fizica si automobilul viitorului - poiect

22
Facultatea de Transporturi – Universitatea Politehnica Bucuresti Fizica si automobilul viitorului

Upload: andrei-mares

Post on 17-Feb-2015

85 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

Proiect fizica anul I - Facultatea de transporuri!

TRANSCRIPT

Page 1: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Facultatea de Transporturi – Universitatea Politehnica Bucuresti

Fizica si automobilul viitorului

Mares Andrei

Grupa 8102

Page 2: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Cuprins

Masina viitorului..........................................................................3

Principiul de functionare.............................................................5

Baterii intregrate ins asiu............................................................6

Modul de incarcare ....................................................................8

Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din perspectiva

aerodinamicii..............................................................................8

Elemente de stabilitate...............................................................9

Viitorul BMW ActiveE...............................................................10

Concluzii...................................................................................14

2

Page 3: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Tehnologiile utilizate pentru construirea masinilor viitorului includ noi surse de energie

si materii prime, ce sunt dezvoltate pentru a face automobilele mai fiabile,mai sigure si mai

eficiente ori mai putin poluante.

Masina viitorului

Majoritatea marilor producatori auto au dezvolatat concepte de masini ale

viitorului.Un prototip de masina a viitorului il constituie conceptul BMW ActiveE.BMW

ActiveE imbina caracterul sportiv cu atentia deosebita la detalii.Aceasta constituie o evolutie

a modelelor coupe traditionale ale marcii BMW si este prevazut cu tehnologii inovatoare.

De-a lungul deceniilor BMW a facut din reducerea emisiilor si a consumului de

carburant un punct-cheie in strategia de dezvoltare,ajungand chiar la eliminarea acestora

prin acest nou model inovator – BMW ActiveE.

Conceptul BMW ActiveE demonstreaza faptul ca obiectivele EfficientDynamics reprezinta in

realitate cerinte obligatorii pentru automobilele viitorului.

BMW ActiveE are patru locuri,si portbagaj cu capacitatea de 200L si poate atinge o

viteza maxima de 220 de km/h.

Viteza,cuplul,acceleratia

3

Page 4: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

v = 2πrω/Ggk, unde

v = Viteza (ms-1)

r = Diametrul exterior al cauciucului (m)

ω = Turatia motorului (s-1)

G = Raportul diferentialului (fara unitate de masura)

gk = Treapta k de viteza (fara unitate de masura)

Viteza maxima avand un raport ideal al treptelor de viteza:

Γ(ω)Ggk 1

------------ = -- cdAρv2

r 2

cd = Coeficientul de rezistenta la inaintare (fara unitate de masura)

A = Aria suprafetei frontale a automobilului (m2)

ρ = Densitatea aerului (kgm-3)

v = Viteza automobilului (ms-1)

Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)

Inmultim ambii membri cu v, unde v = 2πrω/Ggk :

Γ(ω)Ggk 2πrω 1

------------- × ------- = -- cdAρv2

r Ggk 2

2πΓ(ω)ω = 0.5cdAρv3

Puterea P = 2πΓ(ω)ω, avem deci

P = 0.5cdAρv3

( 2P ) ^(1/3)

4

Page 5: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

v = ( ------- )

( cdAρ )

Un motor electric de performanta inalta ofera multa putere si dinamica la conceptul

BMW ActiveE.Cu 120 kW(170CP) si cuplu de 250 Nm,Coupe-il accelereaza de la 0 la 60

km/h in 4,5 sec. Si la 100 km/h dupa inca 4 secunde.Bateria litiu-ion , motorul si electronicele

dezvoltate expert inlocuiesc motorul cu combustie ,transmisia si rezervorul.Astfel se ofera un

echilibru dinamic si suficient spatiu.Doar dupa aprozimativ 160 km va fi nevoie sa incarcati

bateria si in doar 3 ore Conceptul BMW ActiveE este gata pentru urmatoarea aventura.

