Автомобілі з гібридною трансміссією і комбінованою енергетичною установкою (148491)

Посмотреть архив целиком

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ


Вступ

1. Аналіз покращення паливно-економічних й екологічних показників автотранспортних засобів

1.1 Проблеми екології й паливної економічності автотранспорту

1.2 Перспективні шляхи покращення паливної економічності й екологічних показників автомобілів

1.2.1 Послідовна схема

1.2.2 Паралельна схема

1.3 Висновки, постановка мети і задач роботи

2. Опис дослідної комбінованої енергетичної установки

2.1 Короткий опис і характеристика основних складових автомобіля з КЕУ

2.1.1 Двигун внутрішнього згоряння

2.1.2 Механізм розподілу потужності

2.1.3 Генератор

2.1.4 Електродвигун

2.1.5 Інвертор

2.1.6 Батарея

3. Дослідження механічних, електричних і експлуатаційних характеристик комбінованої енергетичної установки

3.1 Дослідження робочих характеристик транспортного засобу

3.1.1 Дослідження робочих характеристик

3.1.2 Дослідження, що характеризують роботу підвищувального конвертера транспортного засобу

3.1.3 Ділянки їздового циклу, що характеризують роботу конвертера

3.2 Робочі характеристики підсистем і дослідження їх ефективності

3.2.1 Дослідження електродвигуна, при блокуванні ротора

3.2.2 Вимірювання зворотної ЕРС

3.2.2.1 Випробування електродвигуна

3.2.2.2 Випробування генератора

3.2.3 Вимірювання втрат потужності в гібридній системі приводу

3.3 Випробування системи гібридного приводу за ефективністю основних елементів

3.3.1 Опис лабораторного обладнання

3.3.2 Загальний план випробувань і перевірки результатів

3.3.3 Випробування системи електродвигун-інвертор і карти їх ефективності

3.3.4 Випробування підвищувального конвертера і карти його ефективності

4. Дослідження характеристик комбінованої енергетичної установки

4.1 Місця розташування термопар

4.2 Опис лабораторної установки

4.3 Опис джерела для живлення навантажувального електродвигуна

4.4 Теплові дослідження КЕУ

5. Основні результати і висновки

5.1 Отримані результати і спостереження

5.2 Висновки щодо важливості дослідження

Список використаних джерел

Додатки


ВСТУП


Вичерпання природних енергетичних ресурсів і глобальне забруднення навколишнього середовища шкідливими промисловими відходами, у великій мірі пов'язане з постійним ростом світового автомобільного парку, робить актуальною проблему створення екологічно безпечних з мінімальною витратою енергії автотранспортних засобів. Запаси нафти, по оцінках американських фахівців, можуть бути вичерпані вже до 2020 року. Це підтверджується стабільним ростом цін на нафту й все більше прагнення заміни її на газоподібні й інші альтернативні джерела енергії.

Основна частка світового автомобільного парку концентрується у великих містах і промислових мегаполісах, що веде до екологічної напруженості й , як наслідок, до екологічних катаклізмів, наприклад, у вигляді фотохімічного «смогу». Двигуни внутрішнього згоряння традиційних транспортних засобів практично 90% часу експлуатуються на несталих режимах роботи, крім цього, рух автотранспорту в міських зонах з обмеженими пропускними можливостями спричиняє використання тільки незначної частини потенційної потужності двигунів. Сучасні автотранспортні засоби використовують потужність, що складає близько 30‑ 50% від номінальної. При гальмуванні втрачається від 15 до 60% кінетичної енергії, переданої автомобілю двигуном. Якщо цю енергію акумулювати й потім використати в режимах руху з перевантаженням, то можна заощадити до 30% палива. Перераховані фактори є визначальними в зниженні ефективності роботи традиційних енергетичних установок автотранспортних засобів з погляду витрати палива й викидів шкідливих речовин.

Тому необхідність у створенні автотранспортних засобів, що використають альтернативні енергоустановки, стає усе більше актуальною.

Найбільш перспективними, безсумнівно, є енергоустановки, що використовують у якості палива водень, запаси якого в природі невичерпні й при його згорянні не утворюють шкідливі викиди. Однак тільки до 2020-2025 років буде реально створена інфраструктура одержання, зберігання, транспортування й заправлення воднем масового автотранспорту. У зв'язку із цим провідні виробники автотранспортних засобів прийняли концепцію створення екологічно чистого автомобіля у дві стадії. На першій стадії передбачається створення автотранспортних засобів (АТЗ) з комбінованою енергетичною установкою (КЕУ), що включає двигун внутрішнього згоряння, з перспективою переходу його живлення на водень або синтез-газ, і на другій стадії АТЗ із електрохімічним генератором (ЕХГ) на базі паливних елементів «водень-повітря».

Комбінована енергетична установка здатна забезпечити роботу ДВЗ на режимах його найбільшої ефективності. У цей час у ряді країн ведуться роботи зі створення транспортних засобів, що використовують КЕУ, до складу яких входять ДВЗ і буферний накопичувач енергії. Застосування буферного накопичувача енергії дозволяє забезпечити роботу ДВЗ у незалежності від режиму руху автомобіля й тим самим забезпечити роботу ДВЗ на його самих сприятливих режимах. Даний напрямок одержав останнім часом досить бурхливий розвиток і поступово завойовує автомобільний ринок.

