Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Воздействие токсических компонентов отработавших газов автотранспортных средств на окружающую среду 6
1.2. Анализ работ, направленных на улучшение эколологичесюих показателей автотранспортных средств 13
1.3. Анализ работ по созданию и исследованию комбинированных энергетических установок на автомобильном транспорте 17
1.4. Выводы и задачи исследований 36
Глава 2. Теоретические исследования влияния рекуператора энергии на экологические показатели автомобиля 39
2.1. Обоснование выбора схемы комбинированной энергетической установки транспортного средства с рекуператором энергии 39
2.2. Обоснование методики расчета аккумуляторного гидропривода 44
2.3. Исследование влияния рекуператора энергии на тягово-скоростные свойства автомобиля 55
2.4. Исследование влияния рекуператора энергии на топливно-экономические и токсические характеристики автомобиля 68
2.5. Выводы по главе 94
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 95
3.1. Задачи экспериментальных исследований 95
3.2. Объект исследований 95
3.3. Методика проведения лабораторных испытаний 98
3.4. Методика проведения сравнительных дорожных испытаний серийного и опытного автомобилей 99
3.5. Обработка опытных данных и оценка погрешностей результатов исследований 107
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и рекомендации по использованию рекуператора энергии 115
4.1. Лабораторные исследования аккумуляторного гидропривода 115
4.2.Результаты сравнительных дорожных испытаний по оценке скоростных свойств серийного и опытного автомобилей 116
4.3. Результаты сравнительных дорожных испытаний топливной экономичности серийного и опытного автомобилей 119
4.4. Результаты экспериментальных исследований токсических характеристик серийного и опытного автомобилей 120
4.5. Практические рекомендации по использованию устройства для рекуперации энергии торможения автомобиля 124
4.6. Выводы по главе 4 129
Глава 5. Экономическая и экологическая эффективность применения рекуператора энергии 131
5.1. Расчет экономической эффективности применения рекуператора энергии на автомобиле 131
5.2 Расчет экологической эффективности применения рекуператора энергии на автомобиле 136
5.3. Выводы по главе 5. 141
Общие выводы 142
Список использованных источников 144
Приложения
- Воздействие токсических компонентов отработавших газов автотранспортных средств на окружающую среду
- Обоснование выбора схемы комбинированной энергетической установки транспортного средства с рекуператором энергии
- Задачи экспериментальных исследований
- Лабораторные исследования аккумуляторного гидропривода
Введение к работе
Причинами ухудшения состояния окружающей среды является постоянный рост парка транспортных средств, использующих двигатели внутреннего сгорания (ДВС), при этом в загрязнении атмосферы токсичными выбросами отработавших газов доля бензиновых автомобилей более 70%.
Автотранспортные средства, работающие в условиях города сельскохозяйственного производства с предельно высокой перегрузкой, с большим перерасходом топлива, в недопустимых количествах выбрасывают в атмосферу с выхлопными газами токсичные элементы, которые способствуют загрязнению окружающей среды. Это приводит к большим экономическим потерям в сельском хозяйстве, к ухудшению экологического состояния населенных пунктов и территорий, прилегающих к промышленным предприятиям. Вредному воздействию особенно сильно подвергаются сельскохозяйственные предприятия, расположенные вблизи крупных городов, промышленных центров, транспортных магистралей и аэродромов в настоящее время проводятся конструкторско-технические мероприятия, позволяющие внедрить технические новшества в конструкции автотранспортных средств, направленные на улучшение их экологических показателей и сокращение выбросов вредных веществ. Они группируются по следующим направлениям: повышение экономичности двигателей, снижение массы конструкции, уменьшение сопротивления движению, снижение токсичности отработавших газов, использование экологически более чистых видов топлива, применение комбинированных источников энергии.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что одним из эффективных мероприятий обеспечения экологической безопасности автотранспорта является разработка комбинированных энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из ДВС и устройства для рекуперации энергии. Эти устройства позволяют не только снизить нагрузки на элементы трансмиссии автомобиля, улучшить тягово-скоростные качества автомобиля и уменьшить расход топлива, но и снизить выбросы токсических веществ с отработавшими газами двигателей.
