_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Гибридные электроавтомобили Последовательная конфигурация В последовательном гибридном приводе ДВС, работая на постоянном режиме, вращает генератор эквивалентной мощности. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, подаётся на электромотор, вращающий колёса, а также на аккумуляторную батарею, производя её зарядку. В определённые моменты для питания электромотора используется только аккумуляторная батарея − в этом случае гибрид работает как электромобиль. При рекуперативном торможении электромотор переходит в режим генератора, создавая тормозной момент и вырабатывая электроэнергию, подаваемую к аккумуляторной батарее для её зарядки (рис. 44) [118]. Основным преимуществом последовательного гибридного привода является возможность фиксировать рабочую точку двигателя на режиме наилучшей экономичности/экологичности. Более того, характеристики ДВС на этом режиме можно дополнительно улучшить за счёт оптимизации рабочего процесса, т.к. отпадает необходимость в компромиссных настройках для обеспечения приемлемых характеристик на остальных режимах работы ДВС. Последовательная схема позволяет использовать более эффективные, но способные работать только на одном стационарном режиме типы ДВС, например, газовые турбины. Вторым преимуществом последовательного гибридного привода 215 является возможность существенного упрощения механической трансмиссии. Тяговый электромотор-генератор (ТЭМ-Г) обладает «идеальной» тяговой характеристикой, поэтому отпадает необходимость в использовании многоступенчатой коробки передач. В случае же использования двух (или нескольких) ТЭМ-Г, встроенных в колёса, необходимость в механической трансмиссии отпадает полностью. Более того, такая схема со всеми ведущими мотор-колёсами обеспечивает возможность гибкого автономного управления силой тяги на каждом колесе, что повышает управляемость и проходимость автомобиля. Рис. 44. Конфигурация последовательного электрогибридного привода Наконец, третьим преимуществом последовательной схемы является полностью электронное управление всеми режимами движения, что реализуется существенно проще, чем механическое или электро- механическое управление. Однако этой компоновке присущи и недостатки: большие потери при преобразовании энергии из одного вида в другой; наличие отдельного генератора; необходимость использования мощного ТЭМ-Г. 216 На практике такая схема применяется либо если мощности ДВС и генератора относительно малы по сравнению с мощностью электромотора (например, в городских автобусах), либо если ДВС и генератор используются лишь периодически, в качестве «увеличителя запаса хода» электромобиля. Параллельная конфигурация В параллельном гибридном приводе, как и в обычном автомобиле, механическая энергия от ДВС передается через трансмиссию на ведущую ось. Однако эта энергия может быть дополнена механической энергией, вырабатываемой тяговым электромотором-генератором. Управление потоками мощности происходит в механическом объединителе. Через него происходит передача суммарной мощности от ДВС и ТЭМ-Г к колёсам, через него ДВС вращает ТЭМ-Г, вырабатывающий электроэнергию для зарядки батареи, через него энергия от колёс подаётся на ТЭМ-Г при рекуперативном торможении ( рис. 45) [118]. Рис. 45. Конфигурация параллельного электрогибридного привода 217 К преимуществам параллельного привода можно отнести: меньшие потери энергии из-за наличия механической связи агрегатов с ведущими колёсами; меньшие габариты и масса агрегатов, т.к. их мощности суммируются, а также отсутствие отдельного генератора. К недостаткам параллельного привода относятся: невозможность фиксации режима работы ДВС; сложность конструкции механического объединителя; сложность управления режимами работы привода. Параллельный гибридный привод может быть исполнен в нескольких конфигурациях: двухосной, одноосной (или соосной) и разделённой. Кроме того, существует множество конструкций механических объединителей: зубчатых, клиноременных, планетарных. Большое распространение получили соосные параллельные конфигурации гибридного привода с устройством, которое получило название «интегрированный стартер-генератор» − ИСГ. Это устройство устанавливают между двигателем и коробкой передач (вместо маховика или на первичном валу коробки передач). ИСГ заменяет традиционные стартер и генератор, а также выполняет все функции ТЭМ-Г в лёгких и средних гибридах. Конфигурация с разделением потока мощности ДВС Данная конфигурация представляет собой смесь последовательной и параллельной схем. Как правило, большая часть мощности ДВС передаётся к ведущим колёсам через механическую трансмиссию. Небольшая часть, однако, через устройство отбора мощности поступает к генератору, который заряжает аккумуляторную батарею и питает ТЭМ-Г, механическая мощность от которого передаётся через механический объединитель к ведущим колёсам (рис. 46) [118]. Такая конфигурация применяется в лёгких гибридах на базе грузовых автомобилей для улучшения их энергоэффективности. 