Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов создания комбинированных (гибридных) энергосиловых установок легковых автомобилей 16
1.1. Обзор гибридных автомобилей, созданных в мире до настоящего времени 16
1.2. Анализ конструктивных схем комбинированных энергосиловых установок 36
1.3. Постановка цели и задач диссертационной работы 42
Глава 2. Обоснование структурной схемы и разработка теоретических положений анализа конструкции усовершенствованной КЭСУ 45
2.1. Краткое описание конструкции КЭСУ, подлежащей модернизации 46
2.2. Обоснование необходимости совершенствования конструкции КЭСУ 55
2.3. Основные теоретические положения инженерного анализа эффективности конструкции КЭСУ 66
Глава 3. Расчет основных конструктивных параметров усовершенствованной энергосиловой установки 91
3.1. Расчет параметров конструкции центробежной муфты двойного действия в составе КЭСУ 91
3.2. Обоснование параметров трансмиссии гибридного автомобиля, оборудованного усовершенствованной энергосиловой установкой
Глава 4. Конструкция измененной части и новых сборочных единиц усовершенствованнОЙ КЭСУ 102
Глава 5. Лабораторно-дорожные испытания усовершенствованного экспериментального образца гибридного легкового автомобиля ИЖ-21261 109
Заключение и выводы 118
Литература 121
- Анализ конструктивных схем комбинированных энергосиловых установок
- Постановка цели и задач диссертационной работы
- Обоснование необходимости совершенствования конструкции КЭСУ
- Обоснование параметров трансмиссии гибридного автомобиля, оборудованного усовершенствованной энергосиловой установкой
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время основными потребителями моторных топлив являются транспортные средства, которые при работе выбрасывают в атмосферу вместе с отработавшими газами большое количество окиси углерода и других вредных составляющих. Особенно это проявляется в крупных городах, где загрязнение воздушного бассейна, серьезно влияющее на здоровье горожан, становится самой острой экологической проблемой.
Количество транспортных средств в ближайшей перспективе будет непрерывно увеличиваться. В соответствии с концепцией развития автомобильной промышленности России (Распоряжение правительства РФ от 16 июля 2002 года № 978-р) парк легковых автомобилей возрастет к 2010 году с 21,2 до 30-33 млн. штук, в том числе иностранного производства (большая часть из которых не новые) с 4,6 до 7-8 млн. штук. При этом число легковых автомобилей на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук. Это приведет к дальнейшему возрастанию выбросов токсичных веществ и потреблению невосполнимого углеводородного топлива.
Известно, что одним из направлений решения проблем топливной экономичности и экологии крупных городов является применение в конструкциях автомобилей гибридных (комбинированных) энергосиловых установок (КЭСУ), состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей. В таких энергосиловых установках более эффективно используется электрическая (электродвигатель (ЭД)) и тепловая (тепловой двигатель (ТД)) энергия в процессе движения, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30-50 %, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность транспортных потоков.
В настоящее время в мире разработаны различные конструктивные варианты КЭСУ, которые обычно подразделяются в зависимости от взаимодействия потоков энергии от ТД и ЭД на КЭСУ с последовательной и параллельной компоновочными схемами. Исследования показали, что при параллельной компоновочной схеме можно получить более высокие показатели топливной экономичности. При этом конструкции КЭСУ, обеспечивающие параллельную компоновочную схему, могут существенно отличаться друг от друга.
Возможными направлениями повышения эффективности работы КЭСУ и улучшения тягово-скоростных свойств гибридного автомобиля являются, во-первых, обеспечение трогания с места гибридного автомобиля с нулевых частот вращения вала ЭД, что возможно реализовать за счет устранения жесткой кинематической связи между ТД и ЭД, во-вторых, рациональный выбор передаточного числа редуктора, соединяющего ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля, что существенно влияет на характер изменения и численные значения внешней скоростной характеристики вращающего момента КЭСУ. Исследования по указанным направлениям совершенствования КЭСУ в настоящее время практически отсутствуют.
Вышесказанное подтверждает важность проблемы создания гибридных автомобилей в целом и актуальность исследований настоящей диссертацион-
ной работы в частности, направленной на разработку новых методик исследований КЭСУ и совершенствование разработанных на настоящее время конструкций КЭСУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД.
