Меню Рубрики

Автомобили с комбинированными силовыми установками

Комбинированные силовые установки

Для российского человека комбинированная силовая установка, или как ее еще называют комбинированный привод, вот уже многие годы продолжает оставаться некоторой экзотикой, которой пресса кормит доверчивых читателей. Между тем и в Западной Европе, и в Штатах снабженные КСУ мотороллеры и легковые автомобили уже продаются, а рейсовые автобусы этого типа можно встретить на улицах городов. Разумеется, использование комбинированного привода не носит массового характера.

Вообще говоря, общепринятый подход к использованию альтернативных ДВС силовых установок кажется довольно странным. Все почему-то непременно хотят использовать их на автомобилях, и обязательно легковых. Но эта идея пока не находит массового отклика в сердцах покупателей. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что экономия топлива пока далеко не так велика, как это обещают расчеты, а стоимость машины заметно больше стоимости обычного автомобиля. Вместе с тем есть области, где применение КСУ выглядит более чем привлекательным. В первую очередь это относится к цеховому транспорту и мобильной погрузочной технике. Особенно, если в качестве накопителя энергии будет использоваться долговечное и нетоксичное устройство, например конденсаторное, а не традиционный аккумулятор. Уже то, что отпадут проблемы с обновлением батарей и утилизацией отработавших аккумуляторов и сокращение списка вредных производств на одну позицию (аккумуляторный цех), сулит солидную экономию.

Необходимые для подобных машин компоненты в нашей стране уже существуют, а недостающие могут быть быстро созданы. Правда, учитывая положение в отечественной экономике, для организации производства скорее всего все же потребуется государственная программа.

С каждым годом экологическая ситуация в городах, особенно крупных, ухудшается. Основными источниками загрязнения являются промышленные предприятия и транспорт. Значительная часть загрязнений приходится на транспортные средства, эксплуатируемые в городе.

Низкие динамические характеристики участвующих в дорожном движении машин, особенно грузовых автомобилей и автобусов, плохое состояние дорожного покрытия, отсутствие научно обоснованного подхода к организации движения ведут к снижению пропускной способности улиц и магистралей, снижению среднетехнической скорости до 12 – 20 км/ч (данные на 1997 год). Все это, конечно же, не способствует уменьшению выбросов вредных веществ.

К большому сожалению, в нашей стране до настоящего времени отсутствует законодательная, материальная и организационная база по экологизации хозяйственной деятельности. Отсутствует механизм стимулирования ресурсосбережения, внедрения экологически чистых технологий и сокращения отходов производства. Однако разработки отечественных ученых не только не уступают, но нередко и превосходят разработки зарубежных коллег.

В целом можно выделить три основных направления по уменьшению вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду. К сожалению, каждое из них не лишено некоторых недостатков.
Первое направление – установка на части автомобилей и автобусов каталитических нейтрализаторов отработавших газов, а также повышение мощности двигателей при одновременном снижении их токсичности за счет использования турбонаддува.

К сожалению, эти меры не в состоянии уменьшить расход топлива, снизить потребление воздуха, сократить энергетическое загрязнение окружающей среды, решить проблему пропускной способности улиц. Следует учесть и то обстоятельство, что нейтрализаторы очень чувствительны к качеству топлива и требовательны к техническому состоянию двигателя. И если теоретически эти устройства могут снизить содержание в отработавших газах вредных компонентов на 70 – 80%, то их реальная эффективность окажется несколько ниже.

Второе направление – перевод транспорта на более дешевые и менее токсичные топлива: бензин – дизельное топливо, дизтопливо – природный газ (водород). Данный шаг позволит приостановить ухудшение экологической ситуации, но не позволит полностью решить проблему.

Третье направление – активное внедрение транспортных средств с аккумуляторными батареями в качестве источника энергии. К сожалению, такие машины по своим эксплуатационным свойствам пока еще очень далеки от машин с двигателями внутреннего сгорания. Главная причина этого – аккумуляторная батарея.

Она имеет большую массу (порой превышающую 50% массы всего транспортного средства), высокую стоимость, соизмеримую со стоимостью всей машины, низкую удельную мощность, крайне ограниченный срок службы, требует значительного времени на подзарядку. Кроме того, ее рабочие характеристики существенно зависят от температуры окружающей среды. При этом общий КПД системы «электростанция – автомобиль» не превышает 10%.

