Повышение экономичности и экологических характеристик внутригородского автотранспорта за счет применения комбинированных энергетических установок на базе двс
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
Центральный ордена Трудового Красного Знамени
Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт
ФГУП «НАМИ»
На правах рукописи
Минкин Илья Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРИГОРОДСКОГО АВТОТРАНСПОРТА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ДВС
Специальность: 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины».
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2009
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации – Федеральном государственном унитарном предприятии – Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте (ФГУП «НАМИ»).
Научный руководитель: доктор технических наук Эйдинов А.А.
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,
доктор технических наук, профессор Ютт В.Е.
кандидат технических наук, профессор Макаров А.Р.
Ведущее предприятие – ОАО «ЗМЗ».
Защита диссертации состоится «01» октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации – Федеральном государственном унитарном предприятии – Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте – ФГУП «НАМИ» по адресу: 125438, Москва, ул. Автомоторная, 2. Электронная почта: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГУП «НАМИ».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.
Автореферат разослан «31» июля 2009 г.
Телефон для справок: (495) 456 – 40 – 40.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник Зубакин А.Г.
http://www. nami.ru
Общая характеристика работы
Актуальность работы: Многие страны ввели жесткие нормы на выбросы отработавших газов (ОГ), особенно СО2 (парниковый эффект), автотранспортными средствами (АТС), предопределившие принятие ряда программ по улучшению экологии и снижению расходов топлива (программы «ALSTORE» и «EURELECTRIK» - Евросоюз, «Freedom Car» - в США, «Национальная инициатива создания экологически чистых двигателей и автомобилей нового поколения» - в Японии и др.). В этих программах предусмотрены работы по исследованию и внедрению АТС с комбинированными энергетическими установками (КЭУ) на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электропривода в ближайшей и основанных на электрохимическом генераторе (ЭХГ), а также электромобилей (ЭМ) в более далекой перспективе.
В России также разрабатываются программы снижения воздействия АТС на человека и окружающую среду. В соответствии с решением Правительственной Комиссии по вопросам развития промышленности, технологий и транспорта от15.03.2008года №1142-ПЯ. разработан проект Программы «Создание автотранспортных средств нового поколения, работающих на альтернативных видах топлив, в том числе газовом, а также с применением комбинированных энергетических установок на 2010-2014 г.г.». Кроме того, Правительством Москвы одобрена «Концепция разработки и создания перспективных образцов транспортных средств с электроприводом» и разработана одноименная программа, включающая создание и внедрение АТС с КЭУ на базе ДВС и ЭМ. Однако, только принятие программ не достаточно для получения требуемых результатов. Необходимо решение ряда технических проблем, сдерживающих развитие АТС с КЭУ на базе ДВС. Исследования в области развития внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС являются актуальными, так как обеспечивается снижение расхода топлива до 40%, а выбросов ОГ более чем на 50%.
Цель исследований: повышение экономичности и экологических характеристик внутригородских АТС путем применения КЭУ на базе ДВС.
Сформулированная в работе цель достигается решением следующих задач:
1. Исследование основных направлений развития внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, обеспечивающих выполнение перспективных международных требований по экологии и топливной экономичности.
- Создание исследовательских инструментов для расчетно-теоретических работ, позволяющих на стадии проектирования определять основные параметры компонентов КЭУ и оптимизировать режимы работы ДВС в составе КЭУ, для выбранного типа внутригородских АТС с учетом различных режимов их эксплуатации.
3. Создание мобильного научно-исследовательского имитационного лабораторного комплекса для изучения АТС с КЭУ на базе ДВС и проведение экспериментальных исследований, направленных на разработку требований к ДВС, рекомендаций по применению АТС с КЭУ на базе ДВС различных схемных решений в зависимости от технологического цикла работы АТС, а также на оценку адекватности математической модели и методики расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ.
4. Проведение оценки экономичности и экологических характеристик внутригородского АТС с КЭУ на базе ДВС на примере автомобиля ГАЗ – 332132, эксплуатируемому в качестве маршрутного такси.
Объекты исследований: В качестве объектов исследования в данной работе использовались разработанный и изготовленный в ФГУП «НАМИ» автомобиль-лаборатория с КЭУ на базе ДВС на основе автомобиля ГАЗ-27257 и модернизированного двигателя ЗМЗ-4061.10, а также автомобиль TOYOTA «Prius» с КЭУ на базе ДВС.
Научная новизна:
1. На основе математической модели энергетического баланса АТС с КЭУ разработана методика расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС.