Проте при значному ступені вивченості такого типу енергоустановок, у цей час ще далеко не розкриті всі потенційні можливості таких схем. Ключовою ланкою в роботі з досягнення максимальної ефективності комбінованої енергоустановки є алгоритми керування вузлами й агрегатами КЕУ, зокрема алгоритм керування ДВЗ, організація його роботи в складі КЕУ й визначення необхідних технічних вимог до ДВЗ. Ці питання на сьогоднішній день є актуальними й до кінця не вирішеними.


1. АНАЛІЗ ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНО-ЕКОНОМІЧНИХ Й ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ


1.1 Проблеми екології й паливної економічності автотранспорту


Автомобільний транспорт у Україні й за кордоном є основним забруднювачем навколишнього середовища. Вплив автотранспорту на навколишнє середовище багатосторонній, він містить у собі енергетичні забруднення, такі як шум, вібрація, електромагнітні випромінювання, й матеріальні (газоподібні, рідкі й тверді).

Викинуті в атмосферу гази, що містять шкідливі речовини, роблять згубний вплив не тільки на природу, але й на здоров'я людей. Компоненти, що входять до складу відпрацьованих газів автомобілів, викликають зниження процесу утворення гемоглобіну в крові й постачання організму киснем, викликають роздратування органів дихання, сприяють зміні нервової системи.

Середня тривалість життя українців — всьго лише 67 років (для порівняння: французи живуть у середньому 79,2 роки, а японці — 80,9 років). Ця невтішна для нас статистика пояснюється тим, що повітря, яким ми дихаємо, дуже забруднене. Причому близько половини отруйних речовин потрапляє в атмосферу з випускних труб автомобілів.

У разі повного згоряння вуглеводнів кінцевими продуктами є вуглекислий газ (СО2) і водна пара. Однак у будь-якому вуглеводневому паливі міститься безліч домішок, що аж ніяк не покращують властивості відпрацьованих газів. Усього до складу викидів газів автомобілів входить більш ніж 200 різних хімічних речовин. Повного їхнього згорання досягти технічно неможливо.

Особливостями роботи автомобільних двигунів є перемінні навантаження, тобто періодичні зміни режиму роботи: марний хід, розгін, помірний рух і гальмування. Найвища концентрація оксиду вуглецю (СО) у відпрацьованих газах спостерігається під час роботи двигуна на марному ході і в разі підвищених навантажень. Коли двигун працює на марному ході, вміст оксиду вуглецю у випускних газах може вдвічі перевищувати показник ніж при сталому режимі. Але, разом з тим, коли автомобіль пришвидшується і рухається зі сталою швидкістю, у відпрацьованих газах відзначаються найбільші концентрації оксидів азоту. Склад викидів дизельних двигунів відрізняється від бензинових. У дизельному відбувається повніше згоряння палива. При цьому утворюється менше оксиду вуглецю і незгорілих вуглеводнів. Але, разом з цим, за рахунок надлишку повітря, в дизелі утворюється більша кількість оксидів азоту. Крім того, дизельні двигуни характеризуються ще й підвищеною димністю. Важливою особливістю викидів дизельних автомобілів є вміст канцерогенних поліциклічних ароматичних вуглеводнів, серед яких найбільш шкідливим є бензапірен. Останній, так само як і свинець, належить до забруднюючих речовин першого класу небезпеки. Під час згоряння 1 кг бензину може виділятися більш 500 м3 забруднюючих речовин, і близько 50 м3 - при згорянні 1 кг дизельного палива.

До найбільш небезпечних забруднювачів повітряного басейну міста належать важкі метали, бо вони здатні непомітно накопичуватися в організмі людини. До складу відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння входять сотні шкідливих компонентів. Всі шкідливі речовини, що викидаються двигуном, можна розділити по впливові на навколишнє середовище на три групи: нейтральні, неотруйні і отруйні. До нейтральних, які не порушують фізичних властивостей атмосфери, можна віднести азот, тому що в процесі виконання робочого циклу кількість азоту, що відбирається з атмосфери й повертається в неї, практично не змінюється. Відпрацьовані гази містять, крім того, незначну кількість водню, а також кисень, який по тих або інших причинах не брав участь у реакції.

До неотруйних компонентів відпрацьованих газів відносять компоненти, що роблять непрямий негативний вплив на властивості атмосфери. Ці компоненти є причиною екологічних катастроф, таких як утворення фотохімічного "смогу", "парникового ефекту", "озонових дір". До них можна віднести двоокис вуглецю, кисневмісні вуглеводні, метан.

До отруйних речовин відносять оксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні, у тому числі ароматичного ряду, різного типу кислоти, сполуки свинцю, сірки й дисперсні частки. Ці речовини роблять прямий негативний вплив на організм людини й навколишнє середовище. Найнебезпечніші поліциклічні ароматичні вуглеводні, що володіють канцерогенною активністю.

Збільшення парку автомобілів приводить до росту споживання палив нафтового походження, що приводить до вичерпання невідновних запасів вуглеводневої сировини. Подальше вдосконалювання традиційних схем автотранспортних засобів (далі АТЗ) на основі двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на вуглеводневих паливах, уже не може забезпечити перспективні нормативні екологічні вимоги, що практично виключають викид шкідливих речовин енергетичною установкою транспортного засобу, а також значне скорочення витрати палива. Необхідні нові рішення й конструкції, які дозволять забезпечити необхідну чистоту й паливну економічність.