С точки зрения экологии аккумуляторная батарея далеко не безобидна. Материалы, применяемые для их изготовления, токсичны, а само производство связано с большим выбросом вредных веществ в окружающую среду. По окончании срока службы возникают серьезные проблемы с утилизацией.

Перечисленные недостатки электромобилей делают понятным стремление разработчиков целого ряда всемирно известных фирм, а также научных организаций к соединению достоинств силовых установок с электрическим и тепловым двигателем. Оно достигается объединением в одной комбинированной силовой установке (КСУ) электромотора и ДВС.

Существуют две схемы исполнения КСУ:

При последовательной схеме ДВС приводит в действие генератор, который питает электромотор или отдает излишки энергии в накопитель, из которого она по мере надобности (например, для интенсивного разгона) извлекается.

Читайте также:  Центр по установке аудиосистемы в автомобиль

При параллельной схеме ДВС и электрический мотор-генератор работают на общий выходной вал. При этом электрическая машина в зависимости от нагрузки или добавляет свою мощность к мощности ДВС, или вырабатывает энергию для зарядки энергоаккумулятора.

В последнее время все большей популярностью пользуется сочетание этих двух схем, в котором тепловой и электрический двигатели и генератор связаны между собой системой дифференциальных механизмов.

В процессе движения транспортное средство потребляет энергию крайне неравномерно. При разгоне расход энергии максимален. Большая ее часть тратится на преодоление сил инерции. При равномерном движении энергия расходуется на преодоление сопротивления качению и сопротивления воздуха. Движение накатом происходит за счет сил инерции. При торможении кинетическая энергия машины превращается в тепловую в тормозных механизмах и рассеивается. На остановках энергия не расходуется совсем. У обычного автомобиля двигатель работает во всех пяти случаях, при чем почти постоянно в изменяющемся режиме, крайне неблагоприятном и по расходу топлива, и по токсичности выхлопа, и по долговечности самого мотора.

Для определения расхода топлива автобусом с КСУ возьмем стандартный городской цикл движения (SAE j 227, «С»). Он включает в себя разгон с места до 48 км/ч в течение 18 с, равномерное движение с этой скоростью в течение 20 с, движение накатом, торможение и остановку, время которой составляет 25 с. Время цикла 80 с, средняя скорость 25 км/ч, проходимый путь – 540 метров.

Как показывают расчеты, для выполнения одного цикла автобусу ЛиАЗ-5256 требуется с учетом КПД трансмиссии 1600 кДж. Значит, именно такое количество энергии и должен вырабатывать ДВС. При удельном расходе топлива 200 г/кВтџч (дизель, стационарный режим) расход топлива составит 24,4 л/100 км; базовая норма расхода топлива для ЛиАЗ-5256 – 46 л/100 км пробега.

При этом работающий в стационарном режиме двигатель практически не загрязняет воздух, а энергоаккумулятору не требуется огромная емкость. Это позволяет отказаться от традиционных аккумуляторов в пользу накопителей другого типа, например, конденсаторных, намного более легких и со сроком службы, не меньшим, чем срок службы автобуса.

Применение КСУ на специализированном транспорте (цеховом, коммунальном, муниципальном) может существенно снизить расходы на его эксплуатацию.

источник

Комбинированные силовые установки

Комбинированной силовой установкой (КСУ) называют агрегат, состоящий из ДВС, который может работать на бензине, дизтопливе, газе или их сочетании, и электромотора (моторов), дополнительно вращающих колеса автомобиля.

Двигатель внутреннего сгорания и электромотор(ы) могут работать совместно или раздельно. В основном в автомобилях с КСУ начало движения осуществляет ЭМ, питающийся от блока тяговых аккумуляторных батарей, а ДВС подключается позже при движении со средними и высокими скоростями. На рисунке 13.7 показана зависимость развиваемых крутящих моментов ДВС и ЭМ от частоты вращения КВ.

Рис. 13.7. Характеристики крутящего момента КСУ при работе:

/ — ДВС совместно с электромотором; 2 — электромотора; 3 — ДВС

Если ЭМ-генератор и ДВС установлены друг за другом, то реализована последовательная схема их подключения; если их размещение не связано друг с другом, то они могут работать независимо, при этом схема их подключения будет параллельной (рис. 13.8).

