭ автобус тормозит компрессорами (дистанция торможения 65м).Полученный сжатый воздух во время стоянки автобуса на остановке (высадка-посадка пассажиров), роторно-лопастной двигатель в паре с генератором превращает в те же 3500Кдж энергии сохраняемые в литий-ионной батареи. Т.е. потраченная энергия возвращена.
Другими словами ПЭ автобус это тот же электробус в том плане ,что движение происходит за счёт эл. двигателей. Но отличие в том , что убирается слабое звено- дорогая неэффективная литий-ионная батарея, которая меняется на систему по производству эл. энергии на рекуперационном принципе.
За счёт чего достигается результат- в 3,5 раза сокращение выбросов СО2 ПЭ автобусом по сравнению со своими конкурентами? Это как раз происходит за счёт устранения основных недостатков поршневого ДВС. Какие же они 1) наличие КШМ , т.к. сила вращающая колен вал в среднем в 2,3 раза меньше силы давящей на поршень. 2) наличие такта сжатия (25-30% энергии топлива тратится на то что бы сжать воздух внутри теплового двигателя поршневого типа. 3) Маленькое плечо прикладывания силы при формировании крутящего момента (размер кривошипа колен вала очень мал и его нельзя увеличить , так как иначе ,шатун начнёт биться о стенки цилиндра). 4)Большое трение и необходимость в приводе большого кол-ва вспомогательных механизмов (газораспределение с мощными пружинами которые нужно сжимать, система смазки, система охлаждения, система электроснабжения и т.д.) 5) сжатие производится внутри теплового двигателя, это приводит к тому что атмосферный воздух сразу сильно нагревается при впуске соприкасаясь с раскалённым металлом. Это снижает термодинамические показатели. 6) Инерционные силы работают против поршневого ДВС , так как возвратно поступательное движение поршня меняет направление движения на противоположное каждые пол. оборота.
В конструкции роторно-лопастного двигателя ПЭ автобуса, который вращает ротор генератора , эти недостатки устранены. Можно сказать по другому. Если бы на месте роторно-лопастного двигателя ПЭ автобуса стоял бы обычный поршневой ДВС, то он на ту же работу тратил бы топлива в 3,5 раза больше (соответственно на эту величину было бы больше выхлопных газов).
Об объёме Российского рынка можно судить по материалам заседания гос. совета от августа 2023. Планируется до 2030 г. заменить 65000 старых городских автобусов. Это более 1,1трлн. руб. Старые автобусы будут меняться преимущественно на китайские и на отечественные (Камаз, Лиаз, ГАЗ) , но укомплектованные преимущественные китайскими агрегатами. По сути с экологической точки зрения старые автобусы стандартом ЕВРО4 будут меняться на ЕВРО5 и ЕВРО6. Т.е. уменьшаются выхлопы на 6-8%. В случае применения ПЭ автобусов выхлопы сократятся минимум в 3,5 раза. Это совершенно другой уровень экологической безопасности. А так как подразумевается ,что ПЭ автобусы целиком будут производиться в России, потраченный 1 трлн. рублей на обновление старого автобусного парка даст толчёк нашей экономике, а не китайской.
На международном рынке технология применяемая на ПЭ автобусе так же будет востребована, так как и в развитых странах идёт тенденция вытеснения дизельных автобусов газовыми и в меньшей степени электробусами. Ничего нового не предлагается. Пока в западных странах электробусы популярность не завоевали , так как на данный момент в составе автобусного парка Европы и Америки электробусы занимают не более 1,5% в силу их дороговизны и не эффективности. Складывается впечатление ,что огромный рынок городских автобусов в технологическом плане находится в оцепенении, так как не понимает куда надо двигаться.
Коммерческий электро транспорт (автобусы, грузовики) раскроет свой потенциал при двух условиях. 1) Удастся получить аккумулятор с плотностью энергии 1000Вт на кг (при условии хотя бы 5000 циклов, наличии очень быстрой зарядки , и цена должна быть не дорогой). Скорее всего это уже произойдёт в пост литиевую эпоху, так как сейчас достигнут скромный результат всего лишь 240 Вт на кг.
2) Должен произойти энерго переход. Т.е. аккумуляторы должны заряжаться исключительно зеленой энергией, без участия углеводородов.
Можно с уверенностью сказать, что эти события в ближайшие 15-20 лет не произойдут, ни у нас в стране ,ни в мире. Поэтому ,если не терять времени, то ПЭ автобус может стать доминирующей конструкцией как минимум на этот период со всеми вытекающими выгодами для нашей страны. Необходимо учесть что конструкция может развиваться.
В графе стоимость разработки я ставлю 1000 руб, что бы заполнить графу. Я не собираюсь на данном этапе продавать разработку, а хочу её довести до ума.