1.2 Перспективні шляхи покращення паливної економічності й екологічних показників автомобілів


Найбільш перспективним напрямком визнане використання, як енергоустановки, паливних елементів, а як паливо – водень. Водень має надзвичайно високу енергоємність (майже в три рази більше, ніж у традиційних нафтових палив), унікальні кінетичні характеристики. Крім цього, продукти згоряння водню не містять шкідливих компонентів. Існує кілька варіантів використання водню на борті автомобіля. У першу чергу слід зазначити можливість якісного регулювання паливоповітряної суміші в дуже широких межах (аж до значень коефіцієнта надлишку повітря 3...4), що відкриває перспективи істотного покращення економічності двигуна. Використання водню як добавки до традиційного нафтового палива також може бути розглянутим. І, нарешті, використання водню як сировини для електрохімічного перетворення енергії в паливному елементі, може забезпечити самі строгі перспективні норми по викиду шкідливих речовин.

Основними проблемами для застосування альтернативних - високоекологічних водневовмісних видів палива для транспорту є:

  • велика маса й габарити агрегатів для зберігання палива (таблиця 1.1) або для його одержання на борті автомобіля;

  • великі труднощі з організацією паливопостачання енергетичної установки у зв'язку з інерційністю агрегатів одержання водню на борті автомобіля на різкоперемінних режимах роботи, характерних для автомобіля.

Слід зазначити, що основною проблемою, що виникає при одержанні водню на борті автомобіля, є проблема високих динамічних якостей системи одержання водню. Специфіка умов роботи силової установки автомобіля складається в необхідності забезпечення дуже швидкого збільшення або зменшення продуктивності джерела водню. Повільне наростання продуктивності, внаслідок теплової інерції системи одержання водню, погіршить керованість автомобіля і його динамічні якості, а повільне зменшення продуктивності спричиняє складні проблеми утилізації надлишкового водню.

Проблема динаміки може бути вирішена шляхом створення буферного накопичувача водню й організації стаціонарного (або повільно мінливого) режиму роботи джерела водню. Застосування на борті автомобіля систем із пристроями нагромадження водню або водневого синтез-газу є вкрай небажаним, через складність зберігання й великої вибухо- й пожежонебезпеки водню.


Таблиця. 1.1 – Порівняльні характеристики способів зберігання водню

Параметри

Бензин

Водень

Балони високого тиску

Метал-гідридні

Кріогенний бак

Стальні

Композит

Об’єм паливного баку, л

55

2×54

3×33

2×54

100

Тиск, МПа

0,1

20

20

20

0,1(-253 0С)

Маса бака без палива, кг

7,5

125

72

60

95

Маса палива, кг

40,5

2

1,8

2

7

Пробіг,км

465

65

60

65

220


Застосування буферних накопичувачів, але не водню, а електроенергії знімає ці проблеми. Транспортні засоби, обладнані енергоустановками із двома джерелами енергії, один із яких ДВЗ або електрохімічний генератор на основі паливних елементів, а другий буферний накопичувач електроенергії, відповідно до нових виправлень до Правил №83 ЄЕК ООН, зветься "Hybrid Electric Vehicle" (HEV) – АТЗ із КЕУ.

Шляхом комбінування енергопотоками двох джерел енергії можна забезпечити зниження витрати палива й викидів шкідливих речовин основного джерела енергії – ДВЗ, що використовує, як традиційне, так і водневе паливо. У випадку застосування замість ДВЗ – електрохімічного генератора в комбінованих енергетичних установках, може бути вирішене ще одне питання – це зменшення вартості енергоустановки за рахунок зменшення потужності електрохімічного генератора, що є найдорожчим, на даний момент часу компонентом.

При розгляді автомобілів з КЕУ необхідно мати на увазі не тільки велику різноманітність можливих сполучень різних типів двигунів і джерел енергії з різними видами електрохімічних акумуляторів, але й різноманітну структурну побудову комбінованого живлення із одних і тих же елементів.

Розглянемо кілька варіантів комбінованих енергетичних установок на основі застосування ДВЗ. Оскільки в цьому випадку є два джерела механічної енергії (сам ДВЗ й електродвигун), розглядаються дві схеми енергопотоків: послідовна й паралельна. У послідовній схемі відбувається послідовне перетворення механічної енергії в електричну, а електричної знову в механічну. У паралельній схемі, тільки частина механічної енергії перетворюється в електричну, а інша частина механічної енергії передається безпосередньо на колеса.


1.2.1 Послідовна схема

Варіанти послідовної схеми наведені на рисунку 1.1. Застосування послідовної схеми комбінованої енергетичної установки дозволяє забезпечити роботу теплового двигуна на тому режимі, що має мінімальні значення витрати палива й викидів шкідливих речовин, причому в ідеальному випадку, можна здійснити повністю стаціонарний режим роботи двигуна. Тяговий електропривід у даній схемі повинен забезпечувати весь діапазон зміни потужності, необхідної для даних умов руху.