Как правило, в различных схемах КСУ главную роль играет ДВС, но иногда он является вспомогательным агрегатом, лишь вращая ЭМ-генератор для подзарядки тягового блока аккумуляторных батарей или конденсаторов в режиме разгона автомобиля или при его движении с максимальной нагрузкой, например при подъеме.

Блоки тяговых батарей состоят из набора никель-металлогид- ридных или литий-ионных аккумуляторов. Как уже отмечалось, иногда используют блок суперконденсаторов (емкостью 8 Ф), которые благодаря быстрой зарядке или подзарядке обеспечивают мощный разгон автомобиля.

Комбинированные силовые установки с последовательной схемой подключения наиболее часто применяются в автомобилях. Как правило, ДВС и ЭМ связаны общим валом. Так, на модели Smart (концерн Daimler Chrysler) дизельный ДВС (Ne= 30 кВт (41 л.с.) при частоте вращения КВ 4200 мин 4 ; Мкр = 100 Н м при п = = 1800 мин 4 ) работает с ЭМ. Электронный блок управления системы старт-стоп автоматически останавливает ДВС на остановках, а запускает его ЭМ при начале разгона, пока дизель не выйдет на

Рис. 13.8. Схемы подключения КСУ на автомобиле классической компоновки 4×2:

а — последовательная; б — параллельная; в — комбинированная требуемый режим. Во время переключения передач и выключения сцепления ЭМ обеспечивает постоянную ровную тягу, в пробках дизель не работает. Несмотря на то что силовой агрегат тяжелее традиционного на 85 кг, рекуперация энергии позволяет улучшить динамику разгона: до скорости 100 км/ч разгон происходит за 17,8 с, т.е. быстрее на 2 с. Расход топлива 2,86 л/100 км.

На экспериментальных моделях Peugeot 307/ Citroen С4 — Hybrid HDi, монтируемых на единой платформе, турбодизельный ДВС жестко не соединен с ЭМ мощностью 16 кВт (22 л.с.). Между ними установлено сухое однодисковое сцепление (рис. 13.9). При его размыкании ЭМ самостоятельно вращает через трансмиссию ведущие задние колеса и разгоняет автомобиль до скорости 50 км/ч. Никель-металлогидридная аккумуляторная батарея оснащена системой жидкостного охлаждения, но ее емкости хватает только на 5 км пробега. Применение сухого сцепления потребовало установки на ДВС стартера-генератора с ременным приводом от КВ. Расход топлива в городском режиме составляет 3 л/100 км, а в смешанном — 75% расхода дизельных автомобилей.

Читайте также:  Установка эквалайзера на заднее стекло автомобиля

Рис. 13.9. Схема КСУ автомобиля Peugeot 307 Hibrid HDi:

  • 1 — ДВС; 2 — КН с /.-зондом; 3 — стартер-генератор; 4 — электромотор; 5— трансмиссия; 6— ЭБУ; 7— низковольтная аккумуляторная батарея; 8 — высоковольтная аккумуляторная батарея; 9 — пучки проводов;
  • 10 — сухое однодисковое сцепление

Схема расположения узлов и агрегатов КСУ экспериментальной модели BMW Х5 представлена на рис. 13.10: ДВС 1 установлен продольно спереди, на нем сверху закреплен электрический преобразователь 2; между ДВС и механической КП 4 размещен ЭМ 3, питающийся от конденсаторной батареи 6, расположенной в багажнике.

Рис. 13.10. Схема расположения агрегатов КСУ на автомобиле BMW Х5:

  • 1 — ДВС; 2 — электропреобразователь; 3 — электромотор;
  • 4 — механическая КП; 5 — ЭБУ; 6 — конденсаторная батарея емкостью 8 Ф

Электромотор в данной схеме служит лишь для пуска ДВС (он заменяет стартер) и для ускорения при разгонах. При этом ЭМ помогает увеличить на валу механической КП крутящий момент Мкр более чем в 2 раза, до 1000 Н м. При этом расход бензина по сравнению с серийной моделью на 15% ниже.

Батарея конденсаторов емкостью 8 Ф имеет более быструю зарядку — всего за одно рекуперативное торможение ДВС, когда ЭМ работает в режиме генератора. Помимо этого у нее меньшая масса и больший срок службы по сравнению с аккумуляторной батареей.