В этой связи особую актуальность приобретают разработка и научное обоснование новых технических решений, направленных на использование рекуператоров энергии и исследование их влияния на экологические показатели транспортных средств. Решение данной задачи позволит повысить эффективность использования транспортных средств и решить две важные экологические задачи: снизить выбросы токсических веществ с отработавшими газами двигателей и сэкономить энергетические ресурсы.
Воздействие токсических компонентов отработавших газов автотранспортных средств на окружающую среду
Технический прогресс в деятельности человека оказывает негативное влияние на состояние окружающей среды (ОС). С учетом количества выбросов наиболее опасными искусственными источниками загрязнения являются дымовые газы неподвижных источников энергии, работающих на топливах органического происхождения; отработавшие газы транспортных средств и выбросы промышленных предприятий.
Во всех экономически развитых странах автомобильный транспорт по объему перевозок занимает ведущее место. В нашей стране за последние 30 лет пассажирские перевозки автотранспортом увеличились в 63,8 раза. В настоящее время с помощью автотранспорта осуществляется 62% всего пассажирооборота в городах и около 50 % по России в целом [14].
Автомобильный парк России превысил 20 млн. единиц [6,68]. За период с 1991 по 2001 год количество автотранспорта, находящегося в индивидуальном владении, увеличилось на 25,4% [101]. При таком значительном увеличении масштабов и росте темпов автомобилизации возникает ряд проблем, связанных с вредными для окружающей среды и человека последствиями.
Механизм воздействия автотранспорта на окружающую среду (рис. 1.1) имеет рад специфических особенностей: - массовость и постоянно растущие темпы процесса автомобилизации; - широкий спектр отрицательных явлений, сопровождающих процесс развития автомобилизации; сложность значительного улучшения экологической безопасности автомобиля в ближайшей перспективе; - концентрация большого количества транспортных средств на сравнительно ограниченной территории и их массовое проникновение в зоны жилой застройки, трудность локализации неблагоприятных последствий (например, в России сейчас в городах сосредоточено 60-70% парка автотранспортных средств); - хроническое отставание темпов развития дорожной сети от темпов автомобилизации; - отсутствие эффективных средств снижения токсичности отработавших газов. источник ресурсой гиёе/ьитроимы людей, жибатных при ДТП металл бытооай мусор
Сочетание этих и других факторов в определенных условиях и по определённым параметрам приводит к доминирующему воздействию автомобильного транспорта на окружающую среду (ОС) [68, 70, 89, 100, 101], которое можно проследить по трем основным направлениям: потребление ресурсов, негативные социальные последствия и загрязнение ОС. В настоящее время большую актуальность приобрела задача рационального использования природных ресурсов, особенно энергетических. Эго в полной мере относится к автомобильному транспорту и автомобильной промышленности, входящих в число самых крупных потребителей природного сырья и материалов. В странах Западной Европы на автомобильный транспорт расходуется около 30% нефтепродуктов, в США и Канаде - до 55%, в Японии - более 20%. В России доля транспорта в потреблении топливно-энергетических ресурсов составляет 20%.
В конце XX века принципиальных изменений в структуре автопарка не произошло. Состав его по видам используемого топлива также остался прежним. Доля автомобилей, использующих газовое топливо, не превышает 2%. Удельный вес грузовых автомобилей с дизелями составляет 28% от их общего количества. Для автобусного парка России доля автобусов, работающих на дизельном топливе, равна примерно 13%.
Воздействие автомобильного транспорта на ОС сопровождается не только потреблением природных ресурсов, но и сокращением мест обитания и гибелью живых организмов и человека (в дорожно-транспортных происшествиях в мире ежегодно погибает около 250 тыс. человек и еще около Юмлн. человек получают различные травмы). В нашей стране автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение ОС, выбрасывая с отработавшими газами (ОГ) до 39% токсичных веществ, выделяемых в атмосферу [14], в то время как на долю остальных антропогенных источников загрязнения, например, тепловых электростанций, приходится 16% от общего загрязнения ОС, промышленных предприятий - 14% [6]. А в отдельных городах России на долю автотранспорта приходится до 80 и даже до 87% (для г. Москвы) от общего выброса загрязняющих выбросов в атмосферу [100, 101]. Удельный же вес поршневой энергетики в мире в целом составляет 80-85% от всех энергетических средств, включая газовые турбины, атомную энергетику и т.д. [14].
