Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор устройств, улучшающих экологические показатели автотранспортных средств .19
1.1. Основные особенности электромобилей и гибридных АТС 20
1.2. Основные характеристики аккумуляторных батарей электромобилей и гибридных АТС .29
1.3. Основные особенности системы стоп – старт .34
1.4. Обзор алгоритмов управления напряжением генераторных установок, направленных на снижение токсичности отработавших газов, расхода топлива и повышение энергетических показателей .40
1.4.1. Общие принципы построения интеллектуальных систем управления напряжением генераторных установок автотранспортных средств 40
1.4.2 Классификация и особенности интеллектуальных систем управления генераторных установок автотранспортных средств 43
1.4.2.1 Классификация интеллектуальных систем управления СЭС Тяговые электродвигатели современных электромобилей .43
1.4.2.2 Алгоритмы управления, обеспечивающие снижение токсичности отработанных газов двигателя автомобиля 50
1.4.2.3 Алгоритмы управления, обеспечивающие снижение расхода топлива двигателем на привод генераторной установки 51
1.4.2.4 Алгоритмы управления, обеспечивающие заданное зарядное состояние аккумуляторной батареи 52
1.4.2.5 Алгоритмы управления, обеспечивающие заданный уровень качества и стабильности напряжения в бортовой сети 57
1.4.2.6 Алгоритмы управления, обеспечивающие заданное тепловое состояние генераторной установки 60
1.5. Выводы по главе 1 .63
ГЛАВА 2. Обзор методов моделирования и расчета систем электрооборудования в эксплуатации 65
2.1. Расчет баланса электроэнергии 66
2.2. Выбор пределов регулирования напряжения генераторной установки 74
2.3. Обзор современных методов расчета выходных характеристик системы электростартерного пуска (СЭП), обеспечивающих надежный пуск первичного двигателя автотранспортного средства 83
2.4. Обзор методик расчета и экспериментального определения расхода топлива и токсичности отработавших газов автотранспортных средств в условиях реальной эксплуатации 89
2.4.1. Факторы, определяющие расход топлива автотранспортными средствами .90
2.4.2. Анализ работы по моделированию закономерностей формирования линейного расхода топлива 91
2.4.3. Расход топлива в фазе установившегося движения 95
2.4.4. Измерительная аппаратура для измерения расхода топлива и ее характеристика 104
2.5.Современные методы расчета электромашинных преобразователей для автомобилей с системой стоп-старт и рекуперацией электроэнергии 106
2.6. Выводы и заключение по второй главе 118
ГЛАВА 3 Разработка методики проектирования основных компонентов систем электрооборудования, учитывающей реальные условия эксплуатации 120
3.1. Описание алгоритма эксплуатации систем 130
3.2. Разработка алгоритма моделирования параметров эксплуатационного режима 140
3.3. Обоснование выбора шага дискретизации времени для каждого из режимов эксплуатации 151
3.4. Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля для исследования энергетических процессов 154
3.5. Разработка схемы замещения и математической модели аккумуляторной батареи 156
3.6. Разработка схемы замещения и математической модели генераторной установки .161
3.7. Разработка схемы замещения и математической модели системы электроснабжения автотранспортного средства .166
3.8. Математическая модель системы электростартерного пуска для расчета эквивалентного тока приемников электрической энергии в режиме пуска и частоты прокрутки двигателя для определения минимально допустимой степени заряженности аккумуляторной батареи 172
3.9. Заключение и выводы из третьей главы 176
ГЛАВА 4 Методика разработки алгоритмов работы системы электроснабжения, обеспечивающих повышение экологических и энергетических показателей автотранспортных средств 178
4.1. Основные показатели энергоэффективности .180
4.2. Общие положения по интеграции СЭС в мультиплексную систему обмена информацией автотранспортного средства 187
4.3. Теоретический анализ основных типов алгоритмов управления автомобильной системой электроснабжения 193
4.3.1. Выбор критерия оптимизации и независимых переменных при проведении эксперимента 198
4.3.2. Уравнение регрессии 199
4.3.3. Анализ влияния частоты вращения генератора на оборотах холостого хода двигателя автомобиля и уровня регулируемого напряжения на величину математического ожидания напряжения на приемниках электрической энергии 201
4.4. Заключения и выводы четвертой главы 203
ГЛАВА 5 Разработка алгоритма работы системы электроснабжения, обеспечивающего повышение экологических показателей автотранспортных средств .206
5.1. Выбор независимых переменных, ограничений и целевой функции 206
5.2. Разработка системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом работы 210
5.3. Результаты испытаний системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом 216
5.4. Методика непрерывного определения степени заряженности аккумуляторной батарей во время движения АТС .220
5.5. Конструктивные и функциональные особенности регулятора напряжения, работающего по разработанному алгоритму 236
5.6. Заключения и выводы из пятой главы .246
ГЛАВА 6. Проверка адекватности математической модели и разработка измерительного комплекса для испытаний систем электрооборудования автотранспортных средств .247
6.1. Назначение и структура программно-измерительного комплекса 248
6.2. Структура и принцип работы программно-измерительного комплекса .249
6.3. Перечень параметров, измеряемых комплексом .254
6.4. Проверка адекватности математической модели
6.4.1. Обработка результатов эксперимента 257
6.4.2. Проверка однородности дисперсии воспроизводимости 259
6.4.3. Проверка адекватности модели 262
6.5. Основные принципы по интеграции системы электроснабжения в мультиплексную систему обмена информацией автотранспортного средства 265
6.6. Заключение и выводы из шестой главы 268
Заключение 271
Список литературы
- Обзор алгоритмов управления напряжением генераторных установок, направленных на снижение токсичности отработавших газов, расхода топлива и повышение энергетических показателей
- Обзор современных методов расчета выходных характеристик системы электростартерного пуска (СЭП), обеспечивающих надежный пуск первичного двигателя автотранспортного средства
- Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля для исследования энергетических процессов
- Результаты испытаний системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение экологической безопасности в Концепции «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отнесено к основным направлениям экономического развития РФ.