2. В качестве инструмента оптимизации характеристик и режимов работы основных компонентов АТС с КЭУ на базе ДВС разработана бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки.
3. Разработаны требования к ДВС, предназначенным для работы в составе КЭУ.
Практическая значимость:
1. Созданы автомобиль-лаборатория с КЭУ на базе ДВС и, на его основе, мобильный научно-исследовательский имитационный комплекс для изучения КЭУ на базе ДВС, позволяющие воссоздавать энергетические потоки при различных схемных решениях, отрабатывать алгоритмы управления и оптимизировать параметры компонентов КЭУ.
2. Проведенные исследования позволили спроектировать и изготовить унифицированную платформу, основанную на применении электрических мотор-колес и КЭУ на базе ДВС, выполненной по последовательной схеме.
3. Подготовлены и переданы на ОАО «ЗМЗ», ОАО НПП «Квант» и ГТУ «МАДИ» рекомендации, требования к ДВС и мероприятия по модернизации ДВС ЗМЗ-4061.10 для
работы в составе КЭУ и учебно-методическое пособие для студентов соответствующего
профиля и производителей автомобилей, ДВС и элементов электропривода.
Реализация результатов работы: Результаты работы, в том числе методика расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, используются при выполнении работ, связанных с созданием АТС с КЭУ в ФГУП «НАМИ», в ОАО «ЗМЗ»,
в ОАО НПП «Квант», а также в учебном процессе ГТУ «МАДИ» и МГТУ «МАМИ».
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на:
- международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2003), посвященном 85-и летию ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2003 г.
- объединенной коллегии по промышленной политике города Москвы «О ходе работ по разработке и созданию ФГУП «НАМИ» транспортных средств с электроприводом», май 2008 г.
- международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2008), 2008г.
- 8-й научно-технической конференции «Новые разработки для электрического транспорта» и на заседании круглого стола «Электромобили в Москве: проблемы и перспективы»; Москва, 12 ноября 2008, Экспоцентр.
Публикации: Основные положения и результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, раздела основных результатов и выводов, списка литературы из 131 наименований и 2 приложений. Содержит 167 страниц текста, 40 рисунков и графиков, 17 таблиц.
Краткое содержание работы.
В первой главе рассмотрены основные направления повышения экономичности и экологических характеристик автомобильных энергетических установок и предпосылки развития АТС с КЭУ на базе ДВС.
На рисунке 1 представлены основные направления повышения эффективности энергетических установок автомобилей. АТС с КЭУ на базе ДВС является одним из наиболее перспективных путей на ближайшую перспективу.
Рис.1. Пути решения проблемы экологии АТС.
Применение на АТС двух источников энергии с функциональной связью создает новые качества: аккумулирование энергии основного источника и восстановление запаса энергии тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) за счет внешнего источника и рекуперативного торможения. Как видно из таблицы 1, наибольший КПД имеют энергоустановки с КЭУ на базе дизелей и газовых ДВС (0,187). В данной работе рассмотрены КЭУ на базе бензиновых ДВС для внутригородских АТС, как имеющие наибольший коэффициент изменения энергии в результате применения КЭУ (1,23).
Таблица 1. КПД различных энергоустановок (по данным проф. А.С. Хачияна – «МАДИ»).
| Бензин | Дизельное топливо | Природный газ в ДВС с искровым зажиганием | Бензин в топливных элементах | Метанол в топливных элементах | Водород в топливных элементах | |
| 0,83 | 0,88 | 0,88 | 0,83 | 0,67 | 0,615 |
| Коэффициент изменения энергии в результате преобразования топлива | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 0,78 | 0,857 | 1,0 |
| Средний КПД энергетической установки | 0,143 | 0,177 | 0,177 | 0,226 | 0,225 | 0,218 |
| Средний КПД АТС (с учетом потерь на пути от ДВС к колесам АТС) | 0.119 | 0,156 | 0,156 | 0,146 | 0.129 | 0.134 |
| Коэффициент изменения энергии в результате применения КЭУ | 1,23 | 1,2 | 1,2 | 1,04 | 1,045 | 1,036 |
| Средний КПД автомобиля (с учетом потерь на пути от ДВС к ВК) при использовании КЭУ | 0.146 | 0,187 | 0,187 | 0,152 | 0.135 | 0.139 |
Анализ тенденций развития автомобильных энергетических установок в мире позволяет сделать прогноз на период с 2009 до 2020 года об уменьшении количества
АТС с бензиновыми ДВС с 48 до 43%, с дизелями с 40 до 30% и увеличения числа автомобилей с КЭУ на базе ДВС с 5 до 14% от общего количества автомобилей.