P = 2πΓ(ω)ω,

P = Puterea generata de motor (Js-1)

Γ(ω) = Cuplul generat de motor la turatia ω a motorului (Nm)

ω = Turatia motorului(s-1)

Principiul de functionare

Creeaza placerea de a conduce , nu emisii.Amprentele conceptului BMW ActiveE

sunt tractiunea spate caracteristica BMW si motorul electric puternic.125kW (170CP) si

250Nm asigura perfomanta dinamica.Mai mult, motorul electric serveste si ca generator si

incarca bateria folosind energia cinetica , de indata ce conducatorul auto ia piciorul de pe

acceleratie .La condusul urban,se poate folosi doar acest motor pentru franare , in 75% din

toate situatiile.Franarea clasica este aproape inutila.Rezultatul:distanta parcursa de

Conceptul BMW ActiveE creste cu pana la 20% si va permite sa va bucurati de o placere de

a conduce fara emisii de 160 km ,in medie.Folosirea sistemelor de incalzire sau de aer

conditionat reduce usor distanta ce poate fi parcursa , in timp ce utilizarea optima a

autovehiculului o creste.

Conceptul de condus electriceDrive uneste placerea de a conduce cu tehnologia

viitorului.Baza este BMW Seria 1 Coupe, al carui motor convetional este inlovuit de

eDrive.Acesta e alcatuit din 3 parti:un motor electric compact sincronic pe puntea spate si cu

125kW(170Cp), 250 Nm si o gama impresionanta de viteze.Bateria litiu-ion racita pe baza de

lichid, dezvoltata de BMW care ofera manevra neutra.Si unitatea de control al motorului care

ubcarca bateria pana la 125 kW in timpul franarii.Energia pentru Conceptul BMW ActiveE e

deja disponibila de exemplu in parcurile auto.

La frana de motor sau la franare, motorul electric actioneaza ca generator de energie

electrica pentru acumulatorul litiu-ion din masina. Energia dezvoltata in acest mod este

5

Page 6: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

generata fara vreun consum suplimentar de combustibil, folosind la maximum principiul

sistemului de recuperare a energiei la franare (Brake Energy Regeneration), disponibil la

actuala gama de modele BMW.Energia consumata la franare in cazul unui automobil

conventional este astfel economisita.

Un al doilea motor electric actioneaza pentru puntea fata. Acest propulsor – un motor

hibrid sincron – ofera o putere permanenta de 60 kW si un varf al cuplului de 220 Newton-

metri. Un plus de putere de pana la 84 kW este disponibil pentru o perioada de pana la 30 de

secunde, in timp ce pentru 10 secunde motorul electric este capabil sa dezvolte 104 kW.

Puterea este transmisa prin intermediul unei cutii de viteze in doua faze, cu o singura treapta

cu raport redus.

In functie de conditiile de trafic sau de stilul de condus, cele doua motoare electrice

pot fi utilizate amandoua pentru accelerare sau pentru recuperarea energiei la franare sau la

folosirea franei de motor.

Acest principiu asigura un nivel ridicat de eficienta pentru gestiunea energiei, pentru

utilizarea la maxim a resurselor acumulatorului cu litiu-ion ramane. La accelerare, motoarele

electrice aduc un plus de performanta si asigura o reactie spontana si directa, precum si o

reducere semnificativa a consumului.

Baterii integrate in sasiu

Celulele de energie disponibile la BMW ActiveE sunt gazduite de un element al

sasiului, din fata pana in spate, pe mijlocul masinii. BMW ActiveE dispune de 98 de celule

6

Page 7: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

litiu-ion, fiecare cu o capacitate de 30 A/h, si dezvolta o intensitate de 600 A la o tensiune de

3,7V.

Pentru un interval de 30 de secunde fiecare celula este capabila sa dezvolte o

intensitate maxima de 1.200 A.

Dispunerea in serie a celulelor litiu-ion contribuie la generarea unei tensiuni nominale

de 364 V, iar capacitatea bruta de stocare a acumulatorului este de 10,8 kW/h.