У послідовній схемі кінематичні зв'язки між ДВЗ і ведучими колесами принципово виключаються. Оскільки при цьому ДВЗ не може передавати момент до ведучих коліс, то, мабуть, потужність, передана в буферний накопичувач, повинна бути не менше, ніж середня потужність, необхідна для руху АТЗ, а потужність й електромагнітний момент тягового електропривода повинні дорівнювати максимальній потужності й максимальному моменту рушіїв.

Число провідних осей може бути різним (для звичайних АТЗ це відповідає колісній формулі 4x2 або 4x4), як і навантаження на осі. Для деяких АТЗ (тягачі, магістральні автопоїзди й ін.) перспективні багатовісні схеми з набагато більшим (п'ять і більше) числом осей, причому всі колеса можуть бути ведучими. У таких умовах установка механічних передач між ДВЗ і ведучими колесами затруднена; індивідуальний електропривід спрощує проблему. Можливе використання і в гібридних гусеничних АТЗ.


Рисунок 1.1 – Послідовна кінематична схема автомобіля з КЕУ: 1 – ДВЗ; 2 – мотор-генератор; 3 – тяговий електродвигун; 4 – акумуляторна батарея; 5 – система регулювання; 6 – карданна передача.


Виключення із привода КП, зчеплення й карданного вала дозволяє істотно знизити обертові маси й загальну масу силового устаткування. Зниження моменту інерції впливає на процес нерівномірно-поступального руху машини. Значний вплив на момент інерції обертових мас робить передавальне число передачі. Оскільки коефіцієнт врахування обертових мас пов'язаний з передаточним числом КП квадратичною залежністю, то зі зменшенням передаточного числа істотно знижуються умовна маса машини й необхідна для розгону потужність. Конструкторів приваблює можливість більш вільного компонування: не пов'язані з колесами ДВЗ і мотор-генератор можуть розміщатися там, де це найбільше зручно.

Відсутність кінематичного зв'язку ДВЗ із ведучими колесами дозволяє по-новому підійти до проектування ДВЗ і мотор-генератора. У зв'язку із цим відзначимо можливість створення вільнопоршневих (без колінчатого вала й кривошипно-шатунного механізму) ДВЗ і мотор-генераторів з лінійним переміщенням ротора.

Послідовна кінематична схема гібридних машин дозволяє застосовувати нові конструкторські рішення, нові компонування. Послідовна схема дає можливість виключити диференціал, що затрудняє побудову якісної системи керування рухом й погіршує керованість й прохідність АТЗ. Відзначимо, що така схема застосовується в конструкції важких АТЗ (наприклад, у кар'єрних самоскидах надвеликої вантажопідйомності). З'являється можливість виключення механічних редукторів, що зв'язують як ДВЗ із мотор-генератором, так і тяговий електропривід з ведучими колесами ("прямий" привід генератора й ведучих коліс). У гібридному АТЗ із мотор-колесами загальне зниження маси за рахунок виключення механічних вузлів, навіть із обліком додатково встановлюваних мотор-генератора й буферного накопичувача, може бути значним. Воно приводить до зменшення необхідної потужності ДВЗ і до додаткової економії палива. Економія, що досягається при цьому, може перекривати втрати, пов'язані з подвійним перетворенням енергії.


1.2.2 Паралельна схема

У паралельній схемі як електропривід може використовуватися мотор-генератор, з'єднаний з колінчатим валом ДВЗ, що дозволяє вимикати ДВЗ при нетривалій зупинці АТЗ і наступному пуску ДВЗ по команді водія почати рух (рисунок 1.2, а).

Мотор-генератор доцільно використовувати не тільки для швидкого пуску ДВЗ, але й для створення електротяги при рушанні АТЗ із місця. Причина цього очевидна: ДВЗ має високу паливну ефективність і малий рівень викидів в обмеженому діапазоні частот обертання, тому доцільно відбирати від нього потужність тільки після того, як машина вже набере деяку мінімальну швидкість. Мотор-генератор дозволяє "згладжувати" пульсації моменту, що розвиває ДВЗ (що сприятливо позначається на зниженні вібрацій), і збільшувати ресурс вузлів трансмісії. Одночасно може бути вирішена проблема дефіциту потужності бортової електромережі, характерна для сучасних АТЗ.

Кращі результати й більшу гнучкість керування дає схема з додатковими (крім мотор-генератора) тяговим електродвигуном з інвертором, редуктором і механічною муфтою (з електронним керуванням), що дозволяє реалізувати той або інший вид підведення моменту до ведучих коліс. Паралельна схема такого гібридного АТЗ наведена на рисунку 1.2, б.


Рисунок 1.2 – Паралельна кінематична схема автомобіля з КЕУ: 1 – ДВЗ; 2– мотор-генератор; 3 – тяговий електродвигун; 4 – акумуляторна батарея; 5 – система регулювання; 6 – карданна передача; 7 – планетарний механізм розподілу потоку потужності; 8 – диференціал.