Цель диссертационной работы. Исходя из состояния вопросов разработки КЭСУ для транспортных машин, тенденций и перспектив их развития для легковых автомобилей в диссертационной работе исследуются наименее изученные проблемы, связанные с разработкой новых теоретических и расчетных методов исследования КЭСУ и совершенствованием разработанных на настоящее время конструкций КЭСУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД. Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: совершенствование конструкции комбинированной (гибридной) энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы легкового автомобиля за счет устранения жесткой кинематической связи между тепловым и электрическим двигателями путем введения в конструкцию центробежной муфты двойного действия.
Задачи исследований. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследований диссертационной работы:
Разработать структурную схему и обосновать перспективность совершенствования КЭСУ параллельной компоновочной схемы путем устранения жесткой кинематической связи между ДВС и ЭД введением в конструкцию центробежной муфты двойного действия.
Разработать методику расчета и обоснования основных конструктивных параметров КЭСУ при соединении ДВС и ЭД центробежной муфтой двойного действия.
Выполнить расчетные исследования центробежной муфты и обоснование конструктивных параметров трансмиссии для усовершенствованной конструкции КЭСУ легкового автомобиля.
Разработать конструкцию и изготовить экспериментальный образец КЭСУ.
Провести комплекс экспериментальных исследований для доказательства работоспособности конструкции и эффективности усовершенствованной КЭСУ.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД автомобилей малого класса. Предмет исследования - центробежная муфта двойного действия, соединяющая ДВС и ЭД в составе КЭСУ, и редуктор, соединяющий ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля.
Методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на теориях движения и эксплуатационных свойств транспортных машин, математического моделирования, анализа и синтеза сложных технических систем, численных методах вычислений. Расчетные исследования проведены на основе разработанной автором диссертации методики. Экспериментальные исследования выполнены с помощью специализированной контрольно-измерительной
аппаратуры в соответствии с нормативными документами на проведение экспериментальных исследований тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей.
Достоверность и обоснованность. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкции экспериментального образца легкового автомобиля ИЖ-21261, оборудованного КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.
На защиту выносятся результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД легкового автомобиля малого класса, включающие: структурную схему усовершенствованной КЭСУ; методику расчета и обоснования основных конструктивных параметров КЭСУ при соединении ДВС и ЭД центробежной муфтой двойного действия; результаты расчетов центробежной муфты и конструктивных параметров трансмиссии гибридного автомобиля; конструкцию экспериментального образца КЭСУ; результаты экспериментальных исследований гибридного автомобиля малого класса.
Научная новизна. Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:
Разработана конструкция КЭСУ, отличающаяся от известных на настоящее время КЭСУ параллельной компоновочной схемы отсутствием жесткой кинематической связи между ДВС и ЭД и позволяющая повысить эффективности работы КЭСУ за счет обеспечения трогания с места гибридного автомобиля с нулевых частот вращения вала ЭД.
Разработана методика расчета передаточного числа редуктора, соединяющего ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля, позволяющая обосновать внешнюю скоростную характеристику вращающего момента КЭСУ, обеспечивающую наилучшие тягово-скоростные свойства гибридному автомобилю.
Разработана методика расчета конструктивных параметров центробежной муфты двойного действия, соединяющей ДВС и ЭД в составе КЭСУ.
Впервые представлены результаты экспериментальных данных разработанного гибридного легкового автомобиля с КЭСУ, в конструкции которой применена центробежной муфты двойного действия.
Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию КЭСУ с центробежной муфты двойного действия при параллельном соединении ДВС и ЭД.
Практическая полезность. Внедрение в практику проектирования разработанных методик позволяет, во-первых, обоснованно выбирать базовые параметры центробежной муфты двойного действия и передаточное число редуктора, соединяющего ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля, при создании КЭСУ параллельной компоновочной схемы. Во-вторых, возможность проведения исследований влияния различных конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ на эксплуатационные свойства автомобиля позволяет существенно сокращать сроки разработки новых конструкций и объем до-
водочных испытаний за счет выбора наиболее эффективных конструктивных решений при создании КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, причем возможно сделать это еще на ранней стадии проектирования. Применение разработанного нового принципа соединения ДВС и ЭД в составе КЭСУ позволяет существенно повысить тягово-скоростные свойства гибридного автомобиля без изменения мощностных параметров и характеристик ДВС и ЭД.
