Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ улучшения топливно-экономических и экологических показателей автотранспортных средств 6
1.1 Проблемы экологии и топливной экономичности автотранспорта ...6
1.2 Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств 8
1.3 Перспективные пути улучшения топливной экономичности и экологических показателей автомобилей 13
1.4 Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы 22
Глава 2. Теоретические исследования комбинированных энергетических установок для автотранспортных средств 24
2.1 Структуризация автотранспортных средств с комбинированными энергетическими установками 24
2.2 Структурная схема и описание имитационной математической модели комбинированной энергоустановки в составе автотранспортного средства 29
2.3 Определение оптимальных режимов работы ДВС 38
2.4 Определение способа управления агрегатами двигатель -генераторной установки 48
2.5 Определение мощности двигатель - генераторной установки в процессе движения транспортного средства 51
2.5.1 Определение факторов, влияющих на величину среднего значения степени зарядки буферного накопителя 60
2.5.2 Определение алгоритма управления двигатель - генераторной установкой 63
ГЛАВА 3. Объекты, оборудование и методы проведения исследований 68
3.1 Основные направления исследований 68
3.2 Методология исследований и доводки комбинированной энергоустановки 69
3.2.1 Выбор программных средств для разработки алгоритмов управления, моделирования и проведения испытаний комбинированных энергетических установок 72
3.3. Оборудование для исследования КЭУ на имитационном стендовом комплексе и методы исследований 74
3.4. Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований комбинированной энергетической установки в составе АТС на стенде с беговыми барабанами 85
Глава 4. Экспериментальные исследования работы двс в составе последовательной схемы кэу с разработанной стратегией управления сточки зрения топливной экономичности и экологичности 100
Глава 5. Методика выбора и модификации двс для автомобиля с комбинированной энергетической установкой 112
5.1 Общие положения 112
5.2 Выбор двигателя внутреннего сгорания для комбинированной энергетической установки последовательной структуры с различными стратегиями управления 112
5.3 Адаптация ДВС для работы в последовательной схеме комбинированной энергетической установки 116
5.4 Модификация ДВС для работы в последовательной схеме комбинированной энергетической установки 118
Основные результаты и выводы 121
Библиографический список использованной литературы
- Проблемы экологии и топливной экономичности автотранспорта
- Структуризация автотранспортных средств с комбинированными энергетическими установками
- Методология исследований и доводки комбинированной энергоустановки
- Выбор двигателя внутреннего сгорания для комбинированной энергетической установки последовательной структуры с различными стратегиями управления
Введение к работе
Истощение природных энергетических ресурсов и глобальное загрязнение окружающей среды вредными промышленными отходами, в большой мере связанное с постоянным ростом мирового автомобильного парка, делает актуальной проблему создания экологически безопасных с минимальным расходом энергии автотранспортных средств. Запасы нефти, по оценкам американских специалистов, могут быть исчерпаны уже к 2020 году. Это подтверждается стабильным ростом цен на нефть и все большее стремление замены ее на газообразные и другие альтернативные источники энергии.
Основная доля мирового автомобильного парка концентрируется в крупных городах и промышленных мегаполисах, что ведет к экологической напряженности и, как следствие, к экологическим катаклизмам, например, в виде фотохимического «смога». Двигатели внутреннего сгорания традиционных транспортных средств практически 90% времени эксплуатируются на неустановившихся режимах работы, кроме этого, движение автотранспорта в городских зонах с ограниченными пропускными возможностями магистралей обуславливает использование только незначительной части потенциальной мощности двигателей. Перечисленные факторы являются определяющими в снижении эффективности работы традиционных энергетических установок автотранспортных средств с точки зрения расходования топлива и выбросов вредных веществ.
Поэтому необходимость в создании автотранспортных средств,
использующих альтернативные энергоустановки, становится все более
актуальной. Наиболее перспективными, несомненно, являются
энергоустановки, использующие в качестве топлива водород, запасы которого в природе неисчерпаемы и при его сгорании не образуются вредные выбросы. Однако только к 2020 - 2025 годам будет реально
5 создана инфраструктура получения, хранения, транспортировки и заправки водородом массового автотранспорта. В связи с этим ведущие производители автотранспортных средств приняли двухстадийную концепцию создания экологически чистого автомобиля. На первой стадии предусматривается создание автотранспортных средств (АТС) с комбинированной энергетической установкой (КЭУ), включающей двигатель внутреннего сгорания, с перспективой перевода его питания на водород или синтез-газ, и на второй стадии АТС с электрохимическим генератором (ЭХГ) на базе топливных элементов «водород - воздух».