Інший варіант паралельної схеми (рисунок 1.2, б) полягає у використанні механічного (від ДВЗ) і електромеханічного (від мотор-генератора, акумулятора через інвертор і тяговий електродвигун) каналів підведення моменту до різних ведучих коліс. Застосовуються й змішані кінематичні схеми (рисунок 1.2, в), у яких ДВЗ і мотор-генератор "працюють" на планетарну передачу (система СПЛІТ). У змішаній схемі потік потужності від двигунів до ведучих коліс розділяється: вал ДВЗ і вал електродвигуна – генератора з'єднані з роздільними входами планетарного редуктора (таку схему іноді називають "двопотоковою"). Крім того, вихідний вал планетарного редуктора з'єднаний з валом тягового електродвигуна. Така схема при відносно невеликих потужностях генератора й тягового електродвигуна дозволяє ефективно управляти потоками потужності й стабілізувати режим роботи ДВЗ. Саме за змішаною схемою виконана більшість тягово-силових установок сучасних комерційних легкових гібридних автомобілів.

У паралельній схемі крім використання електротяги на початковому етапі розгону можлива рекуперація кінетичної енергії АТЗ, при його гальмуванні з наступним використанням повернутої в акумулятор енергії; при пуску ДВЗ і при розгоні. Це дозволяє додатково заощаджувати паливо.

Раціональне співвідношення потужностей джерел енергії в паралельній кінематичній схемі (потужності ДВЗ й електродвигуна), а також енергоємності накопичувача залежать від того, у яких режимах буде експлуатуватися АТЗ. У випадку застосування його тільки для руху по швидкісній дорозі, де відносний час разгонів, гальмувань і зупинок незначний, наведені вище обґрунтування користі комбінації тяги ДВЗ й електропривода були б неважливі. Внаслідок більшого ККД механічної передачі й більших втрат енергії при її подвійному перетворенні (механічної енергії ДВЗ в електричну за допомогою мотор-генератора й електричної енергії в механічну за допомогою тягового привода) доцільно було б використати тільки ДВЗ і кінематичну схему традиційного АТЗ. Однак у реальних умовах руху завжди мають місце підйоми й спуски, повороти з гальмуванням, змінюється швидкість і напрямок вітрового навантаження, виникає необхідність обгону і т.д. Опір руху змінюється, що викликає необхідність змінювати режим роботи трансмісії й ДВЗ. Це супроводжується підвищеною витратою палива (за деякими оцінками до 30 %).

Для міських циклів руху нормовані величини пришвидшень, швидкостей, часу руху, пробігів і середня частота зупинок. Знаючи конкретні параметри застосовуваних машин, можна визначити оптимальне по витраті палива співвідношення потужностей ДВЗ й електропривода, а також оптимальні циклограми їхнього залучення в типовому режимі руху. Середня потужність у циклі міського руху істотно, в 3-5 разів, менша необхідної, для забезпечення динаміки розгонів, максимальної потужності. Це демонструє наявні резерви зниження потужності ДВЗ.

Із сказаного випливає, що найбільший ефект досягається при використанні АТЗ у міських умовах. При цьому види АТЗ досить різноманітні: легкові автомобілі, таксі й маршрутні автобуси, вантажні розвізні автомобілі й ін. По наявним експериментальним даним витрата палива в міському русі гібридними АТЗ знижується на 25-30 %, а в окремих випадках – до двох разів.


1.3 Висновки, постановка мети і задач роботи


Із сказаного вище випливає необхідність створення автомобілів, які б за параметрами екологічної безпеки і паливної економічності при порівняно невисокій вартості могли б створити гідну конкуренцію автомобілям з традиційними двигунами. Вирішенням цієї проблеми може бути створення автомобіля з комбінованою енергетичною установкою, де поряд із традиційним двигуном використовується електродвигун. Це дозволяє вирішити ряд проблем:

  • зниження витрати палива;

  • зниження викиду шкідливих речовин з відпрацьованими газами. Причому з’являється можливість руху тільки за рахунок електродвигуна у місцях, де це необхідно, що виключає можливість шкідливих викидів;

  • зниження шумів, що виробляються автомобілем;

  • використання енергії автомобіля при гальмуванні і русі накатом;

  • відмова від деяких традиційних вузлів (зчеплення, стартер, коробка передач).

На сьогоднішній час створено багато автомобілів з комбінованими енергетичними установками, проте ще далеко не всі потенційні можливості таких схем розкриті. Для досягнення максимальної ефективності комбінованої енергоустановки необхідно розробити оптимальні алгоритми керування вузлами і агрегатами автомобіля і, що є найскладнішим, створити електронні системи керування, які б працювали на цих алгоритмах. Ці питання на сьогоднішній день є актуальними й до кінця не вирішеними.

Тому метою роботи є проведення ряду досліджень комбінованої енергоустановки. Для дослідження використано вже існуючу комбіновану енергетичну установку, яка використовується на автомобілі Тойота Пріус, визнаного «найчистішим» автомобілем 2007 р.

Серед задач, які необхідно вирішити при дослідженні, слід виділити такі:

  • визначити алгоритм роботи електронного пристрою, який керує системою комбінованого приводу, і параметри, відносно яких здійснюється керування;

  • визначити ефективність роботи системи електродвигун-інвертор і додаткових систем, що беруть участь у керуванні системою комбінованого приводу;

  • дослідити пускові і робочі характеристики електродвигуна і генератора;

  • визначити втрати потужності, присутні в системі приводу і дослідити залежність їх зміни від температури мастильних і охолоджувальних рідин;

  • визначити параметри системи охолодження, яка запобігає перегріванню електропривода; температуру в різних точках системи.

Після вирішення цих задач можна обґрунтовано стверджувати про ефективність чи неефективність системи з комбінованою енергетичною установкою і окремих її складових.


