Меню Рубрики

Комбинированные силовые установки автомобилей

Комбинированные силовые установки автомобилей

Автомобили с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) и электромобили – являются основными объектами реализации технических решений, в связи с этим анализ информации о существующих тенденциях в развитии данного вида транспорта, а также техническом уровне производимых автотранспортных средств (АТС), является необходимым условием выбора оптимального направления исследований.

HondaInsight II (Япония) автомобиль второго поколения создан на базе нового автомобиля Fit/Jazz с 1,34-литровым 8-клапанным ДВС L13A. Со степенью сжатия 10,8 данный ДВС развивает 88 л.с. при 5800 мин-1, максимальный крутящий момент – 121 Н∙м.

ДВС автомобиля HondaInsight II работает в составе комбинированного силового агрегата IMA (IntegratedMotorAssist). Последний включает в себя выполненный в единой конструкции с маховиком бесконтактный стартер-генератор на основе синхронной электрической машины: максимальная мощность электродвигателя-генератора – 10 кВт при 1500 мин-1; максимальный крутящий момент – 79 Н∙м (от 0 мин-1). Общая мощность энергетической установки IMA – 98 л.с., тогда как суммарный крутящий момент достигает 167 Н∙м (при 1000 мин-1). Общий вид гибридной силовой установки АТС HondaInsight II и ее основных агрегатов изображен на рис.2 и 3.

Рис. 2. ДВС автомобиля HondaInsight II с силовым агрегатом IMA

Рис. 3. Синхронный электродвигатель-генераторAC55 автомобиля HondaInsight II

Силовой агрегат автомобиля HondaInsight II сопряжен с бесступенчатым вариатором. Таким образом, HondaInsight II – так называемый «частичный гибрид» (в отличие от «полных» – типа Prius японской фирмы Toyota), силовой агрегат которой работает по параллельной схеме. Термин «частичный гибрид» – означает, что в автомобиле не предусмотрен режим движения только за счет электрической тяги, при этом тяговый электродвигатель-генератор (ЭДГ) лишь «помогает» ДВС при разгоне. Поэтому данный автомобиль невозможно модифицировать по перспективной схеме plug-in (с зарядом батареи от сети).

Свою роль в снижении расхода топлива играет инновационный газораспределительный механизм ДВС L13A – под обозначением VCM (VariableCylinderManagement). Механизм с двухрежимным изменением фаз газораспределения с электронным управлением допускает деактивацию впускных и выпускных клапанов. Тем самым при замедлении автомобиля (в режиме рекуперации) цилиндры выводятся из рабочего процесса, при этом резко уменьшаются так называемые насосные потери [5,10].

Автомобиль американского концерна GeneralMotors марки EscaladeHybrid оснащен инновационным гибридным силовым агрегатом, способным работать в двух режимах. Обеспечивают высокие показатели топливной экономичности при движении как в городе, так и по автомагистрали, при сохранении всех функциональных возможностей в части маневренности и проходимости автомобиля. В городских условиях современная гибридная система позволяет АТС Escalade трогаться с места и двигаться на низкой скорости исключительно за счет ЭДГ. В случае необходимости дополнительной мощности система организует совместную работу ЭДГ и ДВС.

Трансмиссия с электронным управлением (ElectronicallyVariableTransmission – EVT) автомобиля EscaladeHybrid управляет переключением передач в обоих режимах. В первом режиме она работает как обычный вариатор (CVT), постоянно регулируя передаточные числа для достижения наивысшей энергетической эффективности. На повышенных скоростях система EVT способна выбрать одно из четырех фиксированных передаточных чисел и работать как традиционная автоматическая коробка передач. EVT использует систему оптимизации гибридной силовой установки HybridOptimizationSystem, которая автоматически выбирает оптимальный режим движения – режим только электрической тяги, режим традиционного автомобиля или гибридный режим.

Так же, как и другие гибридные АТС, например, Toyota Prius, Escalade Hybrid способен генерировать энергию во время движения. При движении накатом и при торможении электрическая энергия накапливается в 300-вольтовом никелевом аккумуляторе, который у Cadillac получил название Energy Storage System (система хранения энергии).