Реализация результатов. Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования и применяются при разработке новых экспериментальных конструкций гибридных автомобилей, создаваемых в ГОУ ВПО ИжГТУ, использованы в экспериментальном образце КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, а также в учебном процессе при подготовке дипломированных инженеров и магистров в ГОУ ВПО ИжГТУ по специальностям автомобилестроения и в учебном процессе филиала научно-образовательного центра ГОУ ВПО МГТУ "МАМИ" "Автомобильный транспорт с гибридными силовыми установками" при ГОУ ВПО ИжГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на конференции с международным участием "Современные наукоемкие технологии" (Египет, г. Хургада); на VI Международной научно-практической конференции "Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике" (г. Новочеркасск); на IX Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии" (г. Москва); на Международной научно-практической конференции "Наука и образование - 2006" (г. Мурманск); на 53-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (г. Ижевск); на Международной научной конференции "Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках" (г. Таганрог); на Международной научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении" (г. Брянск); на заочных электронных конференциях "Автомобиле- и тракторостроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства", "Фундаментальные исследования" и "Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники" (г. Москва); на Международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (г. Пенза); на Международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград); на Всероссийских научно-технических конференциях: VI ВНТК "Современные промышленные технологии" и XV ВНТК "Методы и средства измерений физических величин" (г. Нижний Новгород); на Всероссийских научно-технических конференциях: XVIII ВНТК "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" и XV ВНТК "Современные проблемы математики и естествознания" (г. Нижний Новгород).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедрах "Автомобили и металлообрабатывающее оборудование" Ижевского государственного технического университета, "Дизайн промышленных изделий" Удмуртского государственного университета и "Эксплуатация автомобильного
транспорта" Камской государственной инженерно-экономической академии (г. Набережные Челны).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей, 1 учебное пособие с грифом Учебно-методического объединения вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов и 3 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (102 наименования) и приложения. Общее количество страниц в диссертационной работе 140. Основная часть содержит 115 страниц текста, в том числе 31 рисунок и 12 таблиц.
Анализ конструктивных схем комбинированных энергосиловых установок
В мире серийно в больших объемах производит гибридные автомобили в основном только фирма Toyota Motor, это автомобиль Toyota Prius: четырех-дверный пятиместный переднеприводный седан с четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 1,5 л (58 л.с. при 4000 об/мин, 102 Н м при 4000 об/мин) и электродвигателем (ЭД) 41 л.с. при оборотах от 940 до 2000 об/мин (до 940 об/мин крутящий момент ЭД 305 Н м). ДВС соединен с води лом планетарной передачи, ЭД - с корончатым колесом, а центральное зубчатое колесо соединено с отдельным генератором, электрическая энергия с которого поступает на ЭД. Планетарная передача делит момент ДВС в соотношении 3:7, причем на генератор поступает 30 % крутящего момента ДВС. В качестве накопителя электрической энергии применяется 40 никель-металлогидридных батарей. Разгон автомобиля Toyota Prius до скорости 16 км/ч осуществляется только на ЭД, что благоприятно влияет на экологичность автомобиля. Расход топлива составляет 3,6 л на 100 км пути, максимально возможная скорость движения 161 км/ч, время разгона до скорости 100 км/ч 14 с. Выброс различных составляющих токсичных веществ уменьшен в 2-3 раза и более.
Второе поколение гибридных автомобилей Toyota Prius с улучшенными характеристиками, представленное в 2005 г., оборудуется 1,5 л ДВС 78 л.с. и ЭД мощностью 68 л.с. с большим крутящим моментом - 400 Нм. Автомобиль может ездить только на ЭД со скоростями до 50 км/ч, выброс С02 с отработавшими газами 102 г/км.
Фирма Toyota Motor производит также полноприводные минивэны Previa: бензиновый ДВС объемом 2,4 литра мощностью 128 л.с. и крутящим моментом 190 Н м; два ЭД 18 и 25 л.с. соответственно на переднюю и заднюю оси. Возможна установка 2,2-литрового турбодизеля в 101 л.с. Бензиновый силовой агрегат динамичнее: максимальная скорость 170 км/ч, а разгон до 100 км/ч занимает 13,4 с, зато расход топлива у турбодизеля гораздо меньше: 11 л/100 км против 14,2 л/100 км.
