Содержание к диссертации
Введение
Глава І. Состояние вопроса, цели и задачи исследовании 7
1.1. Обзор и анализ существующих принципов управления системой ДВС - трансмиссия 7
1.1.1. Управление системой ДВС-Т па основании дросселирования ДВС 7
1.1.2. Управление сисчемой ДВС-Т по принципу работы ДВС на стационарных или квазисчациопарных режимах работы в зоне минимальных удельных расходов топлива 11
1.1.3. Анализ влияния автоматизации систем управления трансмиссией при стапдар'шых принципах управления на Г) и г) автомобиля 12
1.1.4. Альтернативный алгоритм управления системой ДВС-Т 14
1.2 Обтр и анализ существующих схем гибридных силовых установок 24
73
1.2.1. Обзор конструкции гибридных силовых установок современных трансі юрї пых среде їв 25
1.2.2. Обзор принципиальных схем гибридных силовых установок 33
1.3. I (ель и задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Выбор основных параметром агрегатов гибридной силовой устаповки параллельного тпна 46
2.2. Выбор потребной мощности тягового электродвигателя гибридной силовой установки параллельного типа 53
2.3. Характеристики и тенденции развития бортовых источников энергии различной физической природы 59
2.3.1. Современные характеристики тяговых аккумуляторных батарей 60
2.3.2. Им коечные накопич ели электрической энергии 62
2.3.4. Комбинированные энергетические установки электромобиля 66
2.4. Анализ математических моделей комбинированных энергетических
установок с применением источников различной физической природы 67
2.4.1 Математическая модель тяговой аккумуляторной батареи 67
2.5. Определение характеристик накопителя 74
2.6. Выводы по і-дане 2 77
Глава 3. Разработка конструкции алгоритма систем управления бесступенчатой передачей и нрпноде передних колес от ДВС 78
3.1. Конструкция н работа lilf па характерных режимах 78
3.2. Анализ возможных компоновочных схем. Описание и технические данные конструкции приводов к колесам 82
3.3. Выбор компоновки и конструкции привода к передним ведущим колесам 83
3.4. Выбор компоновки и конструкции привода к задним колесам 85
3.5. Выводы по главе 3 88
Глава 4. Определение зигоио-скоростных характеристик авіомобиля с гибридной силовой установкой параллельного типа 89
4.1. Расчетные режимы движения 89
4.2. Расчет тягового и динамического баланса 91
4.3. Выводы по главе 4 100
Глава 5. Расчет тонлнвно-жопомических показателей автомобиля с параллел ьной ГС У 101
5.1. Расчет топливно-энергетических характеристик на постоянных скоростях 101
5.2. Топдпвпо-экопомпческие показатели автомобиля с ГС У параллельного типа при движении в городском цикле 102
5.3. Выводы по главе 5 111
Основі і ые вы воды 112
Список использованной литературы
- Анализ влияния автоматизации систем управления трансмиссией при стапдар'шых принципах управления на Г) и г) автомобиля
- Характеристики и тенденции развития бортовых источников энергии различной физической природы
- Анализ возможных компоновочных схем. Описание и технические данные конструкции приводов к колесам
- Расчет тягового и динамического баланса
Введение к работе
Осознание мировой общественностью уровня сложившейся экологической ситуации неизбежно ведет к постоянному ужесточению экологических требований к автомобильному транспорту. Поэтапное ужесточение экологических требований к автомобилю, на настоящий момент привело к тому, что карбюраторный ДВС уже не в состоянии обеспечить требуемые характеристики работы по показателям топливной экономичности и токсичности выхлопных газов. В недалекой перспективе подобная судьба может постигнуть и ДВС с системой распределенного впрыска топлива. Очевидно, что для дальнейшего успешного развития современному автопроизводителю необходимо обеспечить переход от старых, быстроустаревающих технологий к новым прогрессивным методам, позволяющим перевести автомобиль на качественно новый уровень.
На настоящий момент существует три основных направления дальнейшего развития современного автомобиля: электромобили, автомобили с топливными элементами, автомобили с механическими накопителями энергии.