218 Рис. 46. Конфигурация электрогибридного привода с разделением потока мощности ДВС Гибридные гидравлические автомобили Гидравлическая подсистема гибридного привода состоит из двух ключевых элементов: гидроаккумулятора и гидравлического мотора/насоса, а также из ряда вспомогательных узлов и деталей: ёмкости низкого давления для хранения гидравлической жидкости, трубопроводов, гидрораспределителей и т.п. Гидромотор/насос используется для взаимного преобразования энергии из механической формы в гидравлическую и наоборот. Как правило, применяются аксиально-плунжерные гидромашины способные обеспечивать высокие скорости вращения вала. Выпускают аксиально- плунжерные гидромашины с наклонным диском (шайбой) и с наклонным блоком цилиндров (рис. 47) [121]. Гидромашины с наклонным блоком цилиндров обеспечивают лучшую эффективность, поэтому более привлекательны для использования в гидрогибридных автомобилях. При этом в гидромашинах с регулируемым наклонным блоком можно изменять рабочий объём в диапазоне 0…100% рабочего объёма машины и тем самым регулировать производительность насоса (объём подачи масла) или производительность мотора − скорость вращения и момент на валу. 219 Рис. 47. Принципиальные схемы аксиально-поршневых гидромашин: а — с наклонным диском, б — с наклонным блоком цилиндров; 1) − ведущий вал, 2) − диск, 3) − шток, 4) − блок цилиндров, 5) − поршень, 6) − гидрораспределитель, 7) − пазы, 8) − шарнир, 9) − шатун К преимуществам гидромашин относятся: меньшие размеры (в среднем в 3 раза) и масса 1 (в среднем в 15 раз), чем у электромашин соответствующей мощности; время запуска и разгона гидромашин составляет доли секунды, что для электромашин большой мощности (несколько киловатт) недостижимо; для гидромашин не представляют опасности частые включения- выключения, остановки и реверс; закон движения вала гидромашин может легко изменяться путём использования средств регулирования гидропривода; обеспечивается самосмазываемость трущихся поверхностей при применении минеральных и синтетических масел в качестве рабочих жидкостей. К недостаткам гидромашин относятся: утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления в гидросистеме; большие пульсации подачи (для насосов) и расхода (для гидромотора) 1 Масса гидромашины производительностью 110 см 3 /об для последовательного гибрида Ford Expedition SUV составляет порядка 37 кг. 220 и, как следствие, большие пульсации давления в гидросистеме; зависимость вязкости рабочей жидкости, а значит и рабочих параметров гидропривода, от температуры окружающей среды; сложность конструкции и высокая стоимость данного типа гидромашин. Гидроаккумулятор – это сосуд, работающий под давлением, который позволяет накапливать энергию сжатого газа (как правило, азота) или пружины и передавать её в гидросистему потоком жидкости, находящейся под давлением. Наиболее широкое применение на практике получили пневмогидравлические аккумуляторы. Поэтому гидравлические гибриды иногда ошибочно относят к пневматическим (например, гибрид PSA Hybrid Air по сути является гидрогибридом). Гидроаккумуляторы могут быть двух типов: с газовым пузырём и с поршнем (рис. 48) [122]. Рис. 48. Схемы гидроаккумуляторов, использующихся в гидрогибридных автомобилях. Слева – конструкция с газовым пузырём, справа – конструкция с поршнем Конструкции с газовым пузырём более эффективны (КПД ≈ 70%), но требуют периодического пополнения газового заряда, т.к. происходит его 221 просачивание через оболочку пузыря. При периодическом изменении давления внутри газового пузыря изменяется и температура газа. Для повышения эффективности гидроаккумуляторов, внутренний (газовый) объём пузыря заполняют полиуретановой теплоаккумулирующей насадкой («пеной»). Гидропривод гибридного автомобиля работает под давлением 34 ,5 МПа. Максимально допустимое давление – 48,3 МПа. Гидроаккумуляторы рассчитаны на предельное разрушающее давление 105 МПа. Масса 60-литрового гидроаккумулятора с пузырём составляет порядка 38 кг (плюс 7,5 кг азота, плюс 5,2 кг полиуретановой насадки). Кроме гидроаккумулятора в состав гибридного гидропривода входит сосуд низкого давления для хранения гидравлической жидкости (рис. 49). Рабочее давление для данного сосуда составляет 1,4 МПа, а предельное разрушающее давление − 7 МПа. Масса 60-литрового