Разработан полноприводный гибридный микроавтобус Estima Hybrid, оснащенный небольшим ДВС, ЭД и блоком накопителя энергии (в сравнении с базовой моделью экономичность улучшилась более чем в два раза, токсичность снизилась на 65 %). Этот автомобиль занял третье место и получил специальный приз от жюри за эффективный расход топлива и высокое качество на престижном конкурсе "Японский автомобиль года". Управляющие Toyota официально в начале 2002 г. заявили о том, что общие объемы продаж автомобилей Toyota с гибридными двигателями достигли отметки в 100 000 автомобилей, а к 2005 г. выпуск гибридных автомобилей планировалось довести до 300 000 штук в год (из выступления президента фирмы Toyota господина Фуджио Чо (Fujio Cho)). В 2001 - 2002 г.г. доля фирмы Toyota на мировом рынке гибридных автомобилей составляла до 90 %, в настоящее время, из-за начала выпуска гибридных автомобилей другими фирмами, эта доля составляет примерно 50-60 %.
Гибридный автомобиль Toyota Prius стал столь популярен среди покупателей США, что превратился в настоящий дефицит. Ожидать заказанный в салоне автомобиль в 2005 г. приходится в среднем два месяца. На резко подорожавший бензин и налоги уходит все больше денег, и потребители готовы ожидать автомобиль. Из-за дефицита подержанные автомобили выпуска 2004-2005 г.г. продаются по цене, превышающей цену новых автомобилей. В 2005 г. из-за ограниченных поставок компонентов у компании Toyota возникли так же проблемы с обеспечением американского рынка гибридными внедорожниками RX 400h, хотя будет продано 28 000 автомобилей, что на 5 000 автомобилей больше от запланированного ранее объема продаж.
В Соединенных Штатах появилась компания, которая переделывает серийные автомобили Toyota Prius. Модифицированный американскими умельцами японский автомобиль на одном литре бензина может проехать 77 километров в городском цикле. Это достигается за счет подзарядки автомобиля от электрической сети. У серийного автомобиля Toyota Prius накопители энергии подзаряжаются во время работы бензинового двигателя, а также при торможении. В модифицированную машину умельцы установили дополнительный накопитель электрической энергии и устройство для подзарядки от электрической сети. Таким образом, автомобиль всегда выезжает из дома с заряженным накопителем энергии, что позволяет сократить затраты топлива. Подзарядиться можно также и во время стоянки, например, в гараже на работе. Компания Toyota с большим интересом следит за этими экспериментами, что, однако, не мешает ей снимать модифицированные машины с гарантийного обслуживания.
Компания Toyota планирует начать в 2006 г. в Северной Америке продажи одного из бестселлеров американского рынка, автомобиля Toyota Camry, оснащенного гибридной силовой установкой. Автомобиль Toyota Camry является одной из самых популярных легковых моделей в США, а ежегодные объемы ее продаж достигают 400 000 автомобилей. Гибридная же версия данной модели, по прогнозам, сможет продаваться тиражом до 100 000 автомобилей в год.
Вторая японская фирма Honda Motor также начинает производить серийно и продавать гибридные автомобили. Первый автомобиль с гибридным двигателем был выпущен в ноябре 1999 г. в Японии - это был Insight с бензиново-электрическим двигателем, получивший широкое признание. В декабре 1999 г. он стал первым гибридом, представленным на рынке США. В 2000 г. фирма Honda Motor выпустила 6 500 штук малогабаритных двухдверных двухместных купе Honda Insight (энергетическая установка: экономичный трехцилиндровый бензиновый двигатель 1000 см 63 л.с, работающий на обедненной смеси + ЭД 10 кВт + генератор + накопитель энергии на базе никель-металлогидридных аккумуляторных батарей), вместо планируемых 4 000 штук. Компактный ЭД расположен на коленчатом валу ДВС вместо маховика. Автоматическая трансмиссия устанавливается только для продаж в Японии, экспортный вариант имеет пятиступенчатую коробку передач с ручным управлением, снаряженная масса 820 кг. Гибридная Honda разгоняется до 100 км/ч за 12 секунд, способна развить 180 км/ч, а средний расход топлива составляет всего в городе 3,9, а на шоссе 3,4 л/100 км. Имеются и более шокирующие сообщения об экономичности: в ходе пробега по дорогам Великобритании достигнут расход топлива 2,76 л/100 км. Маршрут длиной 5980 км был проложен по дорогам Англии, Уэльса и Шотландии. Машину поочередно вели 18 водителей из семи стран. Стоимость автомобиля Honda Insight 20 080 долларов.
