Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность проблемы .
1.1. Современные направления повышения эффективности энергетических установок автомобилей. Цель и задачи исследований 8.
1.2. Предпосылки и условия применения АТС с КЭУ 15.
1.3. Анализ литературных источников по АТС с КЭУ 18.
1.4. Заключение по главе 1 39.
Глава 2. Исследование основных свойств КЭУ на базе ДВС .
2.1. Анализ структурных схем КЭУ на базе ДВС 40.
2.2. Функциональные свойства КЭУ различного типа на базе ДВС 45.
2.3. Математическая модель энергетического баланса АТС с КЭУ на базе ДВС 54.
2.4. Заключение по главе 2 70.
Глава 3. Определения энергетических параметров АТС с КЭУ на базе ДВС, бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки в составе внутригородских АТС.
3.1. Задачи определения энергетических параметров КЭУ 72.
3.2. Определение рациональных пределов мощности, реализуемой ДВС входящим в состав КЭУ 73.
3.3. Определение рациональных режимов работы ДВС в составе КЭУ...79.
3.4. Учет условий движения АТС с КЭУ на базе ДВС 80.
3.5. Методика расчета параметров АТС с КЭУ 82.
3.6. Алгоритм работы КЭУ 90.
3.7. Бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки в составе внутригородских АТС 91.
3.8. Заключение по главе 3 94.
Глава 4. Экспериментальные исследования
4.1. Объекты исследования 95.
4.2. Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований АТС с КЭУ на базе ДВС 97.
4.2.1. Мобильный научно-исследовательский имитационный комплекс для изучения режимов работы АТС с КЭУ на базе ДВС 97.
4.2.2. Проведение исследований КЭУ в составе АТС на стенде с беговыми барабанами 100.
4.3. Экспериментальные исследования автомобиля-лаборатории с КЭУ на базе ДВС, разработанного и изготовленного в ФГУП «НАМИ» 111.
4.4. Модификация ДВС ЗМЗ-4062.10 для работы в составе КЭУ 115.
4.5. Экспериментальные исследования автомобиля TOYOTA «Prius» производства Япония с КЭУ на базе ДВС : 117.
4.6. Анализ результатов экспериментальных исследований АТС с КЭУ на базе ДВС 120:
4.7. Рекомендации по применению КЭУ на базе ДВС для внутригородских АТС различного назначения 128.
4.8. Создание унифицированной платформы 129.
4.9. Заключение по главе 4 144.
Глава 5. Вопросы оценки экономичности и экологических характеристик АТС с КЭУ на базе ДВС
5.1. Экономический эффект от сокращения расхода топлива при применении АТС с КЭУ на базе ДВС 147.
5.2. Затраты на переоборудование АТС 150.
5.3 .Заключение по главе 5 151.
Основные результаты и выводы по диссертационной работе 152.
Список литературы
- Анализ литературных источников по АТС с КЭУ
- Математическая модель энергетического баланса АТС с КЭУ на базе ДВС
- Определение рациональных пределов мощности, реализуемой ДВС входящим в состав КЭУ
- Мобильный научно-исследовательский имитационный комплекс для изучения режимов работы АТС с КЭУ на базе ДВС
Введение к работе
Актуальность работы: Многие страны ввели жесткие нормы на выбросы отработавших газов (ОГ), особенно СОг (парниковый эффект), автотранспортными средствами (АТС), предопределившие принятие ряда программ по улучшению экологии и снижению расходов топлива (программы «ALSTORE» и «EURELECTRIK» - Евросоюз, «Freedom Car» - в США, «Национальная инициатива создания экологически чистых двигателей и автомобилей нового поколения» - в Японии и др.). В этих программах предусмотрены работы по исследованию и внедрению АТС с комбинированными энергетическими установками (КЭУ) на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электропривода в ближайшей и основанных на электрохимическом генераторе (ЭХГ), а также электромобилей (ЭМ) в более далекой перспективе.