Высокий уровень загрязнения ОС автомобильным транспортом в настоящее время обусловливается не только резким ростом его численность, но также и тем, что недостаточно используются эффективные средства снижения токсичности ОГ.
Общее количество компонентов в ОГ насчитывает по разным оценкам от 200 до 1200 веществ и химических соединений в твердом, жидком и газообразном состоянии [100]. Период их существования длится от нескольких минут до 4-5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на органы человека их объединяют в группы (табл. 1.1.) [70].
Состав выброса, % 75 3 5 11 5 0,15 0,5 Массавыбросовприпробеге15000 км загод 15т 0,6 т 1т 2,3 т 1т 30 кг 100 кг В первую группу входят нетоксичные: вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие компоненты атмосферного воздуха. В этой группе заслуживает внимание углекислый газ (СОг), содержание которого в отработавших газах в настоящее время не нормируется, однако, СО? играет особую роль в "парниковом эффекте".
Вторую группу составляет только одно вещество - оксид углерода, или угарный газ (СО).; Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Легкая степень отравления вызывает пульсацию в голове, потемнение б глазах, повышенное сердцебиение. При тяжелом отравлении сознание затуманивается, возрастает сонливость. При очень больших дозах угарного газа (свыше 1 %) наступает потеря сознания и смерть.
Обоснование выбора схемы комбинированной энергетической установки транспортного средства с рекуператором энергии
Ранее уже говорилось о целесообразности аккумулирования энергии и получаемом энергетическом выигрыше, когда двигатель работает с постоянной частотой вращения в оптимальной зоне своей характеристики и его частота вращения не изменяется при переключении передач или изменении скорости автомобиля [40]. Отмечалось также, что вращающиеся массы, соединенные с ведущими колесами, должны быть как можно меньше [61]. Был сделан вывод о преимуществах гибридного привода, когда при разгоне используется наибольшая мощность двигателя и мощность, накопленная в аккумуляторе [48].
Все эти преимущества удается легко реализовать в гидростатическом приводе [55], принцип которого состоит в том, что источник механической энергии, например ДВС, приводит гидронасос, подающий жидкость в тяговый гидравлический двигатель. Это упрощают конструкцию машины, отпадает необходимость многих зубчатых колес, шарниров, осей, поскольку обе группы агрегатов могут быть расположены независимо друг от друга. Мощность привода определяется объемом гидродвигателя. Изменение передаточного отношения в гидростатическом приводе бесступенчатое, его реверсирование и гидравлическая блокировка весьма просты.
В отличие от гидромеханической передачи, где соединение тяговой группы с преобразователем крутящего момента жесткое, в гидростатическом приводе передача усилий производится только через жидкость. С точки зрения экономии энергии, гидростатическая трансмиссия имеет большие преимущества для применения на транспорте, движущемся в условиях цикла. Приводимый двигателем 1 насос 2с постоянным объемом: подает масло в аккумулятор 3. Если аккумулятор заполнен, датчик давления 4 подает импульс электронному регулятору 5 об остановке двигателя. Из аккумулятора масло под давлением подается через управляющее устройство 6 к гидродвигателю 7 и из него сбрасывается в масляный бак 8, из которого вновь забирается насосом. У аккумулятора имеется ответвление 9, предназначенное для питания дополнительного оборудования автомобиля.
В гидростатическом приводе обратное направление движения жидкости используется для торможения автомобиля. В этом случае гидродвигатель забирает масло из бака и подает его под давлением в аккумулятор. Таким способом можно аккумулировать энергию торможения для дальнейшего ее использования.