Другими словами что бы вывести из эксплуатации , например старый дизельный автобус стоимостью 16 млн. руб. потребуется два электробуса ( по паритету дневного пробега) общей стоимостью 140 млн. руб. Чтобы электробусы работали, нужны инфраструктурные кап. вложения в развёртывание сети зарядных станций и ещё потребуется дотации из бюджета на пассажирские перевозки электробусом, так как дневной пробег в два раза меньше, значит в два раза меньше перевезённых пассажиров, в два раза меньше дневная выручка. И при этом выбросы углекислого газа электробуса оказываются самыми большими. Абсурд-единственное подходящее слово.
Совершенно очевидно что нужно другое решение , которое будет и экономичным (стоимость автобуса 20-22 млн. руб. , дневной пробег не менее 400км, отсутствие необходимости в зарядных станциях), и экологичным ( эмиссия СО2 32-37 кг на 100км пробега). Именно такими характеристиками и будет обладать пневмо-электрический автобус. Именно эти характеристики определят потенциал коммерциализации такого продукта на Российском и международном рынке.
Эффективность ПЭ автобуса основывается на двух главных вещах. 1) Рекуперационной системе по производству энергии для питания тяговых электродвигателей и 2) Устранение основных недостатков теплового двигателя (который является сердцем системы производства эл. энергии ПЭ автобуса) по сравнению с обычным ДВС.
Малые расстояния между остановками в городах, частые торможения автобусов (светофоры , перекрестки, пешеходные переходы и т.д.) всё это говорит о эффективности именно рекуперационного способа передвижения. Т.е. при разгоне автобуса энергия тратится из хранилища ,а при торможении 40-50% энергии можно вернуть.
В состав рекуперационной системы пневмо-электрического городского автобуса входят 1)электро-пневматический разрезной задний мост, 2) ресивер для хранения сжатого воздуха давлением 7,5-8 атм. объёмом 20-22м куб. 3)Система трубопроводов для сжатого воздуха 4)Тепловой роторно-лопастной двигатель 5)Генератор на 110Квтч 6) Литий-ионная батарея небольшой ёмкости порядка 15Квтч (или может использоваться небольшой суперконденсатор) 7)инвертор с блоком управления.
В свою очередь задний мост ПЭ автобуса состоит из двух главных элементов: 2 -х асинхронных тяговых эл. двигателей на 75Квтч каждый (по одному на каждое колесо) и 14 компактных роторных компрессоров (по 7 шт в каждом колесе). Торможение ПЭ автобуса с замедлением до 2,2 м в секунду в квадрате (это 90-95 % всех торможений городского автобуса) происходит исключительно за счёт компрессоров. Количество включенных в работу компрессоров регулирует интенсивность замедления. Таким образом при нажатии на тормоз, задние колеса инерционно двигающийся ПЭ автобуса , приводят в движение компрессоры ,происходит плавное торможение с одновременным нагнетанием сжатого воздуха в ресивер. Полученный сжатый воздух перерабатывается в электроэнергию с помощью теплового роторно-лопастного двигателя и генератора. Особенность теплового двигателя ПЭ автобуса в том ,что он работает на сжатом воздухе и метане (у него нет такта сжатия). Полученная эл. энергия сохраняется в литий ионной батареи , которая собственно питает эл. двигатели ПЭ автобуса. На цифрах это выглядит так. Дистанция между остановками 450м. ПЭ автобус проходит 385м (разгон и равномерное движение) с помощью эл. двигателей и тратит на это 3500 Кдж энергии ,которые берутся из литий-ионной батареи . Затем перед остановкой ПЭ автобус тормозит компрессорами (дистанция торможения 65м).Полученный сжатый воздух во время стоянки автобуса на остановке (высадка-посадка пассажиров), роторно-лопастной двигатель в паре с генератором превращает в те же 3500Кдж энергии сохраняемые в литий-ионной батареи. Т.е. потраченная энергия возвращена.
Другими словами ПЭ автобус это тот же электробус в том плане ,что движение происходит за счёт эл. двигателей. Но отличие в том , что убирается слабое звено- дорогая неэффективная литий-ионная батарея, которая меняется на систему по производству эл. энергии на рекуперационном принципе.
За счёт чего достигается результат- в 3,5 раза сокращение выбросов СО2 ПЭ автобусом по сравнению со своими конкурентами? Это как раз происходит за счёт устранения основных недостатков поршневого ДВС. Какие же они 1) наличие КШМ , т.к. сила вращающая колен вал в среднем в 2,3 раза меньше силы давящей на поршень. 2) наличие такта сжатия (25-30% энергии топлива тратится на то что бы сжать воздух внутри теплового двигателя поршневого типа. 3) Маленькое плечо прикладывания силы при формировании крутящего момента (размер кривошипа колен вала очень мал и его нельзя увеличить , так как иначе ,шатун начнёт биться о стенки цилиндра). 4)Большое трение и необходимость в приводе большого кол-ва вспомогательных механизмов (газораспределение с мощными пружинами которые нужно сжимать, система смазки, система охлаждения, система электроснабжения и т.д.) 5) сжатие производится внутри теплового двигателя, это приводит к тому что атмосферный воздух сразу сильно нагревается при впуске соприкасаясь с раскалённым металлом. Это снижает термодинамические показатели. 6) Инерционные силы работают против поршневого ДВС , так как возвратно поступательное движение поршня меняет направление движения на противоположное каждые пол. оборота.