При этом тенденция увеличения загрязнения окружающей среды автотранспортными средствами сохраняется, а объемы вредных выбросов постоянно возрастают. По данным департамента природопользования и окружающей среды города Москвы выбросы вредных веществ в атмосферу от 3,5 миллионов автотранспортных средств в 2015 году составили более одного миллиона тонн, это примерно 20 – 25% от общего количества всех вредных выбросов в атмосферу. По данным различных экологических служб ежегодно количество вредных выбросов от автомобилей возрастает на 15% – 20%.
Это во многом определяется неэффективностью работы и взаимодействия основных компонентов различных систем электрооборудования, применяемых на современных автотранспортных средствах. Основными проблемами систем электрооборудования автотранспортных средств, связанных с негативным воздействием на окружающую среду являются:
- отсутствие учета воздействия генераторной установки на уровень выбросов вредных веществ в атмосферу при выборе алгоритма управления напряжением настройки регулятора напряжения (РН);
-неэффективная методика расчета и испытаний компонентов систем электроснабжения (СЭС) и систем электростартерного пуска (СЭП) в условиях реальной эксплуатации, так как она основана на использовании усредненных значений эксплуатационных факторов (частоты вращения, нагрузки электропотребителей, напряжения настройки, температуры в подкапотном пространстве, момента сопротивления при пуске и многих других);
-недостаточное оснащение испытательных центров современным испытательным оборудованием, позволяющим проводить исследование компонентов электрооборудования автотранспортных средств в условиях реальной эксплуатации.
Большинство существующих методик расчета электрооборудования автотранспортных средств, за редким исключением, основано на использовании усредненных значений возмущающих факторов при выборе характеристик, параметров и конструкции компонентов систем электрооборудования, при этом очевидно, что в реальных условиях эксплуатации автотранспортного средства эти параметры постоянно изменяются.
Автомобили и автобусы, выпускаемые промышленными предприятиями РФ и находящиеся в эксплуатации, не удовлетворяют даже экологическому стандарту ЕВРО 3, введенному в Евросоюзе в 1999 году и регулирующему содержание вредных веществ в выхлопных газах транспортных средств. Несоответствие европейским стандартам автомобилей и автобусов, выпускаемых отечественной промышленностью, существенно снижает их конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках и объемы их производства.
Уровень выбросов вредных веществ в атмосферу во многом определяется организацией взаимодействия основных компонентов систем электрооборудования. Экспериментальные исследования показывают, что увеличение максимального тока отдачи генераторной установки до 20А приводит к увеличению расхода топлива двигателем на оборотах холостого хода на 15% - 20%. При эксплуатации в городских условиях время работы двигателя на оборотах холостого хода составляет 40 - 50% от общего времени эксплуатации. Кроме того, при работе генераторной установки на оборотах холостого хода двигателя, когда мощность, отдаваемая генератором максимальна, для этих оборотов двигатель работает с перебоями, а это вызывает увеличение токсичности отработанных газов.
Исходя из вышеизложенного, очевидна необходимость разработки алгоритмов управления генераторной установкой, которые ограничивают влияние генератора на выбросы вредных веществ и расход топлива при включении мощных приемников электрической энергии, таких как отключение генераторной установки от бортовой сети при разгоне автомобиля или применение “ком-
пенсирующего” заряда аккумуляторной батареи, когда напряжение генератора ограничивается на минимальном уровне. Кроме того, возможно применение алгоритмов управления, которые в определенных условиях, например, при включении мощных приемников электрической энергии (обогрев салона, обогрев заднего и переднего стекол, ближнего света фар), принудительно увеличивают обороты холостого хода ДВС.
Современные методики выбора основных параметров и характеристик системы электроснабжения не предусматривают моделирование ее взаимодействия с системой пуска силового агрегата автотранспортного средства в условиях реальной эксплуатации. В то же время использование системного подхода позволяет выбрать генераторную установку, стартерный электродвигатель и аккумуляторную батарею с оптимальными энергетическими и экологическими показателями, а также задать эффективный алгоритм управления системой электроснабжения.