Постановка цели и задач диссертационной работы
После запуска ДВС и выхода его на режим холостого хода (900 1000 об/мин), ЭД работает в таком режиме, когда он не потребляет электрической энергии от накопителя и не создает крутящего момента на выходном валу, т.е. находится на границе перехода в генераторный или двигательный режимы работы.
Трогание с места и разгон. Открывая дроссельную заслонку карбюратора ДВС, водитель желает получить нужную ему скорость движения гибридного автомобиля. В этот период передается суммарный крутящий момент на ведущие колеса автомобиля от обоих двигателей. Пускорегулирующая аппаратура на этом отрезке времени обеспечивает работу обоих двигателей для достижения этой скорости.
Движение на подъем, при встречном ветре или других условиях, создающих дополнительную силу сопротивления движению, когда скорость гиб 53 ридного автомобиля будет ниже заданной в алгоритме для этого угла открытия дроссельной заслонки, ДВС и ЭД работают в тяговом режиме.
Движение на спуске, при попутном ветре или других условиях, уменьшающих силы сопротивления качению, когда скорость будет выше определенной для заданного угла открытия дроссельной заслонки, ЭД начинает работать в режиме генератора.
ЭД работает в режиме генератора и при снижении скорости гибридного автомобиля в момент уменьшения угла открытия дроссельной заслонки, т.е. на режимах принудительного холостого хода (замедление-торможение). Таким образом осуществляется процесс рекуперации электрической энергии.
Для передачи крутящего момента от ДВС и ЭД на один выходной вал гибридной установки применяется ременный редуктор, который выбран по следующим причинам: большое межосевое расстояние; достаточная несущая способность ременной передачи; отсутствие жесткой связи между валами для обеспечения демпфирования нагрузок; низкий уровень шума (рис. 13).
Детали корпуса 3 ременного редуктора, изображенного на рис. 10, соединены в единый блок. Корпус 3 имеет три присоединительных плоскости 4, 5, 6. Присоединительной плоскостью 4 корпус крепится к ДВС 1; параллельно этой плоскости расположена со смещением плоскость 5, к которой крепится ЭД 2. С противоположной стороны плоскости 4 расположена соосно плоскость 6, к которой крепится картер сцепления 7 вместе со сцеплением и коробкой передач.
На корпусе 3 расположен кронштейн 8 для установки ролика натяжения 9 двух клиновых ремней 10. Вместе с ЭД 2 к корпусу 3 крепится опора 11, на которой через подшипники качения установлен шкив ведущий 12. Крутящий момент от ЭД 2 к шкиву 12 передается входным валом 13 соединенным со шкивом при помощи болтов. Ведомый шкив 14 установлен на ведомом валу 15, расположенном соосно между ДВС 1 и картером сцепления 7, при этом ведомый шкив 14 через болтовое соединение 16 и стакан 17 соединен с одной стороны с носком коленчатого вала ДВС, а через шлицы с другой стороны - с вы . J , . //; J ;;;;;; J . ;,;/ /J л 20 1 Рис. 13. Ременный согласующий редуктор в конструкции гибридной энергетической установки ходным валом 15. К фланцу вала 15 присоединен маховик 18, несущий на себе сцепление, через которое крутящий момент передается в трансмиссию автомобиля ИЖ-21261. Опорами ведомого вала 15 являются с одной стороны втулка 19, установленная в стакане 17 через шарикоподшипник, с другой стороны фланец корпуса 3, в котором вал 15 установлен также через шарикоподшипник. Болтовое соединение 16, включающее в себя компенсационные пластины 20, при необходимости, в зависимости от проверки того или иного режима работы, может быть удалено.