Prin faptul ca ofera o capacitate neobisnuit de mare de descarcare (80%), bateria furnizeaza

8,6 kW/h pentru condusul automobilului.

Masa totatala a sistemului de stocare este de numai 85 kg. Prin constructie, modul de

utilizare si calitatile acumulatorului litiu-ion, este redusa incalzirea bateriei, fara a mai fi

nevoie un sistem de racire.

Modul de incarcare

Sistemul se poate incarca de la o sursa de putere conventionala. Recuperarea

energiei franelor transfera constant puterea electrica generata, in timpul condusului fara

7

Page 8: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

consum suplimentar de combustibil, catre acumulator, care ulterior poate fi utilizata la

furnizarea puterii atat spre motoarele electrice, cat si spre reteaua de bord. Statiile publice de

incarcare si sistemele personale incarca bateria complet in doar 3 ore.E disponibila si o

aplicatie inteligenta pentru Smartphone ce ofera informatii despre nivelul bateriei,distanta si

urmatoarea statie de incarcare si serveste ca telecomanda pentru sistemele de incalzire si

aer conditionat ale autovehiculului.

O alta optiune este aceea de a conecta celulele litiu-ion la o sursa conventionala de

curent pentru un proces simplu si eficient de incarcare, prin utilizarea conectorului plug-in din

aripa dreapta fata a masinii. Conectat la o sursa clasica de curent, spre exemplu o priza din

casa (220 V, 16 A), sistemul are nevoie de maximum doua ore si jumatate pentru incarcarea

celulelor litiu-polimer. Iar atunci cand este disponibila o sursa de curent cu tensiune si

amperaj mai mari (380 V, 32 A), timpul de incarcare este mult mai scurt, cel mult 44 minute.

Pe langa facilitatile de stocare a energiei electrice, ActiveE dispune si de un rezervor

conventional in partea din spate a tubului central al sasiului, cu o capacitate de 38 litri.

Aplicatii tehnologice inovative si imbunatatiri din perspectiva aerodinamicii

Cu o inaltime de numai 1,50 metri si o linie arcuita a acoperisului. Prin montarea

motorului in fata puntii spate, designerii au reusit sa construiasca o parte frontala mult

coborata si foarte subtire. Aerodinamica este influentata de fantele active ale radiatorului,

care se pot inchide complet atunci cand nu este nevoie de o putere mare de racire.

Aceasta functie eficienta are la baza controlul activ al flapsurilor grilei radiatorului,

parte a strategiei BMW ActiveE utilizata la multe din modelele ale actualei game de masini

Mercedes.

Partea de dedesubt a masinii este complet acoperita. Se mentine astfel o suprafata

lina care evita realizarea oricarui curent turbionar ce poate creste consumul de combustibil.

Fantele subtiri din spoilerul fata ghideaza curentul prin doua galerii inchise catre pasajele

rotilor, unde aerul iese printr-o fanta foarte subtire, chiar langa flancurile exterioare ale

pneurilor. Acest jet de aer ramane pe rotile fata precum o cortina, ca o perdea de aer cu un

pronuntat efect stabilizator.

8

Page 9: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Pentru a optimiza suplimentar calitatile aerodinamice ale intregului automobil, BMW

ActiveE este echipat cu pneuri si jante de dimensiuni neobisnuite pentru o masina eleganta

dar si cu un caracter sportiv accentuat. Pneurile masoara 205/65 in raport latime-inaltime, in

timp ce jantele de 21 de toli ofera o suprafata de contact cu soseaua care altfel este

disponibila doar la cauciucurile mai late.Aceasta masina este foarte stabila datorita si

sistemelor electrice integrate precum ESP ( ELECTRONIC STABILITY CONTROL).

Elemente de stabilitate

Cu o lungime de 4,80 metri, o latime de 1,90 metri si o inaltime de 1,50 metri, masina

ofera spatiu suficient pentru patru pasageri si bagajele acestora. Prin folosirea materialelor

ultrausoare, masa automobilului este limitata la 1.450 kg, iar centrul de greutate ramane mult

coborat, contrar confortului si dinamicii oferite.