Следует отметить недостаточное оснащение исследовательских центров автозаводов современным испытательным оборудованием, позволяющим проводить исследование компонентов электрооборудования автотранспортных средств в лабораторных и эксплуатационных условиях. Кроме того, при эксплуатационных испытаниях основных компонентов электрооборудования проводится лишь косвенная оценка качества их работы. Например, оценка работы системы электроснабжения легкового автомобиля в эксплуатации проводится по результатам балансных испытаний. При этом критериями оценки являются суточный баланс электроэнергии и удельный часовой разряд аккумуляторной батареи, числовые значения которых нормированы для режима эксплуатации “город – зима - ночь”, являющимся наиболее напряженным с точки зрения работы системы. Однако указанные параметры позволяют проводить только косвенную оценку качества работы системы электроснабжения в эксплуатации, так как основной ее задачей является надежное обеспечение приемников электрической энергией требуемого качества в эксплуатации при снижении выбросов
вредных веществ в окружающую среду и расхода топлива на привод генераторной установки.
Диссертация выполнена в соответствии с экологической стратегией, разработанной Министерством промышленности и торговли России.
Индикатором выполнения экологической стратегии является увеличение доли машин Euro-4 до 80%. Подобные показатели ожидаются к 2030 году, а в 2018 году доля автомобилей Euro-4 составит20%.
Научным основам энергоэффективности и экологической безопасности электротехнических комплексов автономных объектов, в частности автотранспортных средств, посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Развитию теории проектирования и исследования систем электроснабжения и пуска АТС посвящены работы Фесенко М.Н., Трещева А.И., Фрезинского М.Л., Купеева Ю.А., Банникова С.П., Чижкова Ю.П., Ютта В.П., Галкина Ю.М., Петленко Б.И., Акимова С.В. Вопросы снижения влияния АТС на окружающую среду рассматриваются в работах Бахмутова С.В., Эйдинова А.А., Шарипова В.М., Гурицкого О.И. Теоретические основы экологической безопасности АТС заложены в трудах Графкиной М.Н., Ерохо-ва В.И., Нюнина Б.Н., Хуторского М.Д., Зволинского В.П.
В то же время вопросы повышения экологической безопасности и энергоэффективности электротехнических комплексов автономных объектов путем оптимизации и интеллектуализации работы электромеханических преобразователей еще недостаточно проработаны. В настоящее время наблюдается дефицит научно обоснованных технических решений, применяемых в устройствах управления системами электроснабжения и пуска двигателя, обеспечивающих эффективное управление их компонентами. Несмотря на большое количество исследований в этой области, проблема комплексной оценки работы систем электроснабжения и пуска в эксплуатации далека от практического решения.
Анализ работ зарубежных авторов показывает, что многие аспекты проблемы, связанной с повышения эффективности работы электротехнических комплексов автономных объектов, уже в достаточной степени проработаны.
Однако применяемые за рубежом методы и технологии не учитывают особенности производства и эксплуатации автотранспортных средств в России (уровень технологии производства, значительный износ производственного оборудования, климатические условия, значительные расстояния между населенными пунктами, отсутствие необходимой инфраструктуры и др.).
Необходимость выведения производства автотранспортных средств в России на качественно новый уровень делает актуальным повышение экономичности и экологичности автотранспорта за счет эффективного управления электротехническим комплексом.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы
является повышение экономичности и экологичности автотранспортных
средств за счет оптимизации алгоритмов управления системой электроснабжения, обеспечивающих снижение уровня выбросов вредных веществ в атмосферу и расхода топлива силовым агрегатом на привод генераторной установки.
Достижение поставленной цели предусматривает решение ряда взаимосвязанных научных и практических задач:
анализ существующих методов расчета и проектирования электрооборудования автотранспортных средств;
исследование алгоритмов работы компонентов систем электроснабжения и пуска силового агрегата, направленных на повышение экономичности и экологичности;
обзор современных методов для исследования систем электрооборудования автотранспортных средств в различных режимах и условиях эксплуатации;
разработка методики исследования работы компонентов систем электроснабжения и пуска двигателя в эксплуатации;
создание и внедрение эффективных с точки зрения снижения токсичности отработанных газов и расхода топлива алгоритмов управления напряжением генераторной установки автотранспортного средства;
- разработка методики исследования и испытаний различных систем
электрооборудования в реальных режимах и условиях эксплуатации, обеспечи
вающей возможность оценки качества работы систем по функциональным по
казателям;
- разработка измерительного комплекса для исследования электрообору
дования автотранспортных средств в эксплуатации.
Объект исследования – системы электроснабжения и пуска двигателя автотранспортных средств (генератор, управляющее устройство, стартерный электродвигатель, аккумуляторная батарея).
Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач применялись методы математического, имитационного и физического моделирования, методы структурного анализа, теории вероятностей и математической статистики, включая методы статистической обработки данных, теории регрессионного анализа.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается применением апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических систем, результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждена патентом.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принцип и способ регулирования напряжения в бортовой сети АТС, снижающий расход топлива на 8 -12 процентов в зависимости от условий эксплуатации за счет расширения диапазона регулируемого напряжения и выбора минимального или максимального уровня в зависимости от степени заряженно-сти АБ.
-
Математическая модель систем электроснабжения и пуска с адаптивными алгоритмами управления напряжением генераторной установки в эксплуатации, обеспечивающая учет случайного характера изменения эксплуатационных факторов (частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температур окружающей среды и в подкапотном пространстве, режима движения и т.д.). Математическая модель для определения влияния СЭС на экологи-
ческие характеристики АТС (расход топлива и токсичность отработавших газов) по величине мгновенных значений токов и напряжений в бортовой сети транспортного средства.