В России также разрабатываются программы снижения воздействия АТС на человека и окружающую среду. В соответствии с решением Правительственной Комиссии по вопросам развития промышленности, технологий и транспорта от15.03.2008года №1142-ПЯ. разработан проект Программы «Создание автотранспортных средств нового поколения, работающих на альтернативных видах топлив, в том числе газовом, а также с применением комбинированных энергетических установок на 2010-2014 г.г.». Кроме того, Правительством Москвы одобрена «Концепция разработки и создания перспективных образцов транспортных средств с электроприводом» и разработана одноименная программа, включающая создание и внедрение АТС с КЭУ на базе ДВС и ЭМ. Однако, только принятие программ не достаточно для получения требуемых результатов. Необходимо решение ряда технических проблем, сдерживающих развитие АТС с КЭУ на базе ДВС. Исследования в области развития внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС являются актуальными, так как обеспечивается снижение расхода топлива до 40%, а выбросов ОГ более чем на 50%.
Цель исследований: повышение экономичности и экологических характеристик внутригородских АТС путем применения КЭУ на базе ДВС.
Сформулированная в работе цель достигается решением следующих задач:
Исследование основных направлений развития внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, обеспечивающих выполнение перспективных международных требований по экологии и топливной экономичности.
Создание исследовательских инструментов для расчетно-теоретических работ, позволяющих на стадии проектирования определять основные параметры компонентов КЭУ и оптимизировать режимы работы ДВС в составе КЭУ, для выбранного типа внутригородских АТС с учетом различных режимов их эксплуатации.
3. Создание мобильного научно-исследовательского имитационного лабораторного
комплекса для изучения АТС с КЭУ на базе ДВС и проведение экспериментальных
исследований, направленных на разработку требований к ДВС, рекомендаций по
применению АТС с КЭУ на базе ДВС различных схемных решений в зависимости от
технологического цикла работы АТС, а также на оценку адекватности математической
модели и методики расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ.
4. Проведение оценки экономичности и экологических характеристик внутригородского
АТС с КЭУ на базе ДВС на примере автомобиля ГАЗ - 332132, эксплуатируемому в
качестве маршрутного такси.
Объекты исследований: В качестве объектов исследования в данной работе использовались разработанный и изготовленный в ФГУП «НАМИ» автомобиль-лаборатория с КЭУ на базе ДВС на основе автомобиля ГАЗ-27257 и модернизированного двигателя ЗМЗ-4061.10, а также автомобиль TOYOTA «Prius» с КЭУ на базе ДВС.
Научная новизна:
На основе математической модели энергетического баланса АТС с КЭУ разработана методика расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС.
В качестве инструмента оптимизации характеристик и режимов работы основных компонентов АТС с КЭУ на базе ДВС разработана бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки.
Разработаны требования к ДВС, предназначенным для работы в составе КЭУ.
Практическая значимость:
Созданы автомобиль-лаборатория с КЭУ на базе ДВС и, на его основе, мобильный научно-исследовательский имитационный комплекс для изучения КЭУ на базе ДВС, позволяющие воссоздавать энергетические потоки при различных схемных решениях, отрабатывать алгоритмы управления и оптимизировать параметры компонентов КЭУ.
Проведенные исследования позволили спроектировать и изготовить унифицированную платформу, основанную на применении электрических мотор-колес и КЭУ на базе ДВС, выполненной по последовательной схеме.
3. Подготовлены и переданы на ОАО «ЗМЗ», ОАО НПП «Квант» и ГТУ «МАДИ» рекомендации, требования к ДВС и мероприятия по модернизации ДВС ЗМЗ-4061.10 для работы в составе КЭУ и учебно-методическое пособие для студентов соответствующего профиля и производителей автомобилей, ДВС и элементов электропривода.
Реализация результатов работы: Результаты работы, в том числе методика расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, используются при выполнении работ, связанных с созданием АТС с КЭУ в ФГУП «НАМИ», в ОАО «ЗМЗ»,
в ОАО НПП «Квант», а также в учебном процессе ГТУ «МАДИ» и МГТУ «МАМИ». Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на:
международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2003), посвященном 85-и летию ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2003 г.
объединенной коллегии по промышленной политике города Москвы «О ходе работ по разработке и созданию ФГУП «НАМИ» транспортных средств с электроприводом», май 2008 г.
международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2008), 2008г.
- 8-й научно-технической конференции «Новые разработки для электрического
транспорта» и на заседании круглого стола «Электромобили в Москве: проблемы и
перспективы»; Москва, 12 ноября 2008, Экспоцентр.
Публикации: Основные положения и результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, раздела основных результатов и выводов, списка литературы из 131 наименований и 2 приложений. Содержит 167 страниц текста, 40 рисунков и графиков, 17 таблиц. Краткое содержание работы.