Комбинированная энергетическая установка способна обеспечить работу ДВС на режимах его наибольшей эффективности. В настоящее время в ряде стран ведутся работы по созданию транспортных средств, использующих КЭУ, в состав которых входят ДВС и буферный накопитель энергии. Применение буферного накопителя энергии позволяет обеспечить работу ДВС в независимости от режима движения автомобиля и тем самым обеспечить работу ДВС на его самых благоприятных режимах.
При значительной степени изученности такого типа энергоустановок, в настоящее время ещё далеко не раскрыты все потенциальные возможности таких схем. Ключевым звеном в работе по достижению максимальной эффективности комбинированной энергоустановки являются алгоритмы управления узлами и агрегатами КЭУ, в частности алгоритм управления ДВС, организация его работы в составе КЭУ и определение необходимых технических требований к ДВС. Эти вопросы являются на сегодняшний день актуальными и до конца не решенными.
Проблемы экологии и топливной экономичности автотранспорта
Автомобильный транспорт в России и за рубежом является основным загрязнителем окружающей среды. Воздействие автотранспорта на окружающую среду многогранно, оно включает в себя энергетические загрязнения, такие как шум, вибрация, электромагнитные излучения и материальные (газообразные, жидкие и твердые).
Выброшенные в атмосферу газы, содержащие вредные вещества, оказывают пагубное воздействие не только на природу, но и на здоровье людей. Компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, вызывают снижение процесса образования гемоглобина в крови и снабжения организма кислородом, вызывают раздражение органов дыхания, способствуют изменению нервной системы.
В состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [2,9,43] входят сотни вредных компонентов. Все выбрасываемые двигателем вредные вещества можно разделить по воздействию на окружающую среду на три группы: нейтральные неядовитые ядовитые
К нейтральным, которые не нарушают физических свойств атмосферы, можно отнести азот, так как в процессе выполнения рабочего цикла количество азота, отбираемое из атмосферы и возвращаемое в нее, практически не изменяется. Отработавшие газы содержат, кроме того, незначительное количество водорода, а также кислород, по тем или иным причинам не участвовавший в реакции.
К неядовитым компонентам отработавших газов относят компоненты, оказывающие косвенное негативное воздействие на свойства атмосферы. Эти компоненты являются причиной экологических катастроф, таких как образование фотохимического "смога", "парникового эффекта", "озоновых дыр". К ним можно отнести двуокись углерода, кислородосодержащие углеводороды, метан.
К ядовитым веществам относят оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, в том числе ароматического ряда, различного типа кислоты, соединения свинца, серы и дисперсные частицы. Эти вещества оказывают прямое негативное воздействие на организм человека и окружающую среду. Наиболее опасны полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенной активностью.
Увеличение парка автомобилей приводит к росту потребления топлив нефтяного происхождения, что приводит к истощению невосполнимых запасов углеводородного сырья.
Дальнейшее совершенствование традиционных схем автотранспортных средств (далее АТС) на основе двигателей внутреннего сгорания, работающих на углеводородных топливах, уже не может обеспечить перспективные нормативные экологические требования [8,10,13,14,19,46,47], практически исключающие выброс вредных веществ энергетической установкой транспортного средства, а также значительное сокращение расхода топлива. Необходимы новые решения и конструкции, которые позволят обеспечить необходимую чистоту и топливную экономичность.
Среди отраслей экономики России транспортный комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. В масштабах страны доля транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников достигает 45%, в выбросах "климатических" газов -порядка 10%, в массе промышленных отходов - 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами - около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ - не более 5%. Доля транспорта в шумовом воздействии на население составляет 85-95% на различных территориях [22,42,48]. Вклад автотранспорта в суммарное загрязнение города Москвы достиг за последние годы 90%. К концу 2000 года число автомобилей в Москве превысило 3 млн. единиц с устойчивой тенденцией к увеличению этих цифр [45].