2. Опис Дослідної комбінованої енергетичної установки


Дослідження комбінованої енергетичної установки проведено на прикладі автомобіля Тойота Пріус. Пріус – автомобіль нового покоління, який був введений в продаж 2003 року фірмою Тойота. Як гібридний транспортний засіб, Пріус використовує два джерела енергії – бензиновий двигун потужністю 57 кВт і електродвигун, що має живлення від батарей, здатний розвивати максимальну потужність 50 кВт. Об’єднання цих двох незалежних джерел дає підвищення паливної економічності і зменшення шкідливих викидів в порівнянні з традиційними автомобілями. Це досягається наступними енергозберігаючими властивостями Пріус:

  • зменшення втрат енергії досягається за рахунок вимикання ДВЗ, що працює в марному режимі;

  • використання кінетичної енергії при сповільненні і гальмуванні автомобіля, яка зазвичай втрачається, перетворюючись у теплову. Генератор і електродвигун в цей час перетворюють механічну енергію в електричну, яка потім використовується;

  • система електроприводу керується так, що при максимальних швидкостях використовуються найефективніші режими роботи ДВЗ;

  • додаткова потужність від електродвигуна використовується в процесі пришвидшення, коли ефективність ДВЗ низька;

  • оптимальна ефективність транспортного засобу досягається за рахунок використання електродвигуна, який керує транспортним засобом коли ефективність ДВЗ низька і виробляє електричну енергію (генераторний режим), коли ефективність ДВЗ висока.

Система приводу автомобіля Пріус – це трансмісія, що складається з електродвигуна, генератора і батареї. Основні складові Пріус зображені на рисунку 2.1. На цьому рисунку зображено механічну складову, яка називається механізмом автоматичного розподілу потужності (планетарна передача), що розділяє потужність ДВЗ на два потоки. В механічному потоці потужність ДВЗ передається на колеса транспортного засобу безпосередньо через механічну передачу. В електричному потоці, генератор перетворює механічну енергію ДВЗ в електричну. Електрична енергія прямує до електродвигуна чи для зарядки батареї, або те й інше разом. При такому використанні енергії немає необхідності в використанні зовнішнього джерела для зарядки батареї. Механізм розподілу потужності дозволяє ДВЗ функціонувати в околі його найефективніших режимів, незалежно від швидкості транспортного засобу, віддаючи потужність для обертання коліс і одночасно обертаючи ротор генератора. Фотографію гібридної системи приводу автомобіля Пріус показано на рисунку 2.2.


Рисунок 2.1 – Основні складові частини Пріус


При русі Пріус здатний функціонувати в наступних режимах:

  • коли ефективність ДВЗ низька, при пуску і малих швидкостях, потужність підводиться від електродвигуна, що використовує енергію збережену в батареї;

  • при нормальних умовах руху, ефективність двигуна оптимальна, через механізм розподілу потужності частина енергії йде для обертання коліс, а частина на генератор для заряджання акумуляторної батареї;

  • при пришвидшенні, коли необхідна додаткова потужність, використовується електродвигун, що живиться енергією від батареї і генератора;

  • при сповільненні і гальмуванні, електродвигун працює як генератор, що дозволяє перетворювати кінетичну енергію автомобіля в електричну енергію, яка зберігається в батареї;

  • коли необхідно, генератор підзаряджає батарею для підтримання достатніх запасів енергії;

  • час від часу, коли транспортний засіб не рухається і коли ДВЗ працює на неоптимальних режимах навантаження при малій швидкості, ДВЗ автоматично вимикається.

Підтримання робочої температури різноманітних компонентів системи в допустимих межах досягається використанням системи охолодження з двома окремими етиленовими гліколями. Розміщення системи охолодження зображено на рисунку 2.3.


Рисунок 2.2 – ДВЗ і гібридний привід Пріус


Система охолодження ДВЗ подібна системі охолодження в традиційному автомобілі. Її мета – поширювати охолоджувальну рідину через двигун, щоб видалити надлишкову теплову енергію, утворену при згорянні палива в ДВЗ. Насос змушує рідину рухатись від двигуна до радіатора, де непотрібна висока температура розсіюється. Щоб перешкоджати витіканню рідини, вона рухається по замкнутому контуру, який загерметизований автоматичним клапаном тиску (кришка радіатора). Завдяки клапану створюється тиск трохи вищий за атмосферний, що, таким чином, запобігає кипінню рідини навіть при температурі вищій точки кипіння. Для забезпечення змін в об’ємі, викликаних підвищенням температури і коливаннями тиску, в системі передбачається додатковий резервуар. Передбачено також використання резервуару для зберігання гарячої рідини, яка використовується при повторному пуску двигуна. При цьому зменшується викид випускних газів, порівняно з холодним пуском.

Система охолодження гібридного електроприводу є відокремленою від системи охолодження ДВЗ, так як ці дві системи працюють в різних температурних режимах. Приведена в рух електричним насосом, охолоджувальна рідина протікає неперервно через електродвигун, генератор, інвертор, радіатор. Висока температура, відібрана у електричних компонентів віддається в атмосферу через радіатор. Як і в системі охолодження ДВЗ, система охолодження гібридного електроприводу також має резервуар, який враховує розширювальні властивості рідини.