3. Методика эксплуатационных испытаний АТС, отличающаяся возможностью моделировать различные законы управления силовым агрегатом АТС и определять качество работы компонентов различных систем электрооборудования.
Научная новизна и значимость работы
Разработана и научно обоснована методика создания систем электрооборудования с улучшенными экологическими и энергетическими параметрами автотранспортных средств. Методика позволяет проводить комплексное моделирование СЭС совместно с системой электростартерного пуска ДВС с учетом мгновенных значений токов и напряжений в бортовой сети для определения энергии, расходуемой двигателем на привод генератора. В расчетах также используется зависимость КПД генератора от частоты вращения. Эта величина косвенно характеризует расход топлива ДВС на привод генераторной установки.
Предложена методика, позволяющая осуществить выбор алгоритма управления основными компонентами систем электроснабжения и пуска автотранспортных средств различного функционального назначения, улучшающих экологические показатели.
Теоретически обоснованы и практически реализованы эффективные алгоритмы управления различными системами электрооборудования автотранспортных средств, которые предназначены для снижения их негативного воздействия на окружающую среду и удовлетворяющие условиям современных экологических стандартов.
Предложена математическая модель и создана методика имитационного моделирования систем электроснабжения и пуска двигателя АТС с адаптивными алгоритмами управления в эксплуатации в режиме реального времени, обеспечивающая учет случайного характера изменения возмущающих факто-
ров (частоты вращения, электрической нагрузки, температур окружающей среды и в подкапотном пространстве АТС, режима движения).
Разработан измерительный комплекс, позволяющий исследовать основные компоненты системы электрооборудования автотранспортных средств в эксплуатации. Комплекс позволяет производить исследование энергетических показателей, вибрационных и ударных нагрузок различных систем. Комплекс моделирует алгоритмы управления компонентами систем электроснабжения и пуска в эксплуатации.
Практическая значимость работы
Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что полученные положения, выводы и предложения могут быть использованы при разработке систем электроснабжения и пуска автотранспортных средств различного функционального назначения, а также при создании алгоритмов управления адаптивными СЭС.
Полученные автором результаты внедрены на предприятиях автотракторного электрооборудования.
Интеллектуальный регулятор напряжения, обеспечивающий снижение расхода топлива более чем на 8% для автомобилей Волжского автомобильного завода (измерения проводились на автомобиле Калина), внедрен на ОАО Электромодуль. Объем производства регуляторов напряжения с 2007 года по 2013 год составлял 20 000 – 25 000 шт. в год.
Комплекс программ имитационного моделирования СЭС различных типов АТС в режиме реального времени, определяющий влияние на экологические характеристики транспортного средства, внедрен в ФГУП НИИАЭ.
Измерительный комплекс, позволяющий проводить исследование энергетических показателей, вибрационных и ударных нагрузок различных систем, внедрен на ОАО Электромодуль и ФГУП НИИАЭ.
Генераторная установка для городских автобусов ЛиАЗ с удельными показателями 400 Вт/кг, позволяющая снизить расход топлива до 2,5%, внедрена
в ООО ГИОР. Объем производства генераторной установки в настоящее время составляет 1 000 – 1 500 шт. в год.
Вентильный электродвигатель для предпусковых подогревателей, сни
жающий токсичность отработавших газов большегрузных автомобилей и пол
ностью заменяющий зарубежный электродвигатель фирмы Вебасто, внедрен в
ООО ГИОР для автомобилей КАМАЗ, поставляется на производственную
коммерческую фирму Полюс и на вторичный рынок в запчасти. Объем производства электродвигателей составляет 800 – 1 300 шт. в год.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
- на международной научно-технической конференции ААИ «Автомо
биле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка» 8 – 10
ноября 2010 года;
- на 77-ой международной конференция ААИ «Автомобиле- и тракторо
строение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», проходившей
27-28 марта 2012 г. в Московском государственном техническом университете
«МАМИ»;
- на форуме-выставке "Интеллектуальная собственность восточного
округа", проходящем 28-29 ноября 2012 года;
- на 85-ой международной научно-технической конференции ААИ
«», проходящей 24 апреля 2014 года в
университете машиностроения;
- на IX международном салоне «КОМПЛЕКСНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ-2016» на ВДНХ 10 - 15 мая 2016 года;
на ученом совете ФГУП НИИ автомобильной электроники;
в научно-технических отделах Ржевского завода автотракторного электрооборудования (ОАО “Элтра”), Калужского завода автоэлектрооборудования, ЗАО “Коминвест”, ОАО "Автосвет" (г. Киржач), ОАО “Машиностроительный завод “Маяк” и на Московском машиностроительном заводе “Вперед”.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 30 работах, 25 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 один патент на изобретение, 4 в трудах конференций.
Личный вклад соискателя состоит в разработке комплексного подхода к проектированию систем электроснабжения и пуска автотранспортных средств. В создании алгоритмов, повышающих эффективность использования компонентов систем электроснабжения и пуска двигателя. Части исследований, которые проводились в соавторстве, отмечены в тексте диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем 348 стр. основного текста, включая 56 рисунков и 3 таблицы. Список использованных источников содержит 175 наименований.