Анализ литературных источников по АТС с КЭУ
Другой крайний случай с экономией электроэнергии возникает при эксплуатации грузовых автомобилей с КЭУ на маршрутах с достаточно редкими вынужденными остановками. При этом запасенная в ТАБ энергия практически не используется, а сама ТАБ превращается в элемент, ухудшающий весовые характеристики АТС в целом. Найти полностью приемлемое решение практически невозможно, что ограничивает реализацию потенциальных преимуществ КЭУ.
Отметим, что в грузовых АТС, с КЭУ чаще всего выполняется по параллельной схеме.
Необходимо отметить, что системы КЭУ, в том числе при параллельной структурной схеме, являются достаточно универсальными. Использование АТС с КЭУ по параллельной схеме может оказаться рациональным при случайных изменениях условий эксплуатации. Использование АТС с КЭУ по последовательной схеме, при отсутствии закономерности повторяемости режимов, может дать худшие результаты, чем при использовании КЭУ, выполненной по параллельной схеме.
В настоящей работе исследуются условия применения КЭУ на автомобилях полной массой до 3,5 тонн, используемых для внутригородских перевозок. Анализ режимов эксплуатации этих автомобилей позволяет считать, что при этом может быть получен ощутимый эффект в снижении расхода жидкого топлива (до 40%) и уменьшение выбросов токсичных веществ в отработавших газах (в среднем более 50%). 1.3. Анализ литературных источников по АТС с КЭУ.
В России и в прошлом и в последние годы целый ряд предприятий и организаций занимались вопросами разработки и изготовления автономных транспортных средств, работающих на альтернативных жидкому углеводородному топливу источниках энергии.
В НПО ИЖМАШ был построен макетный образец автомобиля с КЭУ на базе «Иж-2126 Орбита». В качестве ДВС был использован В АЗІЇ 11 (Ne = 22 кВт (30 л.с), Мкр тах = 44 Н-м, масса - 70 кг, Vh = 649 см3 ), кроме того использовался электродвигатель постоянного тока ПТ-125-12 (напряжение питания якоря - 120В при токе в нем не более 120А, крутящий момент 49 Н-м, масса - 68 кг) и накопители энергии - свинцово-кислотные аккумуляторные батареи типа 6-СТ-55 (два блока по четыре батареи в каждом, общая масса 124 кг). Управление работой КЭУ осуществлялось с помощью пускорегулирующей аппаратуры и электронного блока. Конструкция имела достаточно высокие массогабаритные показатели и ременный привод, что в итоге не привело к достаточно высоким показателям. В ООО «Русэлпром» создан на базе ЛиАЗ-5292, автобус с дизелем Cummins ISBe4, асинхронным мотор-генератором ТАГ 225-280, тяговым асинхронный двигателем ТАД 225-380 и буферным накопителем энергии на основе суперконденсаторов. В МГТУ «МАМИ» построен УАЗ-3153 с КЭУ: двигатель - УМЗ-4218.10, электродвигатель - обратимая асинхронная электромашина с короткозамкнутым ротором, ТАБ - аккумуляторные батареи кислотно-свинцовые «Оптима» D 1000. ФГУП «НАМИ» и ЗАО «Инкар-М» разработали автомобиль «Мишка» с КЭУ: двигатель — ВАЗ-1111, два электрических мотор-колеса, ДВС оснащен стартер-генератором мощностью 10 кВт. В МГТУ им. Н.Э. Баумана изготовлен УАЗ 2970 с КЭУ: двигатель ЗМЗ-5143, 2 вентильных электромотора мощностью 60 кВт, для привода передней и задней осей, синхронный генератор. В МГАИУ им. В.П. Горячкина: «Нива» - двухцилиндровый двигатель (24 кВт), электродвигатель мощностью 25 кВт и источники питания - три суперконденсатора.
ФГУП «НАМИ» в 80-е годы проводил работы по созданию автомобилей с последовательной схемой КЭУ на базе ДВС для фургонов РАФ, УАЗ и ЭМ на их базе. В этих же направлениях работают НИН «Квант», АОЗТ «ЭСМА», ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «НефАЗ», ФГУП «НИИАЭ», автомобильные ВУЗы и другие предприятия.