В нашей стране начальный этап развития транспорта с электроприводом был реализован такими известными учеными, как А.Н.Ларионов, А.П.Петров, В.Е.Розенфельд, А.Д.Степанов, И.С.Ефремов и другими. Проблемам создания и исследования автомобилей с КЭУ и ЭМ посвящены работы И.П.Ксеневича, М.Н.Фесенко, В.Е.Ютта, В.А. Умняшкина, Н.В.Филькина, А.А.Ипатова, Б.И.Петленко, А.И.Яковлева, А.А.Эйдинова, В.Ф.Кутенева, В.Ф.Каменева, В.В.Селифонова, Л.Ю.Лежнева, Ю.А.Купеева, Н.И.Леонова, Д.Б.Изосимова, В.В.Карницкого, Л.И.Вахошина и многих других ученых.
Целый ряд организаций в РФ вели и ведут работы в этом направлении. В НПО ИжМаш создан АТС с КЭУ на базе Иж-2126 «Орбита»: ДВС — ВАЗ-1111, электродвигатель постоянного тока ПТ-125-12, накопители — свинцово кислотные АКБ типа 6-СТ-55. В ООО «Русэлпром» создан на базе ЛиАЗ-5292, автобус с дизелем Cummins ISBe4, асинхронным мотор-генератором ТАГ 225-280, тяговым асинхронный двигателем ТAД 225-380 и буферным накопителем энергии на основе суперконденсаторов. В МГТУ «МАМИ» создан УАЗ-3153 с КЭУ: двигатель – УМЗ-4218.10, электродвигатель – обратимая асинхронная электромашина c короткозамкнутым ротором, ТАБ – аккумуляторные батареи кислотно-свинцовые "Оптима D 1000". ФГУП «НАМИ» и ЗАО «Инкар-М» построили автомобиль «Мишка» с КЭУ: двигатель от "Оки", два мотор-колеса, ДВС оснащен стартер-генератором мощностью 10 кВт. В МГТУ им. Н.Э. Баумана изготовлен УАЗ-2970 с КЭУ: двигатель ЗМЗ-5143, 2 вентильных электромотора мощностью 60 кВт, для привода передней и задней осей, синхронный генератор. В МГАУ им. В.П. Горячкина: Нива – двухцилиндровый двигатель (24 кВт), электродвигатель мощностью 25 кВт и источники питания - три суперконденсатора. ФГУП «НАМИ» создавал ЭМ на базе фургонов РАФ, УАЗ и на их базе модификации с КЭУ на базе ДВС. В этой области также работают, НПП «Квант», АОЗТ «ЭСМА», ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «НефАЗ», ФГУП «НИИАЭ», ОАО «ЗМЗ», ФГУП «НИИ-21», ОАО «КамАЗ», ОАО «УАЗ», ГТУ «МАДИ», и др. Анализ выполненных работ, а также зарубежный опыт подтверждают необходимость дальнейшего развития внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС.
Во второй главе исследованы основные структурные схемы АТС с КЭУ на базе ДВС, разработана математическая модель энергетического баланса АТС с КЭУ для различных схемных решений и технологических циклов движения внутригородских АТС.
Рассмотрены следующие основные схемные решения АТС с КЭУ на базе ДВС:
Последовательная схема – создаются предпосылки для оптимальной компоновки,
снижения удельного расхода топлива и токсичности ОГ за счет оптимизации режимов работы ДВС. Однако, в данной схеме необходимы, как минимум две электрические машины, что обусловливает увеличение массы оборудования, а также снижение КПД за счет двойного преобразования энергии от ДВС в электрическую и далее в механическую.
Параллельная схема – может быть использована одна электрическая машина, рассчитанная на преобразование только той части энергии ДВС, которая ранее была передана на ТАБ. В этом случае снижаются масса оборудования и потери энергии, однако возможность стабилизации скоростных режимов ДВС отсутствует, поскольку частота вращения ДВС напрямую связана со скоростью автомобиля.
Смешанная схема – обладает преимуществами первых двух схем, однако предполагает увеличение массы оборудования и усложнение конструкции.
Важнейшим условием создания эффективной КЭУ является оптимальный выбор структурной схемы и выявление ключевых свойств её компонентов с целью последующего их использования при формировании единого энергетического комплекса АТС. Режимы работы компонентов взаимосвязаны таким образом, что положительные свойства дополняют друг друга, а отрицательные взаимоисключаются.