Обзор алгоритмов управления напряжением генераторных установок, направленных на снижение токсичности отработавших газов, расхода топлива и повышение энергетических показателей
С учётом КПД производства и транспортировки бензина лучшие по энергоэффективности электромобили со значением 0,5 км/МДж начальной энергии исходного топлива сопоставимы с традиционными легковыми автомобилями с бензиновым ДВС. Эти электромобили имеют среднюю эмиссию окиси углерода 120г/км, и уже значительно уступают традиционным автомобилям с эмиссией окиси углерода 100 г/км и ниже. Средние значения КПД, эффективность производства дизельного топлива из нефти и средние эмиссии окиси углерода у дизелей меньше, чем у аналогичных бензиновых автомобилей. Сопоставление дизельных автомобилей по полному жизненному циклу показывает их некоторое преимущество по сравнению с бензиновыми автомобилями. Очевидно, что по полному жизненному циклу дизельные автомобили имеют преимущество над современными электромобилями.
Электромобили с трудом нашли бы своё место на коммерческих рынках мира, если бы не специально принятые в некоторых странах меры, стимулирующие развитие автомобилей с низкой или нулевой эмиссией окиси углерода. Например, около десятка стран-членов ЕС ввели специальные стимулы для покупки электромобилей. Такие меры в основном состоят из снижения налогов и применения льгот, а также премиальных выплат для покупателей электромобилей. Например, во Франции покупка электромобиля стимулируется правительством страны с помощью так называемого экологического бонуса, который в 2013 году составлял 7 000 евро, а на 2014-й и 2015-й составил 6 300 евро [12].
Значительные меры поддержки во многих странах применяются и для стимулирования продаж гибридных АТС. Во Франции покупка каждого гибридного автомобиля, имеющего официальные данные по эмиссии окиси углерода менее 60 г/км, стимулируется правительством страны экологическим бонусом в размере 4 000 евро. Покупка обычных гибридных автомобилей с выбросами окиси углерода ниже 110 г/км стимулируется бонусом, который в 2013 году составлял 2 000–4 000 евро, в 2014-м 1650– 3300 евро, в 2015-м – 1000–2000 евро в зависимости от стоимости автомобиля [12].
Хотя фискальные меры являются важным инструментом изменения потребительского спроса в сторону экономичных автомобилей, экологические результаты от таких налоговых стимулов могут отрицательно влиять на развитие промышленности и технологий, создавая несправедливую конкуренцию. Например, многочисленные индустриальные союзы ЕС настоятельно призывают правительства стран ЕС применять гармонизированный подход для схем налогообложения автомобилей, который бы являлся нейтральным в отношении применяемых технологий, например на основе эмиссии окиси углерода в полном процессе wello-wheel [13]. Для отечественного рынка рост динамики продаж электромобилей будет ограничиваться не только их высокой ценой и отсутствием стимулирующих мер, но и особенностями климата России, существенно снижающим эксплуатационные характеристики электромобилей и тяговых батарей. Дополнительно отсутствие инфраструктуры для сервиса и зарядки электромобилей, утилизации батарей, а также низкой средней энергоэффективностью при генерации и транспортировке электроэнергии в РФ, делают электромобили неконкурентными по анализу полного жизненного цикла по сравнению с традиционными автомобилями с ДВС. Это целиком относится и к подзаряжаемым гибридам, которые не только не имеют преимуществ перед бензиновыми и дизельными автомобилями в полном жизненном цикле с учётом проведения всего экологического баланса составляющих процессов производства и транспортировки топлив, но даже уступают им.
Транспортный сектор является крупнейшим потребителем нефтепродуктов с долей более 60 % от всего мирового потребления нефти. Количество автотранспортных средств во всём мире стремительно растёт и уже превышает 1 миллиард единиц. В то время, как многие другие секторы промышленности оказались в состоянии стабилизировать или сократить эмиссию окиси углерода и других парниковых газов, применяя новые технологии, методы и процессы, выбросы углекислого газа, связанные с транспортными перевозками, увеличились как в относительном (доля в суммарных антропогенных выбросах), так и в абсолютном выражении, давно превысив уровень 3 млрд. тонн в год. Одним из актуальных и перспективных направлений является диверсификация применяемых на транспорте видов топлива. Наиболее интересные решения по снижению расхода топлива и эмиссии окиси углерода находятся в сфере применения альтернативных видов топлива, увеличения количества автомобилей, работающих на природном газе, биодизеле, биометане, этаноле.
Сравнительная оценка альтернативных видов автомобилей и топлив по методикам жизненного цикла (life-cycle assessment, LCA) с учётом WTW-анализа показывает, что общие показатели эмиссии окиси углерода для электромобилей при полном WTW-анализе для действующих систем генерации и транспортировки электроэнергии превышают аналогичные значения для бензиновых и дизельных автомобилей. Ведь производство электроэнергии приводит к образованию огромного количества отходов и эмиссии вредных веществ и парниковых газов. Это относится и к так называемым подзаряжаемым гибридам.
Обзор современных методов расчета выходных характеристик системы электростартерного пуска (СЭП), обеспечивающих надежный пуск первичного двигателя автотранспортного средства
Расчет баланса электроэнергии имеет целью определить потенциальные возможности генератора обеспечивать баланс электроэнергии при заданных режимах эксплуатации [85-87]. Необходимое для обеспечения приема батареей зарядного тока регулируемое напряжение при заданном состоянии батареи, а также верхняя граница регулируемого напряжения, при которой требуется применение подогрева батареи, устанавливаются нормативно-технической документацией.