Понятие «электромобили» включает в себя целый класс транспортных средств объединенных общими принципами преобразования и передачи энергии от электрохимического накопителя к ведущим колесам. Можно выделить два основных типа электромобилей - автомобили: с тяговым аккумуляторным накопителем и с емкостным накопителем энергии. Основной проблемой, стоящей на пути массового коммерческого распространения электромобилей является отсутствие недорогих накопителей энергии, которые бы обеспечивали сравнительно небольшое время заряда и запас хода, сравнимый с запасом хода, обычного автомобиля. К классу электромобилей, с определенной степенью условности, можно отнести автомобили с силовой установкой на солнечных батареях. Специфичность работы солнечных батарей, привязка таких автомобилей к
светлому времени суток делают невозможным применение таких систем в массовом производстве [31,34, 85, 88,101,102,105].
Системы, построенные на основе технологии «топливных элементов» как альтернатива существующим ДВС, являются одним из наиболее перспективных направлений в современном автомобилестроении. Однако данное направление на настоящий момент требует значительных теоретических исследований и не может быть внедрено в массовое производство.
Ситуации с исследованиями в области механических накопителей энергии качественно отличается от двух предыдущих случаев - отсутствие недорогих и эффективных механических накопителей энергии делает невозможным промышленное внедрение данной технологии.
Таким образом, на настоящий момент нет ни четкой ясности с направлением дальнейшего развития современного автомобилестроения, ни реальной альтернативы существующим системам на основе ДВС. Следовательно, основной задачей, стоящей перед современным автопроизводителем является организация максимально эффективной работы систем с ДВС.
В рамках данной работы под гибридной силовой установкой следует понимать сочетание в качестве основного источника энергии двигатель внутреннего сгорания, работающий как правило, на режиме минимально возможного удельного расхода топлива и электрохимического накопителя электроэнергии используемого также в качестве пикового источника. По прогнозам экспертов такой гибридный автомобиль будет конкурентоспособен вплоть до 2020 года, после чего доминирующее положение займут автомобили с топливными элементами в качестве основных источников энергии [34, 51,52].
Анализ влияния автоматизации систем управления трансмиссией при стапдар'шых принципах управления на Г) и г) автомобиля
Анализ влияния автоматизации систем управления трансмиссией при стандартных принципах управления на ТЭ и ЭП автомобиля
Одним из наиболее легко реализуемых способов решения этой задачи является автоматизация управления трансмиссией, что позволит обеспечить оптимальный режим работы ДВС независимо условий движения и квалификации водителя. Следует выделить следующие аспекты проблемы автоматизации: автоматизация управления сцеплением, автоматизация управления ступенчатой и бесступенчатой трансмиссией, автоматическое управления системой «стоп - старт», автоматическое - управление системой рекуперации энергии торможения, обеспечение максимального сокращения вредных выбросов на стоянках и прилежащих отрезках городского пути. Максимальное удовлетворение этих требований обеспечивается применением гибридных силовых установок, однако реализация их преимуществ возможна только при оптимальном автоматическом управлении.
Задачу автоматического управления сцеплением можно решить двумя принципиальными способами: созданием специальной конструкции сцепления, работающего автоматически и созданием системы автоматического управления обычным фрикционным сцеплением. В обоих случаях необходимо выбрать закон управления автоматическим сцеплением. Существуют три основных принципа регулирования момента, передаваемого сцеплением в процессе трогания автомобиля.
В первом случае момент после подачи сигнала на управление начинает нарастать с определенной интенсивностью функции времени и через определенный промежуток времени сцепление полностью включиться. Очевидно, что для получения возможности регулирования интенсивности трогания интенсивность нарастания момента сцепления должна меняться с изменением степени подачи топлива. Такому закону присущи следующие недостатки: автоматическая система не предотвращает от заглохания двигателя при трогании с непреодолимым сопротивлением, данная система не обеспечивает возможность движения с «ползучими» скоростями.
Второй принцип - это зависимость момента сцепления от величины открытия дроссельной заслонки, каждому углу открытия ДЗ соответствует определенная частота, а следовательно и скорость движения автомобиля. Недостатком данной системы также является невозможность предотвращения заглохания двигателя при трогании в сложных дорожных условиях.