В таблице 3 приведены основные технические характеристики зарубежных электромобилей и автомобилей с КЭУ, разработанных наиболее известными автомобильными фирмами мира. Хотя приведенные данные показывают далеко не полную картину, однако по ним можно судить о ширине и глубине проработок по ЭМ и автомобилям с КЭУ.
Больше всего опытных автомобилей с КЭУ выпущено в последний период в Японии (Toyota, Honda и др.), где, практически, каждая крупная фирма выпустила по несколько моделей легковых автомобилей или автобусов с КЭУ. Широко ведутся в этом направлении работы в США.
Технические характеристики АТС с КЭУ отличаются уменьшенными расходами топлива и значительно более низким уровнем вредных выбросов с отработавшими газами (минимум Евро 4). Интересным является тот факт, что некоторые фирмы в качестве основного двигателя применяют газовую турбину или ДВС, работающие на газовом топливе.
В качестве источников тока на борту АТС с КЭУ применяются, как правило, металлогидридные ТАБ, литий-ионные батареи, иногда, особенно в американских АТС, топливные элементы. Мощность ДВС в АТС с КЭУ в зависимости от массы и назначения АТС, редко превышает 100 кВт, а чаще всего лежит в пределах 20-60 кВт.
Математическая модель энергетического баланса АТС с КЭУ на базе ДВС
Как и в случае АТС с КЭУ по последовательной схеме , в рассматриваемой схеме КЭУ сохраняется задача по обеспечению режимов работы ДВС с минимальными удельными расходами топлива при всех частотах вращения ДВС. Это теоретическая кривая, реализация которой при описанном выше способе управления ДВС нереальна. Для удовлетворения требованию высокой топливной экономичности ДВС необходимо реализовать такую характеристику Ре(пе) ДВС, при которой, во-первых, автоматически формируется положение органов управления ДВС и, во-вторых, представляет собой геометрическое место точек, соответствующих режимам работы ДВС с минимальным удельным расходом при всех его частотах вращения. Второе условие предполагает близкое расположение такой характеристики к наиболее экономичной.
Таким образом, выдвигается положение о том, чтобы точки рабочих режимов ДВС, используемых в КЭУ по параллельной схеме, располагались только на характеристике Ре(пе)? а не во всей области возможных режимом работы ДВС, как это имеет место в обычных энергетических установках АТС. Для теоретического определения характеристики ДВС необходимо иметь снятые на стенде его нагрузочные характеристики, представляющие собой зависимости удельного расхода топлива qe г/кВтч от мощности Ре кВт, т.е. qe(Pe), для ряда неизменных значений частоты вращения ДВС ne=const в диапазоне от минимально устойчивого до максимального значения.
Будем полагать, что характеристика ДВС представляет собой такую возрастающую линейную зависимость мощности на валу ДВС Ре от его частоты вращения пе, для которой сумма отклонений точек минимума нагрузочных характеристик, построенных для конечного множества фиксированных значений частоты вращения пе, от линии ре(пе) равна нулю.
Указанное определение необходимо- в связи с расхождением нагрузочных характеристик для различных образцов ДВС одного и того же типа, в зависимости его от технического состояния, а также от внешних условий (температуры, барометрического давления и др.). Искомую фиксированную характеристику представим в виде: Ajnj+B i+Ci O, где: (2.7.) Аі, Ві, Сі - действительные постоянные, причем Аі - 0 5 так как при увеличении пе параметр Ре должен также увеличиваться. Известно [30], что расстояние от прямой, лежащей в координатах Ре, пе и выраженной уравнением (2.7.), до точки с координатами Pei; nei, лежащей в той же плоскости, равно: АіПа+ВіРс + Сі Л/АГ+BF Таким образом, задача построения характеристики в нашем случае сводится к нахождению минимума выражения: ІА? = і(А,ш + В,Р., + С,)2 i=l -I Af + Bf при условии, что Ai - 0, Bi 0 (2.9) В результате получено, что фиксированная характеристика ДВС описывается прямой: р = 0,011пе — 4,783
На практике можно встретиться с положением, когда уровень энергии, получаемой от ДВС, работающего по фиксированной характеристике, окажется несколько больше или меньше, чем это целесообразно с точки зрения энергетического баланса АТС с КЭУ на базе ДВС, предназначенной для автомобиля конкретного типа. В этом случае следует, не прибегая к использованию ДВС другого типа, несколько сместить фиксированную характеристику работы ДВС в координатах Ре; пе в сторону более целесообразной зоны.