Недостаток всех аккумуляторов в том, что любой из них имеет ограниченную емкость, и если аккумулятор заряжен, он больше не может накапливать энергию, и ее избыток должен быть сброшен так же, как и в автомобиле без аккумулирования энергии. В гидростатическом приводе эта проблема решается применением редукционного клапана 10, который при наполненном аккумуляторе перепускает масло в бак.
Исходя из вышесказанного, в качестве бесступенчатой передачи в трансмиссии рекуператора нами выбрана гидрообъемная передача (ГОП), которая хорошо вписывается в базовую силовую установку транспортного средства, отвечает основным требованиям, предъявляемым к трансмиссии КЭУ по удельным мощностным показателям [61, 65, 67, 73, 92].
Анализ схем трансмиссий с рекуператором показал, что принципиально можно выделить две схемы работы КЭУ - последовательную и параллельную [29, 30, 31, 32, 34, 35, 48, 51, 84, 106].
В последовательной схеме работы рекуператор и тепловой двигатель работают раздельно. Рекуператор накапливает энергию при торможении автомобиля и отдает ее при разгоне. Для передачи энергии от ПГА используется отдельная дополнительная бесступенчатая передача (в частном случае может использоваться и основная трансмиссия автомобиля). После завершения работы рекуператора дальнейшее движение осуществляется от основного привода автомобиля.
Последовательная схема более проста в приготовлении, управлении и контроле. Автомобиль сохраняет нормальную работоспособность при отключении рекуператора. Недостатком ее является наличие дополнительной бесступенчатой трансмиссии большой мощности, что увеличивает массу и стоимость привода, При этом экономия топлива достигается за счет выключения двигателя, или его работы на холостом ходу при разгоне от рекуператора.
При параллельной или совместной работе рекуператора и базового привода, накопленная энергия ПГА используется при разгоне автомобиля в дополнение к энергии теплового двигателя. Мощность всей установки повышается, увеличивается интенсивность разгона и средняя скорость движения автомобиля. Экономия топлива достигается уменьшением времени работы двигателя на неэффективных режимах. При данной схеме работы мощность трансмиссии рекуператора меньше, чем при последовательной схеме, а мощность, передаваемая через карданную передачу больше. Однако, экономия топлива здесь несколько ниже, чем в первом случае.
Был проведен анализ конструкций передач транспортных машин с КЭУ с целью выделения конструкции для проектируемого варианта трансмиссии. Здесь также выделено два основных типа конструкций: общая трансмиссия и раздельная.
В транспортных средствах с раздельными трансмиссиям (например, рекуператор фирмы «VOLVO» с гидропневматическим аккумулятором, рекуператор Курского политехнического института и др.) для рекуператора предусмотрена дополнительная трансмиссия, не входящая в основную силовую установку. Такая конструктивная схема позволяет сохранить бет значительных изменений основную силовую установку, проводить ремонт рекуператора с сохранением нормальной работы основной силовой установки, однако, обладает большей массой, стоимостью, чем общая трансмиссия. Схема позволяет размещать рекуператор независимо от базовой трансмиссии.
Задачи экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проведены с целью подтверждения и уточнения результатов теоретических исследований, а также обоснования рекомендаций по применению рекуператоров энергии на автомобилях, работающих в условиях городского ездового цикла.
При составлении методики исследований руководствовались известными общими методами с учетом особенности поставленных задач и выбранного объекта [8, 25, 26].
В соответствии с целью работы и результатами теоретических исследований необходимо провести экспериментальные сравнительные исследования серийного и опытного автомобиля и решить следующие задачи: - разработать техническое решение по реализации характеристик и основных параметров рекуператора энергии; - оценить влияние рекуператора энергии на скоростные свойства, топливную экономичность и токсические характеристики автомобиля; - разработать рекомендации по использованию рекуператора энергии на автомобиле.
Объектом экспериментальных исследований был выбран автомобиль, на шасси которого было установлено устройство для рекуперации энергии торможения (рис. 3.1), приоритет которого подтвержден положительным решением о выдаче патента на изобретение.