В конструкции роторно-лопастного двигателя ПЭ автобуса, который вращает ротор генератора , эти недостатки устранены. Можно сказать по другому. Если бы на месте роторно-лопастного двигателя ПЭ автобуса стоял бы обычный поршневой ДВС, то он на ту же работу тратил бы топлива в 3,5 раза больше (соответственно на эту величину было бы больше выхлопных газов).
Об объёме Российского рынка можно судить по материалам заседания гос. совета от августа 2023. Планируется до 2030 г. заменить 65000 старых городских автобусов. Это более 1,1трлн. руб. Старые автобусы будут меняться преимущественно на китайские и на отечественные (Камаз, Лиаз, ГАЗ) , но укомплектованные преимущественные китайскими агрегатами. По сути с экологической точки зрения старые автобусы стандартом ЕВРО4 будут меняться на ЕВРО5 и ЕВРО6. Т.е. уменьшаются выхлопы на 6-8%. В случае применения ПЭ автобусов выхлопы сократятся минимум в 3,5 раза. Это совершенно другой уровень экологической безопасности. А так как подразумевается ,что ПЭ автобусы целиком будут производиться в России, потраченный 1 трлн. рублей на обновление старого автобусного парка даст толчёк нашей экономике, а не китайской.
На международном рынке технология применяемая на ПЭ автобусе так же будет востребована, так как и в развитых странах идёт тенденция вытеснения дизельных автобусов газовыми и в меньшей степени электробусами. Ничего нового не предлагается. Пока в западных странах электробусы популярность не завоевали , так как на данный момент в составе автобусного парка Европы и Америки электробусы занимают не более 1,5% в силу их дороговизны и не эффективности. Складывается впечатление ,что огромный рынок городских автобусов в технологическом плане находится в оцепенении, так как не понимает куда надо двигаться.
Коммерческий электро транспорт (автобусы, грузовики) раскроет свой потенциал при двух условиях. 1) Удастся получить аккумулятор с плотностью энергии 1000Вт на кг (при условии хотя бы 5000 циклов, наличии очень быстрой зарядки , и цена должна быть не дорогой). Скорее всего это уже произойдёт в пост литиевую эпоху, так как сейчас достигнут скромный результат всего лишь 240 Вт на кг.
2) Должен произойти энерго переход. Т.е. аккумуляторы должны заряжаться исключительно зеленой энергией, без участия углеводородов.
Можно с уверенностью сказать, что эти события в ближайшие 15-20 лет не произойдут, ни у нас в стране ,ни в мире. Поэтому ,если не терять времени, то ПЭ автобус может стать доминирующей конструкцией как минимум на этот период со всеми вытекающими выгодами для нашей страны. Необходимо учесть что конструкция может развиваться.
В графе стоимость разработки я ставлю 1000 руб, что бы заполнить графу. Я не собираюсь на данном этапе продавать разработку, а хочу её довести до ума.
Что уже сделано?
Есть три патента относящиеся к этой теме. Но они отражают раннюю стадию развития проекта , поэтому я не отражаю их номера. При запросе могу предоставить. На данный момент есть рабочие чертежи в солидворксе, роторно лопастного двигателя, роторного компрессора, заднего моста в сборе.На что планируется потратить денежные средства?
Что бы произвести опытный образец хотя бы роторно-лопастного двигателя (по сути самый сложный элемент ПЭ автобуса), требуется прогнать рабочие чертежи через профессиональное конструкторское бюро. Необходимо провести аудит конструкции, внести необходимые конструктивные доработки (как говорится одна голова хорошо, а две или пять лучше). Возможно совместными усилиями удастся упростить конструкцию, наполнить её большим количеством стандартных элементов. Выставить все шероховатости, все допуски посадки , просчитать более детально нагрузки на отдельные элементы, учесть тепловые расширения, подобрать типы сталей (или сплавов) на элементы наиболее нагруженные и т.д. Вот такие мероприятия. Собственными силами я не смогу это сделать, только усилиями профессионального коллектива эти задачи можно порешать . Ну и следующий этап - производство прототипа роторно лопастного двигателя. Затем по этому же сценарию доработка остальных элементов ПЭ автобусаФинансово-экономическая часть проекта
По все видимости имеется ввиду стоимость мероприятий по доработке чертежей и производства прототипа? Если честно, не знаю точно сколько это будет стоить. По всей видимости. Доработка где то - 1.5 млн руб. А производство прототипа роторно лопастного двигателя 3-5 млн. руб. Одна Питерская фирма (КБ) заинтересовалась проектом, буду с ними общаться и проясню эти вопросы.Патенты
JP1733258
JP1733258