Для более детального ознакомления с компонентами и логикой работы гибридной установки следует обратиться к отчету [12, 48, 56, 102], где представлено: схема электрическая силовой энергоустановки гибридного автомобиля и описан принцип ее работы; конструкция датчика скорости и его установка на автомобиле; описание логического блока и блока управления и их размещение в подкапотном пространстве автомобиля; описание датчиков отпущенной педали управления дроссельной заслонкой карбюратора, скорости движения гибридного автомобиля и оборотов тягового электродвигателя, реле превышения скорости движения, ручного аварийного выключателя электропитания электродвигателя, блока управления возбуждением электродвигателя и размещение перечисленных элементов на авто
При разработке гибридного легкового автомобиля на базе автомобиля ИЖ-21261, как было отмечено выше, предпочтение было отдано параллельной схеме передачи крутящего момента маломощного ДВС и ЭД к колесам автомобиля, как обеспечивающей более высокий коэффициент полезного действия (рис. 14). ДВС и ЭД работают на один выходной вал КЭСУ и соединены ре 56 менным редуктором с передаточным числом ірем = 1,4. При этой схеме в момент
трогания оба двигателя разгоняют автомобиль, а при торможении, замедлении и движении с установившимися скоростями ЭД переводится в режим генератора, подзаряжающего накопитель электроэнергии (НЭ). Кроме того, ЭД в данной конструктивной схеме может использоваться для запуска ДВС и возможности движения автомобиля без использования ДВС в тех зонах эксплуатации, где полностью ограничен выброс отработавших газов. С выходного вала КЭСУ крутящий момент передается на ведущие колеса через муфту сцепления Мсц, коробку переключения передач (КПП), карданный шарнир, главную передачу и межколесный дифференциал Д.
Обоснование необходимости совершенствования конструкции КЭСУ
Отметим, что при выполнении третьего шага алгоритма расчета разгона возможен случай, когда VK будет больше Vmaxj (і - номер передачи, на которой происходит разгон). В данном случае в качестве VK берут значение максимальной скорости на данной передаче, т.е. VK = Vmaxi и переходят к выполнению следующего шага алгоритма.
При VK = Vmaxj, после выполнения шага 9 алгоритма, происходит пере 82 ключение на следующую разгонную передачу. Во время переключения передач скорость движения автомобиля, равная Vmaxi, уменьшится до значения VK, которое определяется по формуле (6). Пройденный путь за время переключения вычисляется по формуле (7). Далее по формулам (11), (12) корректируют значения общего времени разгона и пути разгона с учетом переключения передач и выполняется 10-ый шаг алгоритма.
Если разгон совершается на высшей передаче и достигнута максимальная возможная скорость движения, то после выполнения 9-го шага алгоритма процесс расчета заканчивается.
При расчете характеристик разгона по рассмотренному алгоритму возможен случай, когда ускорение автомобиля с КЭСУ при скорости VK (7-ой шаг алгоритма) будет отрицательным. В данном случае необходимо подобрать значение скорости VK так, чтобы ускорение было близко к нулю и после выполнения 8-го и 9-го шагов алгоритма процесс расчета закончить.
Отметим, что если моделируется динамичный разгон автомобиля с КЭСУ, то необходимо контролировать соотношение ускорений на разгоняемой и последующей передачах. Если ускорение на последующей передаче больше, чем на предыдущей, то необходимо переключаться на следующую передачу, хотя еще не достигнута максимально возможная частота вращения выходного вала КЭСУ для заданной разгонной передачи. Такого типа ситуация характерна для автомобилей с КЭСУ, т.к. внешняя скоростная характеристика КЭСУ имеет высокие вращающие моменты на малых частотах вращения, в отличие от автомобилей оборудованных только ДВС, за счет внешней скоростной характеристики ЭД.
При необходимости оценки динамики разгона автомобиля при работе только ТД или ЭД проводят подобные расчеты с внешними скоростными характеристиками соответственно ТД и ЭД.
В качестве измерителя топливной экономичности автомобилей обычно берется расход топлива в литрах на 100 км пути. Расход топлива на единицу пройденного пути существенно зависит от экономичности ТД, входящего в состав КЭСУ, от режимов движения и дорожных условий [53, 54]. Q, кг/ч
Экономичность ТД характеризуется семейством нагрузочных характери 84 стик [60]. Пример семейства нагрузочных характеристик двигателя УЗАМ-331.10 максимальной мощности 54,1 кВт при частоте вращения коленчатого вала nN = 5470 об/мин, представлен на рис. 17. По оси абсцисс отложены в выбранном масштабе обороты коленчатого вала двигателя, а по оси ординат - часовые расходы топлива для различных нагрузок двигателя. Режим, при котором нагрузка равна нулю, соответствует работе двигателя на холостом ходу.
В общем случае движения автомобиля можно выделить следующие режимы [57, 58]: установившееся движение, разгон, замедление, торможение.
Основным критерием для оценки топливной экономичности автомобиля при установившихся режимах его работы служит величина расхода на 100 км пути при постоянной скорости движения гибридного автомобиля.