Расчетная нагрузка потребителей определяется для следующих типовых режимов работы: 1. Для автомобилей и автобусов общего назначения, не имеющих установки кондиционирования воздуха: а) режим движения по шоссе, ночью, зимой; б) то же, днем, зимой; в) режим движения в городе, ночью, зимой; г) то же, днем, зимой; 2. Для автомобилей и автобусов общего назначения, оборудованных установками для кондиционирования воздуха (режимы а, б, в, г проверяются также и для условий движения летом с работающим кондиционером, а если для лета получается более высокое значение расчетной нагрузки, то в расчетах принимаются значения расчетной нагрузки для лета). Расчетная нагрузка Iн. от потребителей, включенных при движении и на коротких остановках с работающим двигателем, определяется суммированием эквивалентных токов потребителей по формуле [87, 103]: Iн = Iэкв. = Iпотр. Kt Кн, (2.1) где Iэкв. - эквивалентный ток потребителя, А; Kt - коэффициент времени работы потребителей по отношению ко времени работы двигателя; Кн -коэффициент нагрузки (для потребителей, имеющих несколько ступеней включения, соответствующих работе с различной нагрузкой). Ток потребителей определяется при напряжении сети 13,5В или 27В. Напряжением в сети считается напряжение на зажиме "плюс" бортового амперметра или (при отсутствии амперметра) на входном зажиме включателя зажигания.
Коэффициенты времени работы Kt различных электропотребителей приведены в [75, 87] . Потребители кратковременного действия (электродвигатели управления зеркалами заднего вида, стеклоподъемников, выдвижения антенны, блокировки дифференциала и т.п.) при расчете нагрузки не учитываются.
Коэффициент нагрузки Кн характеризует собой среднее значение нагрузки за рассматриваемый период работы автомобиля. Величина Кн при отсутствии указаний в [87] определяется предприятием-изготовителем в зависимости от заданного режима работы данного автомобиля или автобуса.
Для грузовых автомобилей, предназначенных для работы с прицепом, расчетная нагрузка Iн определяется как для одиночного автомобиля, так и с учетом потребления электроэнергии светосигнальными фонарями прицепа и другими устройствами, обеспечивающими безопасность движения.
Для предварительного выбора типа и размеров генератора [3-5] определяется ток потребителей электроэнергии для режима движения автомобиля по междугороднему шоссе ночью зимой.
В автомобилях и автобусах, имеющих установки для кондиционирования воздуха, расчетная нагрузка проверяется также и ночью, летом, и в дальнейших расчетах принимается большее из полученных значений расчетной нагрузки. Определяется требуемый максимальный ток генератора Iг.макс по следующим формулам: - для легковых автомобилей Iг. макс = 1,15 Iн; - для грузовых автомобилей Iг. макс = 1,25 I н. Требуемая мощность генератора Рг определяется как произведение номинального напряжения Uн = 14В или 28В на максимальный ток Iг.макс Рг = Uн Iг. макс. (2.2) Найденные значения тока и мощности генератора обеспечивают практически нулевой баланс электроэнергии при езде по шоссе ночью при котором степень заряженности батареи сохраняется неизменной.
На основании полученного значения необходимой мощности Рг и максимального тока генератора Iг. макс. производится предварительный выбор конкретного типа генератора и передаточного числа его привода, после чего поверочным расчетом баланса электроэнергии проверяется его соответствие условиям движения по городу зимой.
При этом, поскольку у современных автомобилей расчетная нагрузка от потребителя для города мало отличается от таковой на шоссе, а скоростной режим при городском движении тяжелее, предварительно выбранные параметры генератора и передаточное отношение привода должны быть уточнены на основании результатов упомянутого поверочного расчета.
Для примера на рис. 14 и рис. 15 приведены типовые кривые скоростного режима генератора при Кг = 60 для городского режима эксплуатации легковых и грузовых автомобилей. Т - относительное время работы генераторной установки на определенной частоте вращения n, отложенной по оси абсцисс.
Принципиальная схема системы электроснабжения автомобиля для исследования энергетических процессов
В настоящее время для расчета расхода топлива (Q, л/100 км), используется следующее уравнение [112]: Q = gе (Ga + 0.077 k F Vа) / 0.36 10 тр т, (2.32) где ge — удельный расход топлива; Ga — расчетный вес автомобиля; — коэффициент дорожного сопротивления (0,026); k — коэффициент сопротивления воздуха; F — лобовая площадь автомобиля; Va — скорость автомобиля (принимается 60% максимальной паспортной скорости); тр — коэффициент полезного действия трансмиссии (принимается 0,875 для автомобилей с одним и 0,825 с двумя ведущими мостами); т — плотность топлива (принимается 0,74 для бензина и 0,825 для дизельного топлива).