В EscaladeHybrid используется система активного управления подачей топлива Active Fuel Management, которая отключает часть цилиндров ДВС, когда требуется меньшая мощность, например, при равномерном движении по шоссе [5].

Краткие технические характеристики ГСУ:

Рабочий объем ДВС, см-1: 5967

Количество цилиндров ДВС: 8

Мощность ГСУ, л.с. при мин-1:332/5100

Максимальный крутящий момент ГСУ, Н∙м. при мин-1:497/4100

Расход топлива в городском цикле, л/100 км:11,8

Расход топлива в загородном цикле, л/100 км:11,2

LexusGS 450h японской компании Toyota – это первый в мире заднеприводный седан класса «премиум», оснащенный гибридным приводом, демонстрирующий высокие тягово-динамические показатели и топливную экономичность.

Для достижения высоких тягово-динамических показателей, эффективности и экономичности в GS 450h применена новая конструкция гибридного привода, которая включает в себя двигатель внутреннего сгорания, расположенный спереди продольно, и гибридную трансмиссию с приводом на заднюю ось. При этом движение автомобиля может обеспечиваться как одним электромотором, так и его совместной работой с бензиновым двигателем.

Читайте также:  Установка обогревателя в сидение автомобиля

Установленный на автомобиле бензиновый двигатель V6 объемом 3456 см3 с системой двойного впрыска D-4S (непосредственный впрыск в цилиндр и распределенный впрыск), системой Dual VVT-i (электронная система регулировки фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов) развивает максимальную мощность 296 л.с. и крутящий момент 368 Н∙м при 4800 об/мин, а компактный электродвигатель мгновенно развивает мощность 200 л.с. и крутящиймомент 275 Н∙м. Общая мощность гибридной силовой установки GS 450h составляет 345 л.с., что делает его самым мощным седаном с гибридным приводом и первым автомобилем с гибридной силовой установкой, удельная мощность которой достигла значения 100 л.с. на литр рабочего объема двигателя внутреннего сгорания.

Суммарный момент двух двигателей передается на задние колеса через вариатор. Условно он имеет 6 ступеней, а фактически – это бесступенчатая передача [5].

Краткие технические характеристики ГСУ:

Двигатель внутреннего сгорания:

Мощность, л.с. при мин-1: 339/6400

Крутящий момент, Н∙м при мин-1: 368/4800

Расход топлива, городской цикл, л/100 км:8,7

Расход топлива, загородный цикл, л/100 км: 7,8

Максимальная скорость, км/ч 211

Время разгона до 100 км/ч, с: 5,2

Максимальная мощность, кВт: 147

Максимальный крутящий момент,Н∙м: 275

Автомобиль японской фирмы ToyotaPrius третьего поколения является дальнейшим совершенствованием гибридной системы THS (ToyotaHybridSystem). Силовая установка Prius включает ДВС с рабочим объемом 1,8 л и синхронный ЭДГ с планетарным делителем мощности.

Расход топлива ToyotaPriusIII в смешанном режиме движения находится на уровне 4,7 л на 100 км (4,7 л в городе, 4,8 л по трассе), что подтверждено опытной эксплуатацией.

Новыми для Prius 2010 г. являются режимы работы ГСУ. Режим только электрической тяги (Pure EV) осуществляется с неработающим ДВС до скорости 40 км/час и в случае малого ускорения при разгоне. Экономичный режим «Eco» корректирует резкие нажатия на педаль акселератора и сокращает степень открытия дроссельной заслонки на 11,6 %. Режим «Power», напротив, повышает степень открытия дроссельной заслонки, особенно в среднем диапазоне частот вращения [5,13].

Краткие технические характеристики ГСУ:

Двигатель внутреннего сгорания:

Число цилиндров: 4 (в ряд) VVT-I

Количество цилиндров: 4 (DOHC)

Мощность, л.с. при мин-1.: 98/5200

Крутящий момент, Н∙м при мин-1:142/4000

Расход топлива, л/100 км (городской цикл):4,9

Расход топлива, л/100 км (загородный цикл):4,6

Расход топлива, л/100 км (смешанный цикл):4,7

Максимальная мощность, кВт: 60

Максимальный крутящий момент, Н∙м: 207

Обзор Фольксваген Touareg V6 TSI Hybrid

ЭДГ Touareg V6 TSI Hybrid, с максимальными значениями мощности и момента 38 кВт (52 л.с.) и 300 Н∙м соответственно, функционирует совместно с шестицилиндровым ДВС V6 TSI, работает в генератором режиме при рекуперации энергии и обеспечивает электропитание автомобильного электрооборудования.