Модернизированная модель Toyota Prius II с КСУ имеет классическую компоновку (рис. 13.11). Под капотом поперек расположен бензиновый ДВС 7 в блоке с генератором 6, ЭМ 2 и трансмиссией, включающей планетарную и цепную передачи. Под полом багажника размещена никель-металлогидридная аккумуляторная батарея. Суммарная мощность силовой установки составляет 83 кВт (130 л.с.), а крутящий момент достигает 478 Н м. Пятиместный автомобиль массой 1300 кг расходует бензина в среднем 5 л/100 км, время разгона до скорости 100 км/ч составляет 10,9 с. Эта установка имеет самый высокий КПД, равный 32%. Более высокий КПД — 42% — могут иметь только автомобили на топливных элементах.

Рис. 13.11. Схема КСУ первого серийного автомобиля Toyota Prius:

  • 1 — масляный насос; 2 — электромотор мощностью 50 кВт; 3, 4, 5 — шестерни планетарного редуктора; 6 — генератор; 7 — бензиновый ДВС;
  • 8 — сцепление; 9, 10, 12, 13 — шестерни механической КП; 11 — механизм дифференциала ведущего переднего моста; 14 — цепь Морзе

Подобно рассмотренным ранее моделям, эта стартует только при действующем ЭМ, а в дальнейшем при разгоне к ним присоединяется ДВС и генератор, что изменяет Мкр на передних ведущих колесах и поддерживает частоту вращения в необходимых пределах. На автомобиле установлен специальный переключатель, переводящий КСУ в электромобиль.

Аналогичная схема КСУ применена в модели Lexus GS 450h, в нем, правда, отсутствует бесшумная цепная передача Морзе, но добавлен двухступенчатый планетарный редуктор (рис. 13.12). Двигатель внутреннего сгорания 1, генератор 4 и привод ведущих колес объединены простейшей планетарной передачей А. Через вал 3, на котором размещено сцепление 2, ДВС 1 жестко связан с водилом 5 редуктора А, которое вращает с помощью сателлитов 6 коронную шестерню 7. Одновременно сателлиты 6 передают вращение солнечной шестерне 17, на оси которой установлен генератор 4, вырабатывающий электрический ток для питания ЭМ 9 и подзарядки блока

Рис. 13.12. Схема КСУ автомобиля Lexus GS 450h

с планетарными редукторами А и Б: а — общий вид; б — внешний вид редуктора Б; 1 — ДВС; 2 — сцепление;

  • 3, 8 — валы; 4 — генератор;
  • 5, 13 — водилы; 6,15,16 — сателлиты; 7,12 — коронные шестерни; 9 — ЭМ;
  • 10, 11, 17—солнечные шестерни;
  • 14 — выходной вал; I, II — фрикционы тяговых аккумуляторов. Далее крутящий момент Мкр передается на вал 8, жестко связанный с водилом 13 двухступенчатого планетарного редуктора Б. На водило 13 через вал с солнечной шестерней 10 и сателлиты 16, 15 поступает крутящий момент Мкр от ЭМ 9. Таким образом, на выходной вал 14, связывающий агрегаты КСУ с главной передачей, поступает суммарный крутящий момент от ДВС и ЭМ.

Пуск автомобиля и разгон осуществляет ЭМ Я передавая Мкр на вал 10, солнечную шестерню 11, сателлиты 16, 15 и водило 13, при этом фрикцион I не включен, а фрикцион II включен и коронная шестерня 12 приторможена. Суммарное передаточное отношение в этом случае составляет 3,9, а скорость не превышает 90 км/ч.

Читайте также:  Установка преобразователя 12 220 в автомобилях

При более высоких скоростях, когда уже работает ДВС, включается фрикцион I, солнечная шестерня 11 притормаживается и передаточное отношение снижается до 1,9.

В качестве примера КСУ с параллельной схемой подключения можно привести модель Lexus RX 400h — полноприводный вседорожник премиум-класса. В ней использованы бензиновый ДВС V-образной формы с шестью цилиндрами и два электросиловых агрегата — передний, включающий в себя электромотор, генератор, планетарный редуктор и бесступенчатый вариатор, и задний. Характеристика привода: ДВС мощностью Ne = 155 кВт (211 л.с.) при п = = 5600 мин 4 с крутящим моментом Мкр = 288 Н м при п = 4400 мин 4 ; передний ЭМ: N = 123 кВт при п = 4500 мин 4 и Мкр = 288 Н м при п = = 1—1500 мин 4 ; задний ЭМ — N = 50 кВт при п = 4610—5120 мин 4 и М^ = 130 Н м при п = 0—610 мин 4 . Напряжение тока 650 В. Передний силовой агрегат приводит в движение колеса передней оси, а задний — колеса задней оси. Такую систему назвали HSD — гибридный синергетический привод, что подразумевает не просто суммирование энергии, а возможность использования преимуществ каждого его источника для создания оптимального режима движения автомобиля.