Структуризация автотранспортных средств с комбинированными энергетическими установками
В соответствии с разрабатываемыми Поправками к Правилам № 83 ЕЭК ООН, термин «гибридное транспортное средство» (HV) обозначает АТС, имеющее, по крайней мере, два различных преобразователя энергии и две различные системы хранения энергии на борту для обеспечения его движения. Термин «гибридное электрическое транспортное средство» (HEV) означает АТС, которое может получать энергию для его движения от 2-х следующих источников хранения на борту: какое-либо топливо и электрическое энергонакопительное устройство (батарея, электронакопители емкостного или маховичного типа и др.). Составляющие КЭУ компоненты.
Аккумуляторные батареи (буферные накопители энергии). По сравнению с электромобилями батареи для КЭУ характеризуются пониженной емкостью и увеличенной мощностью [44,50,86,88,95]. Удельная емкость должна быть не менее 50 Вт»ч/кг, удельная мощность не менее 500 Вт/кг. Буферные накопители являются важным компонентом КЭУ. Плотность энергии является первым параметром батареи, который должен быть оценен.
Свинцово-кислые аккумуляторные батареи широко известны. Для необслуживаемых батарей электролит может находиться в виде геля. Новые типы с биполярными ячейками сейчас проходят испытания. Такие батареи тяжелы, но имеют низкую стоимость.
Никель-кадмиевые батареи имеют высокую плотность мощности, большое количество циклов заряда-разряда. Этими батареями укомплектована большая часть европейского парка электромобилей.
Никель металлогидридные батареи - вместо отрицательного кадмиевого электрода используется сплав, способный накапливать водород. Плотности энергии и мощности выше по сравнению с Ni-Cd батареей.
Батареи на основе Na-NiCl являются «горячими» батареями. Рабочая температура таких батарей 270С. Такие батареи хорошо подходят для электромобилей и для АТС с КЭУ, просты в обслуживании. Они известны под названием «ЗЕБРА»
Перспективные батареи - литий-йонные. Малоразмерные аккумуляторы уже успешно используются на рынке портативной электроники. Батареи для КЭУ в настоящее время разрабатываются.
Бензиновые, дизельные, газовые ДВС-генераторные установки (ДГУ). Максимальная мощность ДВС зависит от схемы КЭУ и стратегии управления. Из электрогенераторов целесообразно применять машины с постоянными магнитами, КПД которых на постоянной рабочей точке равен 90-95%.
Топливные элементы. Топливные элементы могут замещать ДГУ. Структурная схема автомобиля с топливными элементами всегда будет последовательной. Ожидаемый КПД топливных элементов (около 60 %) должен быть умножен на КПД процесса получения водорода.
Электромотор. Электромоторы [18,20,27,32,33,49,52] всегда должны сравниваться для конкретных условий эксплуатации. Так, например, каждый из электромоторов может быть более эффективен в определенной зоне его работы, и менее эффективен при работе в других областях. В практике электромашиностроения существует проблема выбора типа электропривода: коллекторного постоянного тока и трех видов бесколлекторных типов электроприводов: асинхронного, синхронного с постоянными магнитами на роторе и вентильно-индукторного.
В регулируемом электроприводе использование активных частей машины должно меняться по оптимальным законам с адаптацией магнитного потока в зависимости от нагрузки. Наихудшими условиями такой адаптации обладают двигатели с постоянными магнитами. Тяговый электропривод должен иметь переменный магнитный поток потому, что форсировку момента на малой скорости наиболее эффективно осуществлять при максимальном магнитном потоке по условиям ограничения тока, а форсировку скорости с малым моментом, наоборот, эффективнее производить при ослабленном потоке по условиям ограничения напряжения. Ограничения по току и напряжению наиболее жесткие в бортовых автономных источниках питания (в КЭУ).
Также как КЭУ в целом, тяговый электропривод в составе КЭУ должен быть минимизирован по установленной мощности двигателя, по массе и габаритам.