Рис. 7. TouaregV6 TSIHybrid

На рис. 8 представлена конструкция силовой установки автомобиля Touareg V6 TSI Hybrid, основные элементы которой:

6) Разъём подключения силовой электроники;

Рис. 8. Конструкция силовой установки автомобиля Touareg V6 TSI Hybrid

В спортивном режиме (положение «S» коробки передач) оба двигателя (электрический и тепловой) реализуют суммарную мощность 275 кВт (374 л.с.), при этом обеспечивая высокие тягово-динамические показатели – разгон до 100 км/ч за 6,8 секунд.

В тестовой конфигурации гибрид Touareg V6 TSI показывает предельно низкие значения выбросов CO2 (меньше 210 г/км.). Такие цифры удовлетворяют нормам Евро-5 и ULEV2.

Используемая в составе ГСУ никель-металлогидридная аккумуляторная батарея конструктивно состоит из 240 отдельных ячеек, каждая номинальным напряжением 1,2 В, что обеспечивает напряжение 288 В. Масса батареи 67 кг. Устройство контроля заряда и температуры постоянно отслеживает характеристики батареи. Наличие системы контроля режима работы АБ позволяет существенно продлить срок службы аккумуляторной батареи, это немаловажно, учитывая тот факт, что стоимость батареи, как правило, превышает 30 % стоимости АТС с ГСУ [2].

Краткие технические характеристики ГСУ:

Двигатель внутреннего сгорания:

Мощность максимальная, л.с.: 331

Расход топлива, л/100 км (смешанный цикл):8,7

Максимальная мощность, кВт: 32

Максимальный крутящий момент, Н∙м: 300

Анализируя все данные, можно сделать вывод о том, что в настоящее время наиболее распространенными конструкциями КЭУ является сочетание двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторной батареи и одной или двух электрических машин – электродвигателей-генераторов. Рассматривая тип используемого топлива и применяемых двигателей внутреннего сгорания в составе КЭУ транспортных средств, следует отметить, что автомобили с полной массой до 3,5 т преимущественно оснащаются бензиновыми ДВС (автомобили фирм Toyota, Honda, Ford и др.) [1,3, 7, 11, 16, 14]. АТС с полной массой более 3,5 т, в том числе автобусы и грузовые автомобили, оборудуются дизельными ДВС (MAN [8], Volvo [6], Daimler [12] и др.).

Читайте также:  Установка катализатора на автомобиль

В качестве батарей накопителей энергии распространение получили батареи на основе никель-металлогидридных (Ni-MH) аккумуляторов (автомобили фирм Toyota, Honda), но в настоящее время отмечается тенденция к применению литий-ионных (Li-Ion) АБ, имеющих более высокие показатели удельной энергии и мощности в сравнении с другими типами аккумуляторов (автомобили фирм Mercedes-Benz, BMW [4]). Последний факт объясняется сравнительным удешевлением данных источников тока за последние годы.

В отношении типов электрических машин, применяемых в составе КЭУ, анализ существующих разработок АТС свидетельствует о том, что в части применения тяговых электродвигателей-генераторов предпочтение отдается бесконтактным ЭДГ переменного тока, а именно синхронным машинам (СМ) с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) (автомобили фирм Toyota, Honda и др.) и асинхронным машинам (АМ) с короткозамкнутым ротором (автомобили совместного производства фирм Ford и AzureDynamics [9], автобусы фирмы MAN [11], разработки фирмы Siemens [15]).

Ютт В.Е., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электротехника и электрооборудование», ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.

Марсов В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», ФГБОУ ВПО ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.

источник

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.

Читайте также:  Установка антивандальной рамки для номера автомобиля

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.

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