Система регулирования ДВС при каждом значении пе должна обеспечивать реализацию мощности Ре, большей или меньшей значения Ре, взятого из фиксированной характеристики. Это позволит получить смещенную фиксированную характеристику, лежащую выше или ниже фиксированной характеристики Ре (пе), приближающейся к кривой наибольшей экономичности. Если смещенная характеристика лежит выше характеристики Ре (пе), то значения qe должны соответствовать правой ветви по отношению к минимуму qe зависимости qe(Pc); при смещении характеристики ниже Ре (пе) значения qe должны соответствовать левой ветви зависимости qe(Pe) Работа ДВС по фиксированной характеристике имеет важное значение для формирования энергетического баланса автомобиля с КЭУ. Принимая во внимание наличие кинематической связи между ДВС и ВК, исходя из зависимости скорости автомобиля от времени v(t), фиксированную характеристику можно отнести к ведущим колесам, с учетом полного передаточного числа механической трансмиссии при использовании коробок передач или механизмов, обеспечивающих плавное изменение передаточного числа (ГМП, механические вариаторы и пр.), и соответственно к клеммам ТАБ с учетом КПД ТЭМ и согласующего редуктора, если он имеется.
Обозначим мгновенное значение мощности ДВС, соответствующей Ре и переданной на ВК, через PeK(t) и запишем для нее выражение, аналогичное (2.5): PA(t) = [р -Р К (2Л0) При заряде ТАБ после кинематического разъединения ДВС и ВК на ТАБ передается мощность от ДВС, работающего в режиме Pe=const и ne=const. Обозначим мгновенное значение мощности ДВС, соответствующей Ре и переданной на ТАБ, через Pe3(t) и запишем: Pe3(t) = PX„ (2-П) причем здесь г)эм - КПД ТЭМ в генераторном режиме. Полученные характеристики PeK(t), соответствующие каждой из передач коробки, будут определять мощность, передаваемую от ДВС к ведущим колесам в любой момент ездового цикла. ДВС на всех передачах работает по заданной характеристике, но пределы, в которых она используется на каждой из последующих передач, сужается.
Рассматривая совместно зависимость необходимой мощности от времени PK(t) и характеристики PeK(t) на каждой из передач (считая моменты времени перехода с одной передачи на другую установленными) или при бесступенчатом изменении передаточного числа, найдем разность между ординатами этих кривых для различных моментов времени ездового цикла. Кривая, представляющая собой разность ординат кривых
Определение рациональных пределов мощности, реализуемой ДВС входящим в состав КЭУ
Соответствующую второму энергетическому состоянию КЭУ мощность ДВС Регр - максимальная (Ретах)- Мощность РеГр=Ретах достаточна для того, чтобы КЭУ приобрела свойства автономности, когда необходимость в заряде ТАБ от внешнего источника электроэнергии отсутствует. Дальнейшее увеличение мощности сверх значения Ретах нецелесообразно.
При Ре=Ретах энергия We, получаемая от ТАБ, будет минимальной по двум причинам: вследствие предельного целесообразного значения мощности ДВС и вследствие выбора минимальной энергоемкости ТАБ, что теоретически обусловлено возможностью её полного заряда в пределах каждого ездового цикла.
Таким образом, нами введено понятие о двух значениях мощности ДВС, используемого в КЭУ - Pemin и Ретах , и дано их определение.
Может случиться так, что необходимая масса ТАБ при мощности ДВС Pemin превысит установленное на основе технико-эксплуатационной эффективности автомобиля значение массы ТАБ. В этом случае, независимо от других соображений, мощность ДВС должна быть увеличена, т.е. по условию ограничения массы ТАБ эксплуатировать автомобиль при минимальном расходе топлива невозможно.
Другим требованием к КЭУ, которое на практике выдвигается редко, является минимум полных энергетических затрат при эксплуатации автомобиля с КЭУ. В общем виде этот вопрос в достаточной мере не исследован. Имеющиеся данные относятся к отдельным образцам автомобилей с КЭУ [12]. Это требование теряет смысл в том случае, если заряд ТАБ от внешних источников в эксплуатации вообще не производится.