Создать перегрузку по моменту при низкой частоте вращения можно двумя способами [52]: увеличением установленной мощности двигателя при заданной стандартной форсировке по моменту в электроприводе (обычно 1,5-2 кратную форсировку тока), или повысить кратность тока до 5-7 по отношению к номинальному току, что возможно только для асинхронного двигателя, у которого паспортный ток при пуске от сети нормируется 5-7 кратным значением.
Методология исследований и доводки комбинированной энергоустановки
Автотранспортные средства с комбинированными энергетическими установками на основе двигателей внутреннего сгорания и буферных накопителей электроэнергии по международной терминологии называются гибридными и требования к ним регламентируются новыми поправками к Правилам 83, 85 и 101 ЕЭК ООН. Так, в соответствии с разрабатываемыми Поправками к Правилам 83.06 ЕЭК ООН, термин «гибридное транспортное средство» (HV) обозначает АТС, имеющее, по крайней мере, два различных преобразователя энергии и две различные системы хранения энергии на борту для обеспечения его движения. Гибридное электрическое транспортное средство (HEV) означает АТС, которое может получать энергию для его движения от двух источников хранения на борту: какое-либо топливо и электрическое энергонакопительное устройство (батарея, электронакопители емкостного или накопители маховичного типа и др.).
Силовая установка гибридного автотранспортного средства представляет собой достаточно сложный комплекс систем и агрегатов, который изменяется в зависимости от требований, поставленных разработчиком при создании гибридного транспортного средства.
В состав комплекса входят элементы, различные по своим принципам работы (электрические, механические, тепловые, термокаталитические, измерительные и управляющие агрегаты и устройства).
К электрическим элементам относятся тяговые батареи, конденсаторные накопители энергии, электродвигатели, электрохимические генераторы, различного типа преобразователи и др. К механическим можно отнести двигатели внутреннего сгорания, коробки передач, маховичные накопители энергии, дифференциалы и др.
В состав комплекса могут также входить различные типы тепловых и теплопередающих элементов, таких как калориферы, теплообменники, теплопроводы и др.
АТС с КЭУ, использующие в качестве источника энергии топливные элементы «водород-кислород» или «водород-воздух», могут иметь в своем составе различные типы термокаталитических реакторов для получения на борту АТС водорода путем реформинга различных природных сырьевых источников энергии, например, метана, метанола, углеводородных топлив и др.
Всё это должно быть объединено в единый комплекс, оптимально работающий при различных условиях эксплуатации АТС. Согласование их совместной работы и разработка системы управления отдельными элементами и всего комплекса в целом является сложной задачей, которая не может быть выполнена в короткие сроки с минимальными затратами путем испытаний на автомобиле в дорожных условиях. Это происходит, как в силу накладываемых самим транспортным средством погрешностей измерений, так и погрешностей постоянно изменяющихся условий внешней среды.
Все вышеуказанное потребовало создания методологии исследований и доводки отдельных элементов КЭУ и АТС в целом, используя современные технологии.
Схема проведения таких работ должна включать следующее [98].
Первый этап. Всесторонний анализ существующих разработок и результатов научных исследований в этом направлении отечественных и зарубежных фирм. Результат работы: определение, в соответствии с поставленными требованиями к гибридному транспортному средству, необходимого набора составляющих элементов (узлов, агрегатов и систем). Определение целей и задач фундаментальных работ и комплексной программы исследований.
Второй этап. На основании предварительно выбранных компонентов (это могут быть уже серийно выпускаемые компоненты), составляются или используются уже известные инженерные имитационные модели каждого из элементов, то есть отдельные математические модели или матрицы: ДВС, системы накопления электроэнергии, тягового электропривода и т.д. Цель создания моделей: дальнейшее их объединение в общую модель (компьютерный имитатор гибридного автомобиля), ориентированную на выбор и отладку алгоритмов управления системой. Таким образом, еще до окончательной стадии проектирования, в отсутствие макетного образца автомобиля можно получить результаты эксперимента, что позволяет значительно сократить время и финансовые расходы в период работы над проектом. Следует отметить, что моделирование проводится с использованием компьютерных средств визуального моделирования. Визуализация облегчает разработчику понимание сложной системы функционирования, что также сокращает по времени процесс проектирования. В конце этапа разработчик имеет готовый алгоритм управления КЭУ. В электронном виде алгоритм представляет собой программу, которая затем загружается в устройство связи с объектом, способное сразу после разработки алгоритма управлять всеми агрегатами КЭУ на стенде или автомобиле. Схема построения алгоритма работы КЭУ приведена на рис.3.2.1
Третий этап. На этом этапе работы проводятся согласование и доводка работы всех элементов КЭУ и доводка разработанного алгоритма на стенде (имитатор АТС с КЭУ), специально оборудованном для совместного испытания всех агрегатов КЭУ. Такой подход, а именно непосредственная связь имитационной математической модели с реальными объектами управления, позволяет вносить корректировки не только в узком интервале изменения величин, но и при необходимости изменять любой алгоритм управления, практически не затрачивая время на обычные в таком случае операции [77,82].