Устройство, используемое для проведения эксперимента, было изготовлено и смонтировано в МГАУ. Оно состоит из гидробака 1 и масляного радиатора охлаждения. 2, установленных в линии слива 16, пневмогидроаккумулятора 3, гидромотора 4, муфты 5, раздаточной коробки 6, связанной с коробкой передач 7, и двигателя 8. При этом коробка передач 7, кинематически связана с ведущими колесами 9 транспортного средства. Кроме этого, гшевмощцроаккумулятор 3 соединен через предохранительный клапан 12 со сливной магистралью 16 и напорной магистралью 15, которая гидравлически связана через дроссель 11 и гидрораспределитель 10 с гидродвигателем 4. Гидрораспределитель связан соответственно, с педалью управления разгоном 13 и торможением 14. При этом педали управления разгоном 13 и торможением 14 связаны с муфтой 5 Кроме этого, гидрораспределитель 10 соединен, соответственно, через гидромагистрали 17 и 18 с гидромотором 4.
Принцип работы опытного устройства следующий.
При торможении необходимо отжать педаль торможения 14. При этом включается электромагнитная муфта 5, что приводит к работе гидродвигателя 4 в режиме работы насоса, открывается гидрораспределитель 10. В этот момент рабочая жидкость через дроссель 11 из гидробака 1 через радиатор с гидродвигателем 4 нагнетается в пневмогидравлический аккумулятор 3 по гидромагистралям 17 и 15, нагружая колеса тормозным моментом. Если торможение длительное (езда под гору), то может оказаться, что пневмогидравлический аккумулятор 3 полностью заряжен, тогда открывается предохранительный клапан 12 и энергия тратится на дросселирование жидкости через данный клапан. Для прекращения движения необходимо полностью отжать педаль торможения 14, при этом в конце хода педали торможения срабатывает гидромеханический тормоз колес.
Для последующего разгона необходимо отжать педаль разгона на 2/3 ее хода, т. е. в тот момент, когда заканчивается трогание транспортной машины и начинается ее разгон. При отжатии педали разгона на 2/3 ее хода включается муфта 5. Гидрораспределитель разъединяет магистрали 15 и 17, что при водит к поступлению жидкости из пневмогидравлического аккумулятора 3 к гидродвигателю 4, который начинает работать в режиме мотора и передавать дополнительно с основным двигателем 8 крутящий момент на коробку передач 7, кинематически связанную с ведущими колесами 9.
Если преодолевается какое либо препятствие, то необходимо нажать где педаль разгона более чем на 2/3 ее хода, при этом включается муфта 5, гидрораспределитель соединяет гидромагистрали 15 и 18 с гидромотором (процесс протекает как в режиме разгона), что приводит к работе гидромотора 4, который дополнительно увеличивает крутящий момент совместно с основным двигателем 8, который передает его коробкой передач 7 на ведущие колеса 9 транспортного средства,
При запуске основного двигателя 8 необходимо так же нажать на педаль разгона более чем на 2/3 ее хода, при этом гидрораспределитель соединяет гидромагистрали 15 и 18 с гидромотором 4 (как при разгоне), что приводит к работе гидромотора 4, который через муфту 5, раздаточную 6 и основную коробку 7 вращает основной двигатель 8. В результате двигатель запускается без использования дополнительного пускового двигателя.
Таким образом, рекуперация энергии позволяет повысить тягово-динамические качества транспортного средства в период разгона или 1 преодоления кратковременного препятствия. Кроме того, данное устройство позволяет снизить расход топлива и уменьшить выброс отработавших газов в условиях ездового цикла.
Задачей проведения лабораторных испытаний является определение характеристик, необходимых для моделирования процесса движения транспортной машины, а также определение отдельных характеристик рекуператора энергии.
Масса автомобиля, оборудованного приборами, ее распределение по колесам определялись путем взвешивания на автомобильных весах при полной заправке топливом, с комплектом инструмента и грузом на сиденье водителя 75 кг. Точность взвешивания ±0,2%. Координаты центра масс автомобиля были определены на платформенных весах по методике, изложенной в работе [96]. Линейные геометрические размеры определялись при установке автомобиля на ровной горизонтальной площадке с помощью отвесов и рулетки, точность измерения составляла ± 0,5 мм.