Существенным фактором, определяющим возможность снижения полных энергетических затрат в КЭУ по сравнению с обычными энергетическими установками автомобилей, является соотношение между экономией жидкого топлива, получаемой за счет работы ДВС КЭУ по оптимальной характеристике, и дополнительными потерями энергии в ТАБ, ТЭМ (или ТЭГ и ТЭД) и системе регулирования, которые отсутствуют в энергетической установке обычного АТС.
В связи с тем, что снижение полных энергетических затрат при использовании на автомобилях КЭУ обычно не выдвигается в качестве самостоятельной задачи, то полные энергетические затраты выступают лишь как контрольный параметр, характеризующий экономичность КЭУ по сравнению с обычной установкой автомобиля.
Важным требованием к КЭУ, является снижение токсичности отработавших газов ДВС, используемого в КЭУ. Минимумы кривых зависимости количества окиси углерода (СО)[Ре], углеводородов (С„Нт)[Ре] и окислов азота (NOx)[Pe] от мощности ДВС для выбранных значений ne=const позволяет установить режимы работы ДВС, характеризуемые минимальной токсичностью по каждому из компонентов.
Для ДВС, используемого в КЭУ по последовательной схеме, реализуемые уровни мощности Ре должны соответствовать такой частоте вращения пе, которая отвечает условию минимального содержания токсичных компонентов. Для ДВС, используемого в КЭУ по параллельной схеме, необходимо, используя точки минимума содержания токсичных компонентов на кривых (СО)[Ре], (CnHm)[Pc] и (NOx)[Pe] при ne=const, перейти к оптимальной характеристике Ре (пе) ДВС, соответствующей режимам работы с минимальным содержанием определенного токсического компонента.
При рассмотрении вопроса о выборе рациональных параметров КЭУ необходимо дать характеристику ТАБ как приемника энергии, при рекуперативном торможении автомобиля. Условием полной реализации при рекуперативном торможении энергии, WTp является способность ТАБ поглотить эту энергию за время рекуперации без нарушения режима работы (перегрев, интенсивное газообразование). Зависимость тока рекуперации от времени протекания этого процесса должна иметь соответствующие ограничения по длительности протекания зарядного тока, близкого к предельному по зарядным характеристикам ТАБ. В случае, если вся рекуперируемая энергия не может быть поглощена ТАБ, необходимо уменьшить передаваемую на ТАБ энергию WTp до значения WTp(6) т.е. снизить эффективность рекуперативного торможения путем введения в действие одновременно и механического тормоза или уменьшить количество рекуперируемой энергии, включив параллельно с ТАБ тормозной резистор. Потенциальную возможность реализовать освобождающуюся при рекуперативном торможении энергию характеризует отношение WTp(6) /WTp, которое в предельном случае может достичь единицы.
В некоторых случаях выдвигается важное эксплуатационное требование, касающееся независимости КЭУ АТС от внешних электрических сетей. На практике это требование означает, что заряд ТАБ от внешних электрических сетей вообще не производится. Сохраняется только одна возможность заряда ТАБ от ДВС через ТЭГ или ТЭМ. Выдвижение этого требования может быть следствием отсутствия у эксплуатационных предприятий соответствующей энергетической базы и зарядных устройств. Ликвидируются также простои автомобилей во время заряда ТАБ от внешней сети. Но заряд ТАБ только от ДВС приводит к
Мобильный научно-исследовательский имитационный комплекс для изучения режимов работы АТС с КЭУ на базе ДВС
Прежде всего необходимо иметь ясные представление о затратах электроэнергии на пуск в некоторых средних условиях эксплуатации автомобиля. Эти затраты в значительной мере определяются полезной нагрузкой автомобиля, профилем трассы и состоянием дорожного покрытия. Кроме того, из теории электрической тяги известно, что расход электроэнергии на пуск зависит от ускорения автомобиля. При замедленном пуске и пониженном ускорении расход электроэнергии увеличивается за счет увеличения времени пуска. При интенсивном пуске и увеличенном ускорении расход электроэнергии увеличивается за счет увеличения расхода. Однако этот фактор имеет несколько меньшее значение, чем повышение продолжительности пуска. Оптимальными значениями расхода электроэнергии на пуск отличаются пусковые режимы со средними ускорениями (1,0-1,1 м/с ).