Порядок расчета топливной экономичности автомобиля с КЭСУ следующий. Зная скорость установившегося движения автомобиля V, определяют частоту вращения выходного вала КЭСУ и мощность, необходимую для преодоления сил сопротивления движению на данной скорости. При этом считаем, что движение с постоянной скоростью происходит при работе только ТД (электродвигатель отключен или работает в генераторном режиме, подзаряжая накопитель электрической энергии). Частоту вращения коленчатого вала двигателя определяют по формуле: nv = 1к1р1 об/мин. (13)
V 0,105гд При движении с установившейся скоростью мощность, подводимая от КЭСУ к ведущим колесам, расходуется на преодоление силы сопротивления качению колес и силы сопротивления воздуха. Тогда, мощность ТД, необходимая для установившегося движения по горизонтальной дороге со скоростью V, определяется по формуле: где Qv - часовой расход топлива, в кг/ч, является величиной переменной, зависящей от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.
Удельный расход топлива, с учетом режима работы двигателя, определяют по формуле: е =KnKNgeN, где geN удельный расход топлива при максимальной мощности двигателя в г/(кВт ч); Kn, KN - коэффициенты, учитывающие влияние на удельный расход топлива скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя соответственно.
Отметим, что при расчете топливной экономичности автомобиля с КЭСУ не учитывались расходы топлива на привод ЭД при подзарядке накопителей электрической энергии (ЭД работает в генераторном режиме). Эти потери в среднем могут составлять от 0 до 10 % и зависят от конструктивных особенностей КЭСУ, от эффективности реализованного процесса рекуперации при замедлении и торможении автомобиля, от алгоритма управления работой КЭСУ и других факторов.
Разгон автомобиля - одна из наиболее важных фаз неустановившегося режима движения, которая оказывает большое влияние на расход топлива, особенно при движении с остановками.
Для оценки топливной экономичности автомобиля с КЭСУ при разгоне на заданной передаче часто пользуются топливной характеристикой разгона (зависимость расхода топлива от скорости разгона) при полной подаче топлива. При этом считается, что при разгоне ТД и ЭД работают по внешним скоростным характеристикам.
Расчет топливной характеристики разгона (расхода топлива ТД в составе КЭСУ) мало отличается от расчета топливной характеристики установившегося движения. Основное отличие в том, что расход топлива определяют непосредственно по внешней характеристике. Если проводится приближенный расчет, то берется значение KN = 1, т.к. при полной подаче топлива значение Nv/Ne = 1.
В некоторых случаях для оценки топливной экономичности при разгоне используют показатель суммы расхода топлива при разгоне на отдельных его участках. Очевидно, что общая сумма расхода топлива при разгоне равна:
По внешней характеристике определяем часовой расход топлива для скоростей соответствующих началу участка пути разгона Qk4 и концу Qk. Тогда средний часовой расход топлива на участке:
Зная длину участка пути, которая определяется по рассмотренному выше алгоритму характеристик разгона автомобиля, но с учетом одновременной работы ТД и ЭД, и скорости, соответствующие началу участка пути разгона Vk_j и концу этого участка Vk, находим расход топлива на данном участке пути разгона:
Экономичность ЭД рассчитывается путем подсчета количества энергии, затраченной на разгон. Для подсчета этой энергии используют внешнюю скоростную характеристику (зависимость мощности ЭД от частоты вращения вала) и расчетные значения времени разгона в заданных интервалах разгона с учетом потерь энергии при преобразовании ее из электрической энергии накопителей в механическую энергию на выходном валу ЭД.
Обоснование параметров трансмиссии гибридного автомобиля, оборудованного усовершенствованной энергосиловой установкой
Измененная часть усовершенствованной гибридной энергосиловой установки была изготовлена в соответствии с разработанным комплектом конструкторской документации на опытном производстве ОАО "Ижевский автомобильный завод" и КЭСУ установлена на экспериментальный образец автомобиля.
Проведено ряд лабораторных и дорожных испытаний на дорогах общего пользования в Удмуртской республике и республике Татарстан (г. Набережные Челны) усовершенствованного экспериментального образца гибридного автомобиля. Нагрузка при пробеговых испытаниях полная, а при лабораторных в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Скоростной режим в пробеговых испытаниях выдерживается в соответствии с требованиями Правил дорожного движения. На протяжении срока испытаний хранение опытного образца гаражное.