Радиусы качения колес автомобиля а ведомом режиме в соответствии с рекомендациями НАТИ определялись на ровной асфальтированной площадке. Измерению подлежало число оборотов путеизмерительного и всех ведущих колес при прохождении автомобилем зачетного участка. В шинах автомобиля устанавливалось и поддерживалось во время опытов давление, рекомендуемое заводом изготовителем: 0,2 МПа. Износ рисунка протектора не превышал 35% первоначальной высоты.
Лабораторные исследования аккумуляторного гидропривода
В качестве приводного двигателя выбран обратимый гидромотор Г15-24, рабочий объем которого 80 см , с номинальным расходом жидкости 76,8 л/мин, номинальный крутящий момент 58,8 Нм.
Установка была опробована в лабораторных условиях и показала свою работоспособность.
Результаты сравнительных дорожных испытаний по оценке скоростных свойств серийного автомобиля и оборудованного устройством для рекуперации энергии торможения, приведены па графиках (рис. 4.1 и 4.2).
Из данных графиков видно, что время разгона автомобиля на заданном пути длинной 400 и 1000 м сократилось на 15 с. за счет рекуперативного разгона.
Время разгона с места до заданной скорости (для городского автомобиля - 60 км/ч) сократилось с 18 с. до 14 с. (рис. 4.1).
За счет снижения времени разгона на заданном пути и времени разгона с места до заданной скорости улучшились и такие скоростные характеристики, как «Разгон-выбег» и «Разгон на передаче, обеспечивающей максимальную скорость».
На рис. 4.1 показано сравнение скоростных характеристик «Разгон-выбег» серийного и опытного автомобилей. Анализ экспериментальных данных позволяет заключить, что скоростные свойства опытного автомобиля значительно лучше. Время разгона автомобиля с рекуператором до скорости 25 м/с сокращается с 50 с. до 30 с. Путь проходимый автомобилем при совершении разгона до 25 км/ч уменьшается с 1400 м до 900 м.
Улучшается скоростная характеристика «Разгон на передаче, обеспечивающей максимальную скорость» (рис. 4.2) за счет сокращения времени разгона примерно на 30 с, т.е. ровно на столько, сколько требуется времени для разрядки пневмогидравлического аккумулятора. Таким образом, скоростные характеристики автомобиля повышаются на 19...33 % в зависимости от режима движения и выбранной передачи трансмиссии.
Таким образом, из анализа графиков следует, что применение рекуператора приводит к улучшению скоростных характеристик автомобиля.
Экономия топлива определялась сравнением среднего расхода в цикле у автомобиля с рекуператором и без него. При этом масса автомобиля с рекуператором составляла на 105 кг больше массы обычного автомобиля.
Исследования проводились при параллельной (совместимой) работе базового двигателя и рекуператора энергии торможения. Экономия топлива в данном случае достигается за счет сокращения времени работы базового двигателя на неэффективных режимах разгона. Возрастает динамика разгона и средняя скорость движения автомобиля. В связи с этим в перспективе возможна замена двигателя внутреннего сгорания на менее мощный и получение дополнительной экономии топлива с сохранением динамических характеристик на уровне прототипа без рекуператора.
На рис. 4.3 представлено сравнение расходов топлива серийного и опытного автомобилей при движении в городском ездовом цикле. Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод, что применение рекуператора энергии на автомобиле, движущимся в условиях городского цикла приводит к снижению расхода топлива при проезде всего цикла на 0,1 л, что подтверждает данные теоретических исследований.
Результаты эксперимента (табл. 4.1) позволяют создать выводы: - для получения экономии топлива порядка 11...14 % коэффициент рекуперации должен быть не менее 1,2. - экономия топлива с ростом ускорения в два раза уменьшается приблизительно на один процент; - средняя скорость на маршруте существенно зависит от ускорения автомобиля от рекуператора.