При движении АТС с максимальной установившейся скоростью vymax возможны два энергетических состояния КЭУ на базе ДВС. Первое отличается равенством мощности, реализованной ДВС и подведенной к ведущим колесам (ВК) при vy max. Второе характеризуется наличием избыточной мощности 
Ре, которая не может быть реализована для целей тяги при движении со скоростью vymax, но может расходоваться на заряд ТАБ.
В энергетическом балансе КЭУ ДВС является главным источником энергии. Предлагается выбор режимов работы ДВС производить на основе бифункциональной многопараметровой характеристики работы энергетической установки, представляющей собой универсальную многопараметровую характеристику ДВС с нанесенными на нее кривыми постоянных мощностей и кривыми работы КЭУ при движении по циклу (Правило № 83 ЕЭК ООН) путем выбора режимов работы ДВС в зоне минимальных удельных расходов топлива и замещения неэффективных (пуско-разгонных и др.) режимов, на работу на электроприводе. При работе КЭУ на базе ДВС возникают следующие основные потоки энергии: от ДВС и ТАБ на ВК в режиме тяги, от ДВС к ТАБ при заряде и от ВК к ТАБ при рекуперативном торможении, таким образом в объекте исследования выделено две подсистемы: энергетический баланс автомобиля и энергетический баланс КЭУ.
- Затраты энергии на движение автомобиля:
2. Потоки энергии в КЭУ различных схемных решений (за время цикла tц:):
Последовательная схема Параллельная схема
Энергии, полученная от ДВС:
Энергия, отдаваемая ДВС в ТАБ:
Энергия, отдаваемая ДВС на ВК:
Энергия, которая должна быть получена от ТАБ и реализована на ВК:
Энергия, поступающая в ТАБ при заряде от ДВС:
Общие уравнения энергетического баланса:
Энергетический баланс АТС с КЭУ на базе ДВС определяют три процесса:
- расход энергии на движение АТС;
- отбор энергии ДВС на режим заряда ТАБ
- режим заряда ТАБ при рекуперативном торможении.
Оптимальный выбор схемы АТС с КЭУ на базе ДВС, основанный на анализе заданных условий эксплуатации и энергетических потоков, возникающих при работе КЭУ различных схемных решений, создает устойчивые предпосылки для получения высоких эксплуатационных показателей такого транспортного средства.
В третьей главе сформулированы задачи определения энергетических параметров и рассмотрена методика определения параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, представлены алгоритм работы КЭУ и бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки в составе внутригородских АТС.
Уравнения энергетического баланса движения автомобиля с КЭУ, уравнения энергетического баланса КЭУ и общие уравнения энергетического баланса АТС с КЭУ на базе ДВС, позволяют определить энергетические параметры компонентов КЭУ. Скорость устанавливается в соответствии с параметрами цикла. Закон изменения ускорения 
устанавливается исходя из задаваемой водителем зависимости мощности от скорости 
. Зависимость 
может быть определена из условий движения автомобиля. Использование параметров технологического цикла позволяет установить зависимость 
и перейти к зависимости 
, а затем к характеристике тяги на колесе 
.
При вычислении величины 
устанавливается частота повторяемости каждого из перегонов различной длины 
, характеризуемых определенным значением коэффициента i. Из рассмотренной методики определения 
следует, что среднее эксплуатационное значение параметра 
(или любого другого энергетического параметра) характеризует его величину в условиях цикла со среднестатистическими показателями (длиной перегона, сопротивлением качению колес, величиной уклона). При определении энергетических параметров КЭУ учитывается фактор времени, так как мощность ДВС и ТАБ являются ограниченными, то значение энергии, которое может быть получено в период ездового цикла, находится в прямой зависимости от времени реализации их мощности. Кроме того, энергия ДВС в определенные периоды ездового цикла разделяется на два потока: на ВК и на заряд ТАБ. При этом фактор времени, определяющий начало и завершение процесса разделения энергии, не является стабильным и зависит как от энергетических свойств ДВС, так и от условий движения АТС. Фактор времени вводится в методику в процессе тяговых расчетов. Для учета условий движения использованы ряды распределения коэффициента общего сопротивления движению – случайной величины 
и длины перегона – случайной величины 
. Исследования проводились на основе алгоритма работы КЭУ на базе ДВС. На рисунке 2 представлена структурная схема алгоритма, который представляет собой поочередное или совместное воспроизведение энергетических потоков, возникающих при движении АТС с КЭУ на базе ДВС.