9

Page 10: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Cand masina se afla in inertie:

LrWr = LfWf

Lr = distanta dintre centrul de greutate si puntea spate

Wr = greutatea puntii spate

Lf = distanta dintre centrul de greutate si puntea fata

Wf = greutatea puntii fata

Stim ca

Wf + Wr = mg

m = masa

g = atractia gravitationala

Greutatea pe fiecare roata este:

Wf = mgLr / (Lf + Lr)

Wr = mgLf / (Lf + Lr)

Viitorul BMW ActiveE

Un obiectiv al inginerilor BMW a fost, oriunde era posibil, sa reduca suplimentar

pierderea de energie – aflata inca la un nivel substantial – chiar si la cele mai eficiente

motoare cu combustie.

Acesta este motivul pentru care un generator termoeletric (TEG), racit cu apa, a fost

integrat in sistemul de evacuare al BMW ActiveE, contribuind la transfomarea unei parti

importante a energiei termice inmagazinata in emisiile evacuate, in energie electrica.

10

Page 11: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Aceasta tehnologie, folosita initial pentru alimentarea satelitilor, utilizeaza efectul Seebeck,

care genereaza o tensiune la diferenta de temperatura intre doi conductori metalici.

Efectul Seebeck constă în apariţia unei tensiuni termoelectrice (Seebeck) în

conductoare de natură diferită, ale căror jonctiuni se găsesc la temperaturi diferite.

Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor şi de gradientul de temperatură.

Fizica statistica cuantica si teoria cuantica a solidului au aratat ca pentru electronii

dintr-un solid (în particular metal) energia se poate reprezenta sub forma unor nivele

energetice discrete, într-o groapa de potential, nivelul de energie maxima fiind nivelul Fermi

(la 0 K).

Pentru ca electronii sa fie scosi din metal în vid, acestora trebuie sa li se comunice o

energie de extractie We , care difera de la electron la electron, cea mai mica fiind pentru

electronii cu energia în apropierea energiei Fermi.

Daca adâncimea gropii de potential a metalului este W , atunci

Energia de extractie depinde de natura metalului, slab de temperatura si foarte

puternic de starea suprafetei metalului.

Consideram doua metale diferite, MA si MB , care au valori diferite ale energiilor de

extractie (deci a nivelelor Fermi si a adâncimii gropii de potential).

11

Page 12: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Când cele doua metale sunt puse în contact, au loc procese tranzitorii, care constau

dintr-un schimb reciproc de purtatori, pâna la obtinerea starii de echilibru.

Se poate arata ca starea de echilibru e atinsa când nivelele Fermi se egaleaza.

Dacå W WeA eB , FB FA , numarul de electroni care trec din MB în MA va fi

mai mare decât numarul de electroni care trec din MA în MB ; MB va saraci în purtatori

(electroni), încarcându-se pozitiv (si nivelul sau Fermi va coborî) iar MA se va îmbogati în

electroni încarcându-se negativ (si nivelul sau Fermi va urca). La egalizarea nivelelor Fermi,

schimbul de electroni înceteaza, diferenta de potential care apare opunându-se trecerii în

continuare a electronilor.

Daca cele doua metale au concentratii diferite de electroni, se poate arata ca

diferenta de potential de contact între cele doua metale va fi

UW W

e

kT

e

n

neA eB B

A

ln

Aparitia diferentei de potential de contact a fost semnalata de cåtre Volta, dar tot el a

aratat ca, într-un circuit închis, care consta din diferiti conductori metalici aflati la aceeasi

temperaturå, diferenta de potential de contact nu poate fi o sursa de tensiune

electromotoare.

Daca însa sudurile (contactele) metalelor din circuit au temperaturi diferite, în circuit

apare o tensiune electromotoare - tensiunea termoelectromotoare sau tensiunea Seebeck.