Компоновка синергетического гибридного привода HSD приведена на рис. 13.13. При такой КСУ у ДВС отсутствуют навесные стартер и генератор, так как их заменяет мотор-генератор, и следовательно, нет шкивов и приводного ремня. У двигателя внутреннего сгорания не отбирают мощность кондиционер и электроусилитель руля, так как они работают на электрическом токе. Управлять многочисленными потоками энергии, столь различными по силе тока, его напряжению и направлению, способен только ЭБУ. Электронный блок преобразует постоянный ток батареи в переменный для питания тяговых ЭМ, одновременно повышая напряжение с 288 до 650 В. Конвертер блока понижает напряжение постоянного тока с 288 до 12 В бортовой сети. Но главная задача ЭБУ — своевременно подключать- отключать-переключать, создавая каждому источнику и потребителю оптимальный режим работы. Электронная система VDIM — интегральное управление динамикой; объединив функции систем — антиблокировочной, противобуксовочной, стабилизации, распределения тормозных усилий, электроусилителя руля — управляет их взаимодействием друг с другом и с синергетическим приводом.

Сложность такой КСУ оправдана:

? высокими экологическими показателями. Выброс С02 в атмосферу в годовом исчислении на 2,6 т меньше, чем у бензинового

Рис. 13.13. Автомобиль Lexus RX 400h с комбинированным синергетическим приводом:

/ — передняя КСУ; 2 — электропреобразователь; 3 — V-образный бензиновый ДВС; 4 — задний электромотор; 5 — два комплекта симметрично расположенных литий-ионных аккумуляторных батарей

аналога при испытании по смешанному европейскому циклу, а уровень выбросов окислов азота близок к нулю;

  • ? значительной экономией топлива. Средний расход бензина по дорогам со сложным рельефом составляет 10,7 л/100 км. По экономичности вседорожник-гибрид Lexus соответствует седану с меньшей массой и ДВС сравнимой мощности;
  • ? плавностью работы, особенно при разгоне. Время разгона до скорости 100 км/ч составляет 7,6 с, т.е. на 1,4 с быстрее, чем у бензинового аналога.

Оригинальная система КСУ разработана фирмой Ford. На базе экспериментального образца пикапа Ford F350 Tonka создан и апробирован автомобиль с системой HLA (Hydraulic Launch Assist). На нем вместо классической КСУ с ДВС, аккумуляторной батареей и электромотором-генератором использована гидравлика. Дизельный ДВС со сцеплением и механической КП установлен спереди; за КП расположен гидромотор, далее классическая карданная передача и задний мост, в редукторе которого использована гипоидная передача и обычный межколесный дифференциал.

Вдоль обоих бортов кузова расположены прочные стальные баллоны, рассчитанные на давление примерно 40 МПа и связанные системой трубопроводов с гидромотором. Баллоны заполнены азотом с машинным маслом. Через гидромотор-насос оба баллона связаны друг с другом.

При торможении в трансмиссии включается гидронасос, в одном из баллонов давление возрастает до 35 МПа, создавая эффект торможения. При начале разгона насос становится гидромотором и помогает ДВС, передавая суммарный Мкр на карданную передачу. Из баллона-аккумулятора высокого давления масло переходит в другой баллон (на другом борту). Такая система из полученной при торможении энергии 380 кДж возвращает обратно до 80%, которой достаточно для 10—15 с интенсивного разгона. Автомобиль массой до 4000 кг развивает скорость 50 км/ч без помощи дизеля. Экономия топлива составила 25—30%, на столько же снизились вредные выбросы в ОГ; при этом износ тормозных колодок сократился вдвое. По оценкам специалистов, установка на автомобиль массой 1700 кг системы HLA обеспечит ему расход дизтоплива не более 2,9 л/100 км.

источник