I – привод только от электромотора и ТАБ;
II – привод только от ДВС;
III – привод от ДВС и электромотора (разгон, подъем);
IV – рекуперация энергии (движение накатом или под гору);
V – остановка (всё выключено)
Рис.2. Структурная блок-схема алгоритма работы АТС с КЭУ на базе ДВС.
Исследования основаны на оценке мгновенных значений мощности, необходимой при движении АТС по циклу (Правило №83 ЕЭК ООН). (Рис.3).
Рис.3. Мгновенные значения мощности, необходимой при движении АТС по циклу.
- скорость движения по циклу (Правило №83 ЕЭК ООН);
- мгновенные значения мощности, реализуемой на ВК;
- движение с минимальными удельными расходами (260-270 г/кВтч);
На основе проведенных исследований автором предложена бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки (рис.4.1. и 4.2.), представляющая собой универсальную многопараметровую характеристику ДВС ЗМЗ-4062.10 с наложенными на нее кривыми постоянных мощностей и графика движения АТС при движении по циклу (Правило №83 ЕЭК ООН).
Рис.4.1. Бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки (городской цикл, номера участков соответствуют номерам на рис. 3.)
Очевидно, что данный двигатель работает в зонах минимальных удельных расходов топлива при движении с постоянными скоростями по высокоскоростному циклу и в завершающей стадии разгонов на 2-ой, 3-ей, и 4-ой передачах, разгон на 5-ой передаче
– не столь эффективен.
Таким образом, работа ДВС в составе КЭУ в более узких режимах и относительно небольшие мощности ДВС, требуемые для выполнения режимов движения по городскому циклу, позволяют использовать ДВС в составе КЭУ на режимах с минимальными удельными расходами топлива.
Для выполнения сформулированного выше условия необходимо выполнить ряд требований к ДВС, работающим в составе КЭУ:
– исключение неблагоприятных режимов работы ДВС и замещение их электроприводом;
– наличие в ДВС конструктивных элементов, позволяющих обеспечить устойчивую работу в зоне минимальных удельных расходов топлива.
Рис.4.2. Бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки (высокоскоростной цикл, номера участков соответствуют номерам на рис. 3.)
Проведенные на основе представленной методики расчеты, показали, что применение КЭУ на базе ДВС на автомобиле ГАЗ-3302 полной массой 3,5т с двигателем ЗМЗ-4061.10 при движении по условному городскому циклу (Правило № 83 ЕЭК ООН) позволяет снизить расход топлива до 33%.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Представлены мобильный имитационный комплекс для изучения КЭУ на базе ДВС, оборудование используемое при испытаниях, материалы испытаний автомобиля-лаборатории с КЭУ на базе ДВС и исследованного ранее автомобиля TOYOTA «Prius», представлена оценка топливной экономичности и динамических свойств различных АТС с КЭУ, а также рассмотрены адекватность математической модели и методики расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС (по топливной экономичности). В заключительной части главы представлены рекомендации по применению КЭУ на базе ДВС для внутригородских АТС различного назначения и материалы по созданию унифицированной платформы для высокоманевренного экологически чистого городского автобуса и внутригородского транспортного средства коммунального назначения.
Для исследования процессов, происходящих при работе АТС с КЭУ на базе ДВС, в
ФГУП «НАМИ» создан мобильный имитационный комплекс (рис.5), позволяющий изучать АТС с КЭУ на базе ДВС с различными схемными решениями и технологическими
циклами движения транспорта.
1. Сменный блок накопителей энергии.
2. Тяговый электродвигатель (ТЭД).
3. 4-х ступенчатый редуктор, передающий момент от ТЭД к главной передаче.
4. Электронный многоканальный цифровой анализатор HP-34970A.
5. Электронное устройство, обеспечивающее изменение закона управления дроссельной заслонкой на базе контроллера «Бархан», разработанного в ФГУП «НАМИ».
6. Прибор контроля пути, времени и скорости «ONO SOKKI».
7. Система контроля уровня зарядки накопителей энергии, оборотов, напряжения, тока и температуры ТЭД. (НИИАЭ).
8. Электронный указатель скорости «ONO SOKKI». Рис.5. Мобильный имитационный комплекс.
Разработанная схема (электропривод передней оси и привод от ДВС задней оси) при создании комплекса была оригинальной, сейчас уже известны проекты, выполненные по аналогичному принципу.
Комплекс позволил имитировать работу АТС с КЭУ на базе ДВС