Третий принцип, при котором величина момента сцепления является определенной функцией частоты вращения KB ДВС. При этом момент сцепления равен нулю при определенном значении частоты KB ДВС, а при увеличении частоты - момент увеличивается по определенному закону и при некоторой частоте достигает своего максимума. У данного принципа отсутствуют вышеперечисленные недостатки [35, 38, 39, 75,100].
. Альтернативный алгоритм управления системой ДВС-Т Анализируя все приведенные варианты нетрудно заметить их общий недостаток - ДВС в процессе эксплуатации имеет свойство менять свои характеристики значительно уменьшая первоначально заложенный эффект от предварительной оптимизации. Таким образом, основной целью представляемой работы является создание оптимизационного алгоритма управления системой «двигатель - трансмиссия» в режиме реального времени, позволяющего выработать концепцию, самонастраивающейся в режиме реального времени системы.
Достижение поставленной цели возможно при решении следующих задач: выбор цели управления, создание качественной модели ДВС, разработка алгоритма взаимодействия ДВС и трансмиссии для того, что бы получить максимальный эффект необходимо правильно определить цель управления. Поскольку изменением положения педали акселератора водитель всегда добивается определенной динамики движения автомобиля, в качестве, цели управления выбрана «минимизация расхода топлива для заданного ускорения автомобиля».
Характеристики и тенденции развития бортовых источников энергии различной физической природы
Накопители электрической энергии (НЭ) находят все более широкое применение в транспортных средствах. Под НЭ понимается устройство, позволяющее накапливать в нем энергию какого-либо вида в течение периода заряда (/3), а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода разряда (Г). Взаимосвязь накопителя при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии, выражающим очевидное соотношение: P,t,r\ = Pptp (2.30) где Ръ1лРр - среднее значение мощностей зарядного и разрядного процессов; Г) - коэффициент полезного действия накопления (КПД); t3ntp- время заряда и разряда.
Значения t3ntp, а также энергетические показатели при заряде и разряде, могут сильно отличаться. Отсюда, существует несколько направлений использования накопителей энергии.
Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумулированию избыточной энергии при отключении значительной части потребителей, и, последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергообеспечения. При этом t3 и / имеют примерно одинаковый порядок, а показатели энергии при заряде и разряде достаточно близки.
Во-вторых, основным назначением накопителей может быть преобразование энергии различного вида в электрическую энергию.
В-третьих, накопители в соответствующих режимах обеспечивают преобразование необходимых показателей определенного вида. Например: если в НЭ любого вида t3 «tp то из уравнения (10) следует, что Р «Р3, т.е. мощность, отдаваемая накопителем нагрузке, во много раз превышает мощность, потребляемую при заряде. Таким образом, НЭ является промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии. По своему предназначению и способу преобразования энергии НЭ классифицируются на электрохимические, индуктивные, ёмкостные, с динамической активной зоной, механические, электромеханические, электродинамические [3,76-79].
2.3.1. Современные характеристики тяговых аккумуляторных батарей Традиционно в качестве одного из источников энергии на электромобилях используются аккумуляторные батареи. В настоящее время наибольшее распространение подучили лишь три типа батарей: свинцовые, никель-кадмиевые и натрий-серные. Сравнительные параметры аккумуляторов разного типа, представлены в табл. 2.1.
Свинцово-кислотные аккумуляторы применяются до сих пор, несмотря на то, что имеют большую массу и малую мощность. В кислотных батареях привлекает их надежность, низкая стоимость. Свинцовые батареи используются на таком известном электромобиле как Impact (GM). Масса батарей составляет 400 кг (40% от снаряженной массы), емкость 13,6 кВтч. При полной массе 1160 кг электромобиль на таких батареях имеет максимальный запас хода 200 км. Аналогичные батареи широко применяются и на мелкосерийных электромобилях: Optima Sun, Pingvin, Mini-el, Pingvin Tavria.