сосуда с пузырём составляет порядка 13 кг (плюс 0,3 кг азота, плюс 5,2 кг полиуретановой насадки). Трубопроводы высокого давления имеют удельную массу порядка 2,2 кг/м, а трубопроводы низкого давления – 1,2 кг/м. Рис. 49. Схема привода полного последовательного гидрогибрида Ford Expedition SUV 222 Поскольку гидрогибридный автомобиль может часть времени двигаться с выключенным ДВС, необходимо предусмотреть меры по сохранению электропитания бортовых потребителей. Для этой цели используют аккумуляторную батарею повышенной ёмкости (на 20…25% для лёгких и средних гибридов) или генератор с гидравлическим приводом (для полных гибридов). Существующие модели демонстрируют улучшение топливной экономичности в городских условиях на 20…30% для параллельных средних гибридов и 60…70% для полных последовательных гибридов. Усложнение конструкции окупается за 2…3 года эксплуатации [123]. Гибридные пневматические автомобили В принципе, заменив гидромашину на пневмомашину (поршневого или роторного типа) и гидроаккумулятор на баллон со сжатым воздухом, из гидравличексого гибрида можно получить пневматический гибрид. Однако сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность, а пневмомашины – увеличенные массу и габариты по сравнению с гидромашинами. Поэтому широкого применения такая схема не находит. Более перспективным решением является конструктивное объединение ДВС с певмомашиной или, наоборот, тяговой пневмомашины (пневмодвигателя) с устройством утилизации химической энергии углеводородного топлива. Двигатель Scuderi Преимуществом первого варианта является отсутствие необходимости установки вспомогательной пневмомашины. Вместо этого используется модифицированный вариант обычного четырехтактного ДВС, получивший название «двигателя с разделённым циклом». Если в обычном четырёхтактном ДВС все четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, осуществляются в каждом из цилиндров, то в «двигателе с разделённым циклом» такты распределяются между парой взаимосвязанных цилиндров (рис. 50) [124]. В одном из них – компрессионном (1) − происходит впуск и сжатие воздуха, а во втором – силовом (6) − рабочий ход и выпуск. Сжатый воздух может поступать из компрессионного цилиндра или в силовой 223 цилиндр через перепускной канал (2) и систему клапанов, или в воздушный резервуар (5) через трубопровод (4) с клапаном (3). Рис. 50. Схема работы пневмогибридной силовой установки на основе «двигателя с разделённым циклом» Scuderi Силовой цилиндр и выполнен с возможностью избирательного управления, чтобы переводить его или в рабочий режим или в холостой режим. Цилиндр сжатия также выполнен с возможностью избирательного управления, чтобы переводить его или в режим сжатия, или в холостой режим. Воздушный резервуар, введенный между цилиндром сжатия и силовым цилиндром, избирательно действует или для приёма сжатого воздуха из цилиндра сжатия, или для подачи сжатого воздуха в силовой цилиндр, для использования в передаче мощности на коленчатый вал двигателя. Двигатель выполнен с возможностью работы в четырёх режимах: в режиме двигателя внутреннего сгорания (ДВС); в режиме воздушного компрессора (ВК); 224 в гибридном режиме одновременного заполнения воздушного резервуара и передачи мощности от сгораемого топлива на коленчатый вал (ДВС+ВК) или в режиме использования предварительно накопленной энергии сжатого воздуха, т.е. в режиме пневматического мотора (ПМ). В ДВС-режиме оба цилиндра находятся соответственно в режиме сжатия и в рабочем режиме. Поршень сжатия всасывает и сжимает входной воздух для использования в силовом цилиндре. Сжатый воздух поступает в начале рабочего такта в силовой цилиндр вместе с топливом, которое воспламеняется, сгорает и расширяется в этом же рабочем такте силового поршня, передавая мощность на коленчатый вал. Продукты сгорания выталкиваются из силового цилиндра на такте выпуска. Рабочий процесс отличается от реализуемого в цикле Отто, т.к. предварительно сжатый (и нагретый) в компрессионном цилиндре воздух с большой скоростью поступает в силовой цилиндр, одновременно смешиваясь с впрыскиваемым топливом. И только после закрытия перепускного клапана рабочая смесь воспламеняется. Рассмотрение особенностей данного рабочего процесса не входит в задачи данного учебного пособия. В ВК-режиме цилиндр сжатия находится в режиме сжатия, т.е. всасывает и сжимает воздух, который подаётся в накопительный резервуар, повышая в нём давление. Силовой цилиндр при этом находится в холостом режиме, т.