Выбор двигателя внутреннего сгорания для комбинированной энергетической установки последовательной структуры с различными стратегиями управления
Выбор традиционного ДВС для стратегии управления «стоп-старт».
В данном варианте ДВС работает в одной режимной точке с периодическим его включением и выключением. Мощность, которую должен развивать ДВС, является близкой к средней мощности, необходимой для движения автотранспортного средства. Поэтому, в первую очередь, при выборе двигателя следует учитывать возможность обеспечения двигателем требуемой мощности. Вторым условием является получение минимального расхода топлива и / или выброса вредных веществ на данной мощности. Путем моделирования движения автомобиля по заданным условиям (глава 2) определяется мощность, которую должен развивать двигатель - NT. Затем полученная кривая NT, построенная в координатах Мкр - п, совмещается с многопараметровыми характеристиками двигателей, выбираемыми для автомобиля с КЭУ. На рис. 5.1 показаны возможные варианты характеристик различных двигателей и кривая требуемой мощности.
В качестве примера рассматриваются три двигателя Ді, Дг, Дз обладающие одинаковыми показателями по выбросам вредных веществ. Поэтому при выборе двигателя рассматриваются только их показатели по топливной экономичности.
Двигатель Ді имеет минимум удельного расхода топлива (ge) по многопараметровой характеристике при мощности, равной NT, при этом он должен работать в режимной точке: п = пі, Мкр = Мкрі.
Двигатели Дг и Дз имеют минимум ge на мощности, отличной от NT. Таким образом двигатель Ді является наиболее подходящим для данного автомобиля с КЭУ.
Двигатели Дг и Дз имеют примерно одинаковые величины ge на мощности NT. Однако двигатель Дз имеет большую максимальную мощность и крутящий момент. Поэтому можно ожидать, что двигатель Дз будет иметь большие массогабаритные параметры по сравнению с двигателем Дд. Исходя из этих соображений, двигатель Дд является более приемлемым по сравнению с Дз.
Выбор ДВС для стратегии управления при квазистационарном режиме работы ДВС.
Характерной особенностью работы ДВС при данном алгоритме управления является плавное изменение его мощности в небольшом диапазоне значений. Условием оптимальной работы двигателя в данном случае является режим работы, соответствующий его работе в режимных точках, расположенных в зоне ОРТ (глава 2).
Критерием оценки для выбора того или иного двигателя должна служить величина суммарного расхода топлива и выбросов вредных веществ, при движении автомобиля по заданному ездовому циклу. Для получения этих величин необходимо провести имитационное моделирование движения автомобиля, введя в разработанную математическую модель автомобиля с КЭУ (глава 2) конкретные характеристики ДВС (многопараметровые характеристики по ge и выбросам вредных веществ).
Качественное представление результатов моделирования может быть интерпретировано с помощью графика (рис 5.2), на котором изображены кривые, соответствующие минимальной Nmm и максимальной мощности
Nmax двигателя, необходимых для движения автомобиля с КЭУ по заданному ездовому циклу при принятом алгоритме управления мопщости ДГУ (глава 2). На этом же графике нанесены фрагменты многопараметровых характеристик, построенных в зоне минимальных значений ge, с соответствующими линиями ОРТ для трех различных ДВС. Учитывая, что алгоритм управления ДГУ должен обеспечивать изменение мощности ДВС по линии ОРТ, можно получить график зависимости ge от мощности ДВС.