При испытаниях определялись следующие параметры: координаты центра массы автомобиля, распределение нагрузки по осям, показатели токсичности, топливной экономичности и скоростных свойств, запас хода.
Снаряженная масса гибридного автомобиля увеличилась на 148 кг в сравнении с базовой моделью автомобиля ИЖ-21261. Это увеличение вызвано прежде всего тем, что на экспериментальном образце гибридного легкового электромобиля установлено 8 свинцово-кислотных аккумуляторных батарей 6-СТ-55 общей массой 120 кг с удельной мощностью 25 Вт/кг и удельной энергоемкостью 33 Вт ч/кг. Их применение в период отработки конструкции вызвано исключительно отсутствием средств на покупку очень дорогих никель-кадмиевых накопителей энергии.
Если накопитель выполнить с применением никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, то при удельной мощности 60 Вт/кг для обеспечения той же динамики разгона автомобиля, вес аккумуляторной батареи будет 46 кг, при этом снаряженная масса разрабатываемого гибридного электромобиля уменьшится и будет равна, даже в экспериментальном исполнении 1074 кг.
При появлении денежных средств свинцово-кислотные аккумуляторные батареи будут заменены на никель-кадмиевые. При такой замене какие-либо изменения в конструкции и систему управления гибридного легкового электромобиля проводить нет необходимости. Никель-кадмиевые батареи предпочтительны для применения в эксплуатации, а их замена на свинцово-кислотные в настоящее время, удешевляющая доводочные работы, не влияет на процесс отработки узлов и систем экспериментального образца гибридного автомобиля.
Резервы дальнейшего снижения массы гибридного автомобиля просматриваются в разработке литого алюминиевого картера согласующего редуктора, который для упрощения и уменьшения затрат в период доводочных работ выполнен из стального толстого проката и толстостенных труб.
При определении координат центра масс автомобиль с гибридной энергоустановкой без нагрузки устанавливался передними колесами на весы, а задними на ровную площадку. При подъеме площадки определялось приращение массы, приходящейся на весы. По установленному на кузове автомобиля угломеру определялся угол подъема автомобиля. По известным формулам, исходя из вышеперечисленных параметров, определялись координаты центра массы. Значения координат центра масс мало отличаются от базовой модели автомобиля ИЖ-21261.
Динамические показатели автомобиля определялись на треке автозавода (рис. 27). Автомобиль с разработанной гибридной энергоустановкой был оборудован датчиком скорости и пути ("пятым" колесом) (рис. 28), информация с которого передавалась по электрокабелю в салон автомобиля на указатель, установленный на панель приборов (рис. 29).
Экспериментальный образец гибридного автомобиля ИЖ-21261 проходил испытания на токсичность на тормозном стенде с беговыми барабанами фирмы Шенк (Германия). Выбросы вредных веществ отработавших газах определялись с использованием газоанализатора МЕХА 2200 фирмы Хориба (Япония) по методике ОСТ 37.001.054-86 и ГОСТ 17.2.2.03-87.
Существующие требования по выбросу вредных веществ в отработавших газах предусматривают испытания автомобиля при работе двигателя на холостом ходу и в ездовом цикле.
Результаты испытаний на холостом ходу согласно ГОСТ 17.2.2.03-87 приведены в табл. 10, а в ездовом цикле - в табл. 11.
Из приведенной таблицы следует, что гибридный автомобиль обеспечивает выполнение норм ЕВРО-3 по выбросам СО. Это объясняется тем, что работа ДВС облегчается работой параллельно включенного электродвигателя, и кроме того, по существующим стандартам нормы токсичности не зависят от величины рабочего объема двигателя и легче выполняются для автомобилей с бензиновыми двигателями небольшого объема.
Выполнение норм токсичности ЕВРО-3 по выбросам СН и NOx обеспечена при разработке опытного образца за счет оптимизации работы энергосиловой установки.
Дополнительным резервом уменьшения выброса вредных веществ в отработавших газах гибридного автомобиля является также введение в алгоритм управления гибридной энергоустановкой параметра ускорения движения автомобиля. В экспериментальном образце автомобиля параметр ускорения в алгоритм управления не был введен, так как при разработке экспериментального образца решались в основном вопросы принципиального характера связанные с выявлением возможности совершенствования КЭСУ.