На втором по применяемости месте стоят щелочные никель-кадмиевые батареи. Они обладают большей плотностью энергии, мощностью и способностью создания больших токов, что является особенно привлекательным для электромобилей. При использовании никель-кадмиевых батарей мощность двигателя не отражается на запасе хода, имеются определенные преимущества в возможности быстрой зарядки батарей (15 мин). Однако эти батареи имеют существенные недостатки: высокий саморазряд и высокая стоимость. Кадмий, несмотря на все усилия по его утилизации, является экологически очень вредным веществом. Никель-кадмиевые батареи установлены на многие специальные и конвертированные электромобили, их использование на японском электромобиле IZA позволяет достигнуть величины запаса хода 548 км. Масса батарей 531 кг, что составляет 34% снаряженной массы электромобиля (1573 кт).
Анализ возможных компоновочных схем. Описание и технические данные конструкции приводов к колесам
На выбор компоновочной схемы и типа главной передачи в основном оказывает влияние применение в трансмиссии электродвигателя (рис. 3.3). Из-за малого диапазона изменения передаточных чисел, на главную передачу остается довольно большое передаточное число - 9,02, что также подразумевает применение двойной главной передачи. Поперечное расположение ТЭД При таком расположении электродвигателя получаем достаточно компактную систему как в продольном, так и в поперечном направлении, в данном случае следует сделать главную передачу цилиндрической. Продольное расположение двигателя
При такой схеме расположения ТЭД получаем длинный и узкий агрегат, хорошо вписывающийся между элементами арматуры кузова часть автомобиля по ширине, но неудачно по длине. При такой схеме рационально оставить главную пару конической, а первую ступень передачи сделать цилиндрической.
Конструкция привода к передним колесам
Главная передача предназначена для выполнения двух функций: согласования частот вращения двигателя и колес (и, соответственно, повышения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам) и изменения направления вектора крутящего момента в соответствии с компоновочной схемой.
К главным передачам предъявляются следующие основные требования: оптимальное значение передаточного числа, высокий КПД, низкий уровень шума, небольшие габаритные размеры.
Классифицируются главные передачи в первую очередь по количеству ступеней: одинарные и двойные. Как отмечалось выше, из-за характеристик вариатора необходимо передаточное число, которое можно обеспечить только двойной передачей. Хотя она тяжелее и дороже одинарной, другого варианта не существует.
Для удешевления конструкции целесообразно оставить существующий в производстве межколесный дифференциал (шестеренчатый, симметричный) с корпусом, а также фланцы полуосей. Ведомая шестерня передачи будет крепиться к фланцу на корпусе дифференциала аналогично существующей конструкции.
Применение дифференциалов повышенного трения и других конструкции нецелесообразно, гак как автомобиль изначально создается как городской.
К приводу колес предъявляются следующие требования: передача крутящего момента равномерно, высокий КПД, долговечность, минимальные вибрации и шум. В приводе управляемых колес применяются шарниры равных угловых скоростей.
Оставив фланцы теми же, не меняем кинематику перемещений ШРУСов. Поэюму піп шарниров оставляєм. Наружный - Рцсппа без делительного рычажка (установка шариков в биссекторпую плоскость происходит благодаря эксцентричности сфер) данный ШРУС достаточно просі ой конструкции и надежности, обладает высокой несущей способностью при небольших габаритах. Внутренний - универсальный шарнир с косыми канавками, допускающий относительное осевое смещение ведущих и ведомых деталей, необходимое для изменения длины вала привода, обусловленное кинематикой подвески.
Выводы по главе 3 1. Установлено, что раздельный привод передних колес от ДВС, а задних от [".)]{ позволяет достичь близкого к оптимальному распределения нормальных реакций но осям автомобиля. Так вес, приходящийся на передние колеса полностью загруженного автомобиля, равен 805 кг, что составляет 46%.
2. Целесообразно, чтобы разгон автомобиля от 0 до 6 км/ч осуществляется с помощью тягового электродвигателя, со скорости 6 км/ч автомобиль ускорялся с помощью электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания одновременно. Разгон автомобиля в промежутке 6 - 16 км/ч осуществляется изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя от 1000 до 3000 об/мин, при этом передаточное отношение вариатора остается постоянным (максимальным).
Расчет тягового и динамического баланса
В этом разделе был произведен расчет и построены мощностные характеристики при движении во всех рассматриваемых режимах, а так же расчет суммарной мощности сопротивления.