При выполнении нами экспериментальных исследованиях автомобиля принимались условия, характерные для средних условий эксплуатации: расчетная нагрузка автомобиля, горизонтальный участок трассы, ускорение 1,0-1,1 м/с . Для этих условий расчет электроэнергии на один пуск был определен в ... кВт-с. Условно полагалось, что расход энергии на пуск не зависит от количества нескольких следующих один за другим пусков автомобиля. В действительности, в зависимости от типа и степени разряженности ТАБ, расход электроэнергии на повторные пуски несколько увеличивается расчетный запас энергии ТАБ, который определялся нами для некоторых средних условий: ТАБ отработала до 50-60% расчетного числа циклов, перед измерениями ТАБ была заряжена до энергоемкости 80-90% расчетной энергоемкости. Предполагалось, что пуски осуществляются при нормальной рабочей температуре ТАБ.
Установленный таким образом запас энергии ТАБ был отнесен к расчетному количеству электроэнергии на один пуск автомобиля. Таким образом, мы формально определяли теоретически возможное число пусков автомобиля при указанных выше условиях. В. действительности найденное число следующих один за другим пусков с короткими интервалами не может быть реализовано в полной мере, поскольку интенсивный разряд ТАБ сопровождается быстрым расходом электроэнергии и снижением напряжения. Это вызывает снижение напряжения ТАБ и ограничение пусковых токов, что приводит к заметному уменьшению ускорения при пуске. В своих исследованиях мы полагали, что нормальным можно считать тот пуск, при котором пусковой ток уменьшается не более, чем на 7-8% от пускового тока при первом пуске рассматриваемой серии пусков. При этом под пусковым током мы принимали значение суммы токов в начале и в конце пуска, деленное на два.
Все остальные пусковые режимы при меньших значениях пускового тока не могут считаться нормальными.
Если допустимое число пусков в этих условиях составляет 3-5 пусков, то может быть сделан вывод, что применяемая в КЭУ ТАБ соответствует нормальным условиям эксплуатации рассматриваемого автомобиля. В противном случае в тяжелых условиях движения автомобиль не следует выпускать в эксплуатацию.
Учитывая результаты нашего эксперимента можно утверждать, что опытный образец автомобиля может нормально эксплуатироваться при 4-5 следующих один за другим пусках.
Очевидно, что запас электроэнергии ТАБ, наполняемый рекуперацией при торможении и в процессе подзарядки ТАБ от ДВС, когда энергия, развиваемая в данный момент ДВС, не может быть полностью реализована на ВК. В процессе эксплуатации автомобиля теоретически возможны случаи, когда ТАБ может быть полностью заряжена в процессе движения, а также на остановках. Но возможны также условия, когда ТАБ в процессе дневной эксплуатации будет постепенно разряжаться. Вероятность одного или другого режима работы ТАБ зависит от выбора при проектировании КЭУ определенной энергоемкости ТАБ, хотя полного соответствия этих двух факторов (расхода энергии ТАБ и ее подзарядки достичь трудно. Однако, как показала практика эксплуатации автомобилей с КЭУ, это не вносит серьезных трудностей в использовании автомобилей с КЭУ.
В нашем случае, эксплуатация опытного автомобиля с КЭУ сопровождалась достаточно интенсивным подзарядкой ТАБ, так что очередной рабочий день начинался при достаточно высоком уровне заряда ТАБ.
Такие условия достигаются в том случае, когда режимы рекуперативного торможения автомобиля отличаются высокой эффективностью. Напомним, что под рекуперативной энергией мы понимаем не ту энергию, которая снимается при электрическом торможении автомобиля с зажимов ТЭД или ТЭМ, а ту электроэнергию, которая получается с зажимов ТАБ при пусковом режиме, которая учитывает потери электроэнергии при заряде и разряде ТАБ.
Энергия, возвращаемая при электрическом торможении за счет уменьшения кинетической энергии автомобиля, существенно ниже той, которая затрачивается при пуске с целью увеличения кинетической энергии автомобиля. Тем не менее, электрическое торможение имеет много положительных свойств: плавное нарастание тормозной силы, практическое отсутствие буксования колес, отсутствие износа элементов тормозной системы, которое имеет место у механического тормоза.
Испытания рекуперативного торможения на опытном образце автомобиля показали, что оно в подавляющем большинстве случаев обеспечивает полную остановку автомобиля. Этому способствуют такие факторы, как сопротивление качению колес и потери энергии в механических узлах тягового привода автомобиля. В отдельных случаях дотормаживание автомобиля производилось механическим тормозом.