е. оба клапана закрыты, топливо не подаётся, и свеча зажигания не работает. Данный режим реализуется при торможении двигателем, позволяя обеспечивать рекуперацию кинетической энергии торможения. В ДВС+ВК-режиме сжатый в компрессионном цилиндре воздух одновременно поступает и в силовой цилиндр, и в воздушный резервуар. Этот режим используется для дополнительной «загрузки» силового цилиндра, т.е. вывода двигателя из неэффективной области низких нагрузок в более эффективную зону средних нагрузок. В ПМ-режиме силовой цилиндр находится в рабочем режиме и получает из резервуара сжатый воздух, который расширяется в рабочем такте силового цилиндра, передавая мощность на коленчатый вал. Расширенный воздух выпускают в такте выпуска, при этом цилиндр 225 сжатия находится в холостом режиме, т.е. оба клапана закрыты. Данный режим используется для движения автомобиля в режиме «без выбросов». Описанная конструкция запатентована американской фирмой Scuderi , которая в 2009 году представила работающий образец. В настоящее время проводятся исследования по доводке конструкции. Основываясь на результатах компьютерного моделирования, в Scuderi утверждают, что реальный двигатель обеспечит прирост топливной экономичности в 15…30% по сравнению с обычными бензиновыми моторами, а кроме того, за счёт снижения пиковых температур удастся на 50 …80% сократить выбросы оксидов азота. Двигатель MDI Тепловые эффекты при сжатии и расширении воздуха являются одним из препятствий на пути создания высокоэффективного пневмомотора. Как известно, температура газов при сжатии увеличивается, а при расширении уменьшается. Газ как бы «сопротивляется» изменению своего состояния. Чем быстрее происходят изменения состояния воздуха в какой-либо системе, тем сильнее сопротивление, т.к. уменьшается время взаимодействия с окружающей средой и система становится более изолированной. В случае использования сжатого воздуха для привода мотора, давление питающего воздуха быстро падает, что приводит к его резкому охлаждению, что, в свою очередь, снижает эффективность мотора или в худшем случае приводит к замерзанию содержащейся в воздухе влаги и закупориванию питающей магистрали. В конце 1990-х годов французской фирме MDI удалось минимизировать эти эффекты в запатентованном Ги Негром (Guy Négre) пневмодвигателе. В изначальной версии мотора поршень «цилиндра сжатия» сжимал воздух, поступающий из атмосферы (до 2 МПа), выталкивая его в небольшую смесительную камеру. В эту же камеру впрыскивалась небольшая порция сжатого (до 24,8 МПа) воздуха из баллона. Сжатый нагретый атмосферный воздух смешивался с сильно охлаждённым вследствие резкого падения давления воздухом, впрыскиваемым из баллона высокого давления. Тепло воздуха, засасываемого из атмосферы, передавалось воздуху, поступающему из 226 баллона, и только после этого этот «заряд» подавался в «силовой цилиндр», где совершал полезную работу. Это т.н. «неадиабатическое» расширение позволяло повысить эффективность пневмомотора. В новой версии пневмомотора, разработанной фирмой MDI в 2004 г. с использованием патентов Armando Regusci, также используется двухстадийное расширение воздуха, позволяющее ещё больше повысить эффективность. В данной конструкции «силовой цилиндр» «раздвоился» на два – меньшего и большего диаметра, которые называются соответственно «активным цилиндром» и «расширительным цилиндром». Эти цилиндры находятся относительно друг друга в противофазах. Воздух из смесительной камеры подаётся в активный цилиндр под постоянным давлением 2 МПа. Когда поршень активного цилиндра достигает нижней мёртвой точки, открывается перепускной клапан, направляющий воздух в расширительный цилиндр. Только с этого момента воздух начинает расширяться. В результате этого расширения температура воздуха в конце такта снижается до −40…−70°С, однако это уже не приводит к неблагоприятным последствиям, т.к. замёрзшая влага удаляется с «выхлопом». Полезная работа совершается как в активном, так и в расширительном цилиндрах. Эффективность мотора (с учётом трансмиссии) в демонстрационном исполнении достигает 39%, однако инженеры MDI обещают поднять эту величину до 55% в серийной продукции. Однако если учитывать затраты энергии, требующиеся для сжатия воздуха при заправке баллонов компрессором с эффективностью 58%, окажется, что полная эффективность пневмоавтомобиля всего около 23%. Это почти в три раза меньше эффективности электромобиля с Li-Ion аккумуляторной батареей. Но зато в 3…5 раз дешевле и легче [125]. Для повышения запаса хода автомобиля с пневмодвигателем предусмотрена возможность его работы в гибридном режиме, который заключается в дополнительном подогреве воздуха в смесительной камере за счёт сжигания в ней биотоплива. Сжигание происходит в большом количестве воздуха при температуре до 600°С, поэтому образование ЗВ минимально. |