Экономическая характеристика, построенная в данном разделе, наглядно отображает расход топлива в зависимости от скорости движения. Таким образом, при движении со скоростью 20 км/ч расход топлива составляет приблизительно 2,75 л/100 км, а при скорости 65 км/ч - 7 л/100 км.
Для проведения расчетов топливной экономичности выбран следующий алгоритм работы автомобиля: - при разгоне движения до 16 км/ч работает электродвигатель, приводя в движение заднюю ось автомобиля, при этом, начиная со скорости 6 км/ч включается ДВС и разгоняется с оборотов холостого хода до 3000 об/мин; - при разгоне свыше 16 км/ч работает только ДВС, а в случае нехватки его мощности, дополнительно включается электромотор; - при равномерном движении ДВС работает только до момента, пока не будет накоплено достаточно энергии для работы электродвигателя в течение цикла, после чего ДВС выключается и дальнейшее движение продолжается на электродвигателе; - при торможении двигатели выключены, а трансмиссия работает в режиме рекуперации энергии в накопитель; - во время остановок двигатель также выключен.
За основу расчетов топливной экономичности примем ездовой испытательный цикл ЕЭК ООН (правило R83 включающий фазу прогрева двигателя, представленный на рис. 18). Однако в чистом виде он не совсем пригоден для наших расчетов. При разгоне автомобиля на графике цикла присутствуют «полки», подразумевающие переключение передач, но на проектируемом автомобиле надобность в переключении передач отсутствует в связи с применением бесступенчатой трансмиссии. Таким образом, исходный цикл не соответствует модели реального движения данного автомобиля в городском потоке.
Для адаптации цикла зададимся двумя параметрами, изменение которых недопустимо: путь, проходимый автомобилем за цикл (фактически это площадь под графиком цикла) и среднее ускорение при разгоне (фактически это угол наклона линии разгона на графике). Исходя из этих ограничений, модернизируем городской цикл ЕЭК ООН.
Смоделированный цикл закладывается в программу, в которой проводится дальнейший расчет [103,104, 106]. Мощностной баланс
При расчете используем уточненные данные по автомобилю АЗЛК-2335 с учетом применения гибридной силовой установки. При этом учитывается, что двигатель все время работает на режиме минимального удельного расхода топлива (мощность 11,6 кВт, частота вращения 3000 об/мин), кроме режима его разгона, особенности которого рассмотрены ниже.
Во время разгона автомобиль преодолевает не только силы сопротивления воздуха и качения, но и силу инерции. Ее рассчитываем, исходя из ускорений городского цикла, при этом для каждого этапа разгона ускорение разное. Ее рассчитываем, исходя из ускорений городского цикла, при этом для каждого этапа разгона ускорение разное. Jx = 1,042 J2 = 0,886 J3 = 0,636
В итоге на графике мощностного баланса (рис. 5.1-5.4) получаем 5 итоговых кривых: - мощность двигателя внутреннего сгорания, - суммарная мощность сопротивления при равномерном движении, - суммарная мощность сопротивления при первом разгоне, - суммарная мощность сопротивления при втором разгоне, - суммарная мощность сопротивления при третьем разгоне. Баланс работ
Расчет баланса работ необходим для определения потребного времени работы ДВС используемого в дальнейших расчетах топливно-экономических характеристик автомобиля.
В начале определяем КПД трансмиссии при различных режимах ее работы: - при работе ДВС КПД складывается из КПД вариатора и главной передачи т]дес = 0,983-0,85 - при работе электромотора из его КПД, КПД главной передачи и аккумуляторной батареи при разрядке 11„ = 0,972-0,85 - при рекуперации из КПД аккумуляторной батареи, генератора, преобразователя, механической трансмиссии Л_ = 0,69. 108 Далее находим работу, затраченную электромотором на следующих режимах: - разгон автомобиля до 16 км/ч лэт - p.i) 1трэ - совместная работа с ДВС при разгоне, когда не хватает его мощности (из мощностного баланса). Лэт - [Ъ.1) 1трэ - равномерное движение при скорости 15 км/ч. Затем считаем работу, полученную рекуперацией при 4 торможениях цикла. Для этого определяем замедления, мощности инерции и сопротивления движению при торможении.