Fie un circuit închis format din douå metale, ale caror suduri 1 si 2 sunt mentionate la

temperaturile T1 , respectiv T2

UW W

e

kT

e

n

neB eA A

B1

1

ln

UW W

e

kT

e

n

neA eB B

A2

2

ln

Tensiunea electromotoare în circuit (presupunând cå W W n neA eB A B, , , depind slab de

temperatura):

12

Page 13: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

E U Uk

eT T

n

nA

B1 2 1 2 ln

Sau E T T1 2 Cu

k

e

n

nA

Bln

numit coeficient Seebeck.

Teorii mai complexe considera ca aparitia tensiunii termoelectromotoare e rezultatul a

3 efecte fundamentale: formarea unui flux ordonat de purtatori datoritå gradientului de

temperatura, variatiei nivelului Fermi în functie de temperatura si schimbului de energie între

electroni si vibratiile retelei cristaline. Rezultatul final este asemanator, cu deosebirea ca

depinde si de temperatura. La metale simple la temperatura camerei e de câtiva

microvolti/°C, astfel încât la o diferenta de temperatura între suduri de 100 °C se obtine o

tensiune termoelectromotoare de ordinul milivoltilor.

Efectul Seebeck are aplicatii la confectionarea termocuplelor - dispozitive folosite la

masurarea temperaturilor.

Dacå T0 este temperatura sudurii reci si este mentinuta constanta (de obicei prin

introducerea ei într-un amestec de apa cu gheata), tensiunea termoelectromotoare va fi

functie numai de temperatura suduri calde

E Tf

Daca se masoara experimental valorile tensiunii E la diferite temperaturi si se

reprezinta într-un sistem de axe perechile de valori Ei iT , se obtine o curba numita curba

de etalonare a termocuplului.

Un ansamblu de termocuple conectate in serie alcatuiesc o baterie termoelectrica ce

este construita pentru a creste voltajul la iesire din moment ce voltajul la intrare al fiecarui

termocuplu este mic.

Acesta este totodata principiul pe care se bazeaza termodiodele si generatoarele

termoelectrice utilizate pentru a crea putere din caldura diferentialului.

La prototipul BMW ActiveE, generatorul termoelectric, dezvolta o putere maxima de

pana la 200 W.

13

Page 14: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

Galeriile si conductele sistemului de evacuare sunt concepute, in acest caz, pentru a

mentine toata puterea si caracteristicile specifice motorului cu combustie chiar si atunci cand

se foloseste acest sistem de generare.

Componentele individuale ale sistemului de la bordul BMW ActiveE sunt

interconectate, existand premisele pentru implementarea unui sistem avansat pentru

gestiunea energiei, prin utilizarea informatiilor culese de senzorii de la unitatile de asistenta a

conducatorului montate in automobil.

Datele furnizate, spre exemplu, de senzorul de ploaie,de senzorul de lumini sau de

Active Cruise Control (tempomatul activ) cu functia Stop & Go, precum si de sistemul de

navigatie, sunt analizate ulterior de unitatea centrala de control. Prin evaluarea acestor date,

computerul de bord este capabil sa prevada stilul de condus pe urmatoarea zona de drum,

aceste calcule contribuind la pregatirea automobilului pentru cerintele viitoare si eficientizand

utilizarea energiei disponibile prin operarea optima a tuturor sistemelor.

In cazul in care computerul central superperformant stabileste ca, de exemplu,

conducatorul va intra pe o autostrada, puterea utilizata pentru sistemul de racire este redusa

din timp pentru o anumita perioada, de la premiza ca o scurta crestere a temperaturii de

racire, ce rezulta dintr-o asemenea masura de economisire a energiei, va fi eliminata rapid la

o viteza mai mare a masinii pe autostrada. Un alt exemplu al acestei preconditionari este

recuperarea energiei de la aerul conditionat, de la EPS Electronic Power Steering

(servodirectie electronica) si de la Brake Assistant (asistarea franelor).

Concluzii Masinile viitorului vor fii mult mai eficiente si mult mai sigure datorita dezvolatarii

continue a noi sisteme de siguranta.Se poate spune ca vor fi niste „prieteni” ai mediului

natural inconjurator.