Это уравнение не учитывает того, что удельный расход топлива не является постоянной величиной. При увеличении нагрузки он уменьшается примерно с 650 до 300 г/(кВт-ч). Как видно из нагрузочной характеристики двигателя, на удельный и часовой расход топлива сильно влияет частота вращения коленчатого вала. Из приведенного рис. 18 также следует, что при изменении режимов работы двигателя существенно изменяется коэффициент избытка воздуха, от величины которого очень сильно зависит топливная экономичность автомобиля. Уравнение не учитывает коэффициенты избытка воздуха, полезного действия двигателя, передаточные числа коробки передач и главной передачи, радиус колес, теплоту сгорания топлива и другие пара 100 метры. Эта модель для эксплуатационных расчетов и нормирования топлива практически непригодна [112]. Далее рассматривается другая, более совершенная модель [113, 114].
При разработке мероприятий по экономии топлива необходимо исходить: из анализа основ теории двигателя, способов приготовления горючих смесей, процессов сгорания в двигателях, особенностей протекания рабочих процессов, в различных режимах, а также учета влияния различных условий работы и конструктивных и эксплуатационных параметров автомобиля и экономичных методов управления на его топливную экономичность. Очень важно уметь правильно рассчитывать и определять нормы расхода топлива при движении автомобиля в дорожных условиях и при испытании на стенде с беговыми барабанами. Уравнение расхода топлива можно получить из уравнения [115] Q = 100 Gт / ( Va э ) . (2.33) Для расчета часового расхода топлива необходимо удельный расход топлива умножить на мощность Gт = ge Ne = 0,03 Vh n Pe / ( Ha э ), (2.34) где ge — удельный расход топлива; Ne — эффективная мощность двигателя; Ре — среднее эффективное давление; На — низшая теплота сгорания топлива; э — эффективный КПД; Vh — рабочий объем цилиндров двигателя; n — частота вращения коленчатого вала. Частота вращения коленчатого вала определяется по формуле через скорость движения автомобиля n = io iк Va / rк , (2.35) где io, iк — передаточные числа главной передачи и коробки передач; гк — радиус качения. Эффективный КПД двигателя можно выразить через механический и индикаторный КПД следующим образом: э = м и = Pe тр / (Ре + Рп) , (2.36) где Рп — среднее давление механических потерь в двигателе. 101 Среднее эффективное давление Ре определяется из уравнения мощности, подведенной к колесам автомобиля. Мощность на ведущих колесах равна сумме трех слагаемых [116]: (Ga тр + 0.077 k F Va + 0,1 тр Ga Va) Va / 3,6 (2.37)
Третье слагаемое является дополнительной силой Pj на преодоление сил инерции. Эта сила складывается из силы Рр, необходимой для разгона поступательно движущихся масс, и силы, необходимой для разгона вращающихся частей. Для упрощенных расчетов можно принять, что сила Pj пропорциональна силе Рр и коэффициенту, учитывающему влияние вращающихся масс (маховик, колеса и др.). Pj = Pp = 0,1 э Ga Va , (2.38) где Va — ускорение (замедление) движущегося автомобиля. Коэффициент э приближенно рассчитывается по формуле э = 1 + ак iк тр , (2.39) где ак —постоянная для данного автомобиля величина (для легковых автомобилей 0,03 - 0,05, для грузовых и автобусов 0,05 - 0,07); iк— передаточное число коробки передач.
Для определения среднего давления механических потерь на трение в двигателе существует ряд эмпирических формул, которые в общем виде записываются следующим образом: Рп = а + b Сп , (2.40) где а и b — постоянные для данного двигателя коэффициенты; Сп — средняя скорость поршня. Эти потери от мощности двигателя практически не зависят. Выразив скорость поршня через его ход (Sп) и частоту вращения коленчатого вала (n), получим уравнение: Рп = а + 0,033 b Sп n . (2.41) Примерно 65% энергетических потерь на трение приходится на цилиндропоршневую группу, 15 - 20 % — на процессы газообмена и 10%— на привод вспомогательных приборов. За счет снижения механических потерь на трение, газообмен и привод вспомогательных приборов расход топлива можно снизить на 3 - 5 % [117]. Коэффициенты a и b экспериментально находят для каждого типа двигателя при разных отношениях хода поршня Sп к диаметру цилиндра Dц. Для карбюраторных двигателей при Sп / Dц 1 значение коэффициентов a и b несколько больше, чем при Sп / Dц 1.
Для дизельных двигателей коэффициенты a и b несколько больше, чем для карбюраторных. С достаточным приближением для практических расчетов можно принять а для дизелей 48 кПа и карбюраторных двигателей 45 кПа, b соответственно 16 и 13 кПа с м-1.
Расход топлива зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов. Некоторые из них являются функцией других параметров. Конструкция двигателя выражена через индикаторный и механический КПД, коэффициент избытка воздуха, рабочий объем цилиндров и ход поршня. Вид и марка топлива для данного двигателя характеризуются низшей теплотой сгорания и плотностью топлива. Конструкция автомобиля выражена через передаточные числа главной передачи и коробки передач, радиус качения колеса, КПД трансмиссии, массу автомобиля и фактор обтекаемости кузова автомобиля. К эксплуатационным факторам относится средняя техническая скорость, масса перевозимого груза и суммарное сопротивление дороги.
Рассмотрим влияние индикаторного и механического КПД двигателя на расход топлива. Качество работы ДВС и индикаторный КПД зависят главным образом от качества протекания процессов сгорания (полноты сгорания) [118]. Для карбюраторных двигателей индикаторный КПД изменяется в пределах 0,25 – 0,35, а для быстроходных дизельных двигателей КПД изменяется от 0,42 до 0,52. Индикаторный КПД экспериментально определяется по индикаторной диаграмме (рис. 19).