Рисунок 2.3 – Система охолодження і змащення автомобіля Пріус: СО – система охолодження; ГП – гібридний привід


2.1 Короткий опис і характеристика основних складових автомобіля з КЕУ


Система гібридного приводу включає електродвигун і генератор, що працюють в змінному діапазоні напруг 200-500 В. Особливість високої напруги – це забезпечення підвищення ефективності, що дозволяє працювати електродвигуну на більш високих обертах, де використання низької напруги привело б до зменшення ККД електродвигуна.

Основні складові автомобіля з КЕУ:

  • ДВЗ

  • Електродвигун

  • Механізм розподілу потужності

  • Інвертор

  • Генератор

  • Батарея

Характеристику цих складових наведено в таблиці 2.1


Таблиця 2.1 – Характеристика складових Пріус

Складова

Характеристики

Значення

ДВЗ

Тип

Максимальна потужність

Максимальний момент

Бензиновий, 1,5 л

57 кВт при 5000 об/хв.

115 Н·м при 4200 об/хв.

Електродвигун

Тип


Максимальна потужність

Максимальний момент

Синхронний з постійними магнітами, змінного струму

50 кВт при 1200…1540 об/хв.

400 Н·м при 0…1540 об/хв.

Система

Максимальна потужність

Максимальний момент при 22 км/год

82 кВт при 85 км/год.

478 Н·м

Батарея

Тип

Конструкція

Напруга

Вихідна потужність

Нікель-метал гідридна

28 модулів по 7,2 В в кожному

201,6 В

21 кВт

автомобіль енергетичний установка паливний


2.1.1 Двигун внутрішнього згоряння

Тип 1 NZ-FXE 1,5-літровий двигун Пріус, працює на основі циклу Аткітсона, в якому ступінь стиску може змінюватися. Охолодження водяне. Двигун 4-х тактний, 4-х циліндровий, 16 клапанний, з верхнім розміщення 2-х розподільчих валів, ступінь стиску 13:1. Конструкція двигуна забезпечує низький викид шкідливих речовин з випускними газами.


2.1.2 Механізм розподілу потужності

Основні складові ланки в Пріус – це механізм автоматичного розподілу потужності, генератор, електродвигун, інвертор і понижувальні шестерні. Мета механізму розподілу потужності полягає в тому, щоб дозволити передавати потужність від двигуна на генератор і колеса одночасно. Тут потужність передається через планетарну передачу. Водило планетарного механізму з’єднане з валом ДВЗ і потужність від ДВЗ передається на внутрішню сонячну і зовнішню коронну шестерню. Коронна шестерня безпосередньо зв’язана з електродвигуном і передає силу тяги на колеса, сонячна шестерня з’єднана з валом генератора. На рисунках 2.4 і 2.5 зображено схему механізму розподілу потужності окремо і разом з блоком шестерень відповідно. Фотографія фактичного розміщення передачі зображена на рисунку 2.6.


Рисунок 2.4 – Схема механізму розподілу потужності


Рисунок 2.5 – Розташування блоку шестерень між двигуном і колесами


Рисунок 2.6 – Фотографія передачі з числом показаних зубців шестерень


2.1.3 Генератор

Пріус обладнаний синхронним генератором змінного струму, який може обертатись з частотою 10000 об/хв. Генератор є машиною з вісьмома полюсами і забезпечує високою потужністю зарядку батареї і живлення електродвигуна. При пуску генератор обертає сонячну шестерню в механізмі розподілу потужності і, таким чином, приводить в рух водило, що з’єднане з валом ДВЗ. Фотографія ротора генератора розміщена на рисунку 2.7.


Рисунок 2.7 – Ротор генератора


2.1.4 Електродвигун

Синхронний восьмиполюсний електродвигун з постійними магнітами має високий крутний момент і вихідну потужність. Він розроблений високоефективним і має характеристики двигуна постійного струму. Ротор зроблений способом накладання шарів пластин, виготовлених із електромагнітної сталі. Пази ротора виконані V-подібної форми. Крім цього при високій напрузі 500 В електродвигун здатний розвивати потужність 50 кВт. На рисунку 2.8 показано фотографію електродвигуна.


Рисунок 2.8 – Електродвигун


2.1.5 Інвертор

В автоматичний блок управління входять:

  • інвертор електродвигуна;

  • інвертор генератора;

  • конвертер підвищення напруги;

  • інвертор компресора повітряного охолодження;

  • 12 В конвертер постійного струму.


Рисунок 2.9 – Інвертор


Складальна одиниця, зображена на рисунку 2.9, містить інвертор, який виробляє 3-фазний змінний струм, щоб вести електродвигун і включає конвертер постійного струму, який виробляє напругу 12 В для живлення допоміжного обладнання. Інвертор забезпечує два напрямки зміни напруги: конвертер підвищення напруги підвищує напругу з 200В до максимальних 500В, чи знижує її для зарядки 200 В батареї.


2.1.6 Батарея

В Пріус використовується компактний, високоефективний нікель-метал гідридний акумулятор. Батарея складається з 28-ми низьковольтних модулів (7,2 В кожний) з’єднаних послідовно, щоб виробляти номінальну напругу 201,6 В. Це забезпечує подачу енергії на електродвигун і отримання її від генератора. Вихідна потужність батареї – 21 кВт.