Tehnologiile utilizate de catre BMW in proiectarea acestui concept-car prezinta

evolutia cunostintelor stiintifice, fizica ocupand un loc primordial in evolutia constructiei de

automobile.

Evolutia tehnologiei precum si posibilele noi descoperiri in domeniul fizicii vor putea

face realizabile proiecte ca AHS. AHS sau Smart Road este proiectul unui sistem de

transport inteligent, proiectat pentru masinile fara sofer. Scopul sau ar fi acela de a diminua

congestia traficului prin reducerea distantelor intre diverse puncte-cheie.

In una din scheme proiectului, carosabilul are tepuse de otel inoxidabil magnetizate,

dispuse la un metru de centrul drumului. Automobilul „simte” tepusele pentru a-si masura

viteza si a se localiza fata de centrul drumului. Aceste tepuse pot fi avea fie polul negativ fie

14

Page 15: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

cel pozitiv orientat in sus. Autostrada ar ingloba mici cantitati de date digitale ce descriu

interschimbarile, vitezele recomandate etc.

Automobilele ar urma sa aiba asigurat controlul directiei si al vitezelor de catre un

computer. Acestea se organizeaza in „plutoane” de masini (intre 8 si 25). Acestea se vor afla

la o distanta de 1 metru unele fata de celelalte pentru a minimaliza rezistenta opusa de

aer.Distanta dintre plutoane este distanta conventionala de franare. In cazul unei coliziuni

numarul maxim de masini avariate este un pluton.

Proiectul AHS a luat nastere in cadrul unei echipe de la The Ohio State Univeristy.

Primul lor autovehicul automat a fost construit in 1962 si se presupune ca a fost primul

vehicul de uscat caruia i s-a inglobat un calculator. Directia, franarea si viteza erau controlate

prin elemente electronice ce ocupau aproape intreg spatiul autoturismului.

Proiectul PATH este un prototip de autostrada automatizata ce a fost testat in San

Diego, California in 1991. In ciuda succesului tehnic inregistrat, investitiile s-au transferat mai

mult catre realizarea de automobile „inteligente” decat spre realizarea unei infrastructuri

corespunzatoare.

Sistemul AHS plaseaza senzori in masina ce pot citi semnalizari si doteaza masinile

cu radar si mijloace de comunicare inter-automobile, pentru a permite acestora sa se

organizeze fara interventia soferilor. Sisteme similare de autopilot adaptiv sunt dezvoltate de

Mercedes-Benz, Bmw, Toyota si Volkswagen. Sistemul utilizează ori un radar ori un laser

pentru a permite vehiculului să încetinească atunci când se apropie de alt vehicul şi să

accelereze apoi la viteza presetată atunci când condiţiile de trafic o permit.

Schema pentru autopilotul adaptiv. Vehiculul roşu urmează automat celui albastru.

Un alt element ce se va implementa automobilelor viitorului il

reprezinta sistemul precoliziune. Acesta este un sistem de siguranta ce

are scopul de a reduce pagubele unui accident. Cel mai popular tip de

sistem este acela ce foloseste un radar si uneori lase pentru a detecta o

15

Page 16: Fizica Si Automobilul Viitorului - poiect

coliziune frontala iminenta. In functie de sistem poate avertiza soferul,

pregati franele ori calibra centurile de siguranta si frana partial sau

total pentru a minimza severitatea colizunii. In 2009 NHTSA(National

Highway Traffic Safety Administration, agentie a Guvernului SUA

din Departamentul de Transporturi ) a initiat un studiu pentru a vedea

daca sistemul de avertizare in cazul colizunilor frontale trebuie sa

devina o cerinta obligatorie pe viitor.

Bibliografie

1. www.matefiz.org

2. www.bmw.ro

3. http://www.futurecars.com

4. http://www.physics.pub.ro/Referate/BN119/Efectul_SEEBECK.pdf

16