Результаты испытаний системы электроснабжения с частично оптимизированным алгоритмом
В блоке 1 осуществляется ввод значения сопротивления нагрузки RH , которое было в конце предыдущего этапа и длительность последовательности этапов от установившегося движения до стоянки с работающим ДВС включительно TP или наоборот от стоянки с работающим ДВС до установившегося движения. Там же счетчику L, определяющему порядковый номер потребителя, присваивается значение.
В блоке 2 проверяется, не равен ли нулю L-й элемент одномерного массива JOB. JOB(I) = 0 означает, что i-тый потребитель в течение рассматриваемого промежутка времени был включен, отработал положенное ему время и выключен), в блоке 3 проверяется, включен или выключен в текущий момент времени i-й потребитель (SWITCH = 0 означает, что потребитель включен, начальное значение элементов массива SWITCH= 0.
В блоке 4 проверяется, определялись ли при данном обращении к программе длительность включения i-го потребителя ТТ( I ) и время его обязательного включения в течение текущего дня эксплуатации длительности Т1(I). Если длительность не определялась (соответствующий элемент массива равен 0), то в блоке 5 определяются указанные величины, а также соответствующему элементу массива L присваивается значение I. В блоке 6 рассчитывается текущее время эксплуатации потребителя Т(I), в блоке 7 проверяется, не возникла ли необходимость обязательного включения рассматриваемого потребителя. В блоке 8 случайное число PОN сравнивается с вероятностью включения i-го потребителя P(i). Если потребитель при данном обращении должен быть включен, то управление передается в блок 10, где производится расчет времени, прошедшего с момента включения TОN(i), и изменяется значение i-го элемента массива SWITCH. В блоке 11 определяется новое значение сопротивления нагрузки.
Логический блок 9 служит для организации цикла по всем потребителям с Kt 1 при обращении к подпрограмме, разработанной на основе данного алгоритма. Если потребитель включен, то из блока 3 управление передается в блок 12, где время ТОN(I) сравнивается с TT(i). Если время работы потребителя еще не истекло, управление передается в блоке 13, а затем в блоке 14, где последовательно увеличивается на величину TP времена TON(i) и Т(i). Если время работы потребителя истекло, то в блоке 15 определяются новые значения соответствующих элементов массивов JOB и SWITCH а также вычисляется новое значение RH .
При передаче управления из блока 2 в блок 16 (а это происходит всякий раз, когда потребитель отработал положенное ему время в процессе текущего дня эксплуатации), где осуществляется сравнение Т(i) с i-м элементом массива Т1. Массив Т1 содержит в себе информацию о длительностях одного обязательного включения и работы потребителя, для тех потребителей, которые в течение одного дня эксплуатации могут быть включены многократно. После проверки в блоке 16 управление передается в блок 14 или в блок 17, где соответствующие элементы массивов Т и L обнуляются, а i-й элемент массива JOB приравнивается к единице.
При дискретной имитации работы СЭС анализ взаимодействия источников и приемников электрической энергии проводится в определенные промежутки времени, удаленные друг от друга на величину шага дискретизации Т [126, 127]. Очевидно, что если шаг дискретизации будет слишком мал, то неоправданно увеличатся вычислительные затраты без какого-либо существенного снижения погрешности расчетов, и наоборот [128, 129], при чрезмерно большом шаге дискретизации, характер протекания энергетических процессов может быть при моделировании существенно искажен [130, 131]. Поэтому шаг дискретизации должен выбираться таким, чтобы его уменьшение уже не сказывалось бы на погрешности расчета, а его увеличение не приводило бы к неадекватному описанию рабочих характеристик основных компонентов СЭС [132, 133].
Основываясь на понимании того факта, что систематическая погрешность расчета возникает из-за линеаризации существенно нелинейных характеристик компонентов СЭС в промежуточных точках между временами Т1 и Т2 = Т1 + Т определим максимально допустимую величину Т [134, 135].
Применительно к токоскоростной характеристике (наиболее чувствительной характеристике к изменению частоты вращения ротора генератора и, следовательно, шага дискретизации) генераторной установки величина рассчитывается по следующей формуле: Т = ( nг / Кг ( J)) / 3,6 Qмакс, (3.12) где nг - интервал частоты вращения на наиболее криволинейном участке токоскороотной характеристики обеспечивающий погрешность линейной интерполяции не более заданной (пример определения nг приведен на рис.26); Qмакс - максимальное ускорение автомобиля в эксплуатации. Расчеты применительно к легковым малолитражным автомобилям показывают, что интервал дискретизации может быть принят равным (0,7 – 1,0) секунды.
Если для режима движения, когда наиболее чувствительной к изменению времени является токоскоростная характеристика генератора и шаг дискретизации может быть рассчитан по соотношению (11), то для событий "остановка", "стоянка", "прогрев" и "выбег" величина nг постоянна и параметры генераторной установки не зависят от времени. Для указанных событий величина Т может быть выбрана из анализа динамических разрядных характеристик аккумуляторной батареи, аналогично тому, как показано на рис. 26 применительно к аккумуляторной батарее 6СТ55АЗ . В данном случае Т = 30 секунд.