3. Дослідження механічних, електричних і експлуатаційних характеристик комбінованої енергетичної установки


Мета дослідження – охарактеризувати функціональні характеристики гібридної системи електроприводу і зрозуміти алгоритм побудови, використаний в конструкції основних складових, особливо тяговому електродвигуні, інверторі, генераторі і системі охолодження.


3.1 Дослідження робочих характеристик транспортного засобу


Цей розділ описує дослідження робочих характеристик на двох етапах: початкові дослідження і більш пізні дослідження, при використанні конвертера підвищення напруги.


3.1.1 Дослідження робочих характеристик

Мета: визначити експлуатаційні показники і дати кількісну оцінку корисної дії системи гібридного приводу, яка встановлена в транспортному засобі і основана на алгоритмах, що містяться в електронному контрольному приладі. Тести проводилися при передовому дослідженні трансмісії на динамічних і сталих режимах. Щоб отримати необхідні електричні дані, всі доступні точки автоматичного потоку були налагоджені для вимірювання напруги і струму. Автоматичні вимірювання були отримані між наступними елементами:

  • генератор і інвертор;

  • електродвигун і інвертор;

  • конвертер підвищення і батарея;

  • конвертер підвищення і допоміжні конвертери.

Досліджувані змінні, які були виміряні і ідентифіковані наведені в таблиці 3.1.


Таблиця 3.1 – Перемінні величини для програми дослідження

Тип змінної

Позначення змінної

Опис змінної

Потужність генератора

PГЕН

Електрична

Вихідна потужність електро-двигуна (до коліс)

PЕЛД

Механічна

Вихідна потужність інвертора (до електродвигуна)

PІНВ

Електрична

Підвищувальна потужність

PПІДВ

Електрична

Потужність батареї

PБАТ

Електрична


Кожне дослідження проводилося з вимкненими інвертором компресора повітряного охолодження і допоміжним 12 В конвертером постійного струму. Необхідне пришвидшення і постійна швидкість в процесі дослідження встановлюється положенням педалі акселератора на відстані від установки. Бігові барабани встановлюються так, щоб була змога контролювати викиди транспортного засобу при різних циклах руху. Дослідження гібридної системи електроприводу вимагає контролю зусиль, що створюються додатковими електричними машинами, які входять до складу транспортного засобу Крім цього дослідження вимагають дуже точних силових вимірювань, щоб повністю охарактеризувати робочі характеристики КЕУ. Лабораторна установка для дослідження гібридної системи електроприводу визначає струм і напругу в різних точках системи. На рисунку 3.1 зображено схему елементарної електричної системи Пріус і розміщення встановлених давачів.


Рисунок 3.1 – Розміщення давачів при дослідженні


Залежність даних, що визначаються в процесі дослідження, від часу наведено на рисунку 3.2. Ця характеристика показує потік потужності в різних частинах гібридної системи електроприводу зі зміною швидкості транспортного засобу, вказаної на графіку. З графіка можна побачити, що потужність ДВЗ зростає, коли транспортний засіб пришвидшується до високих швидкостей і знижується, аж до нуля, коли швидкість транспортного засобу постійна, що дозволяє таким чином приводити в рух автомобіль від електродвигуна без допомоги ДВЗ. На найвищих швидкостях ДВЗ і електродвигун одночасно віддають потужність для приводу транспортного засобу. Наступне дослідження, яке мало метою показати ідентичність результатів при тих же дослідженнях, показало можливість зміщення і невідповідність даних. Тому для повного описання робочої характеристики транспортного засобу необхідні додаткові дослідження.


Рисунок 3.2 – Типові силові вимірювання при зміні швидкості


Рисунок 3.3 – Результати вимірювань при певній швидкості


Інша частина даних, які показують відношення між потужністю батареї, потужністю підвищувального конвертера і потужністю електродвигуна, показана на рисунку 3.3. Ці дані були отримані при вимкнені допоміжного обладнання, так як батарея, підвищувальний конвертер і електродвигун при цьому безпосередньо зв’язані одне з одним. З графіка видно, що підвищувальна потужність дуже близька до потужності батареї; це пояснюється низькими втратами в підвищувальному конвертері. Потужність електродвигуна повинна бути приблизно такою ж, але трохи нижчою із-за втрат в інверторі електродвигуна. З цього можна зробити певні грубі висновки, але більш детальну інформацію можна отримати при додаткових дослідженнях.

Хоча цей графік дає певні результати, але невеликі розбіжності в даних і інші фактори вказують на необхідності регулювання давачів і системи отримання і збору інформації для подальших досліджень


3.1.2 Дослідження, що характеризують роботу підвищувального конвертера

В гібридній системі електродвигун отримує більшість своєї потужності від генератора і решту від батареї через інвертор. Таким чином силова оцінка конвертера – це менше ніж половина в оцінці електродвигуна.

Цікаво те, як напруга генератора, яка збільшується із швидкістю транспортного засобу, зрівнюється з напругою конвертера, що керується електронним контрольним приладом. На рисунку 3.4. показано залежність напруги на генераторі від його швидкості обертання. Крім цього тут вказано швидкість транспортного засобу, що дає змогу зробити порівняння з попередніми дослідженнями. Відмітимо, що максимальна напруга на генераторі, яка співпадає з межами регулювання конвертера, знаходиться в межах 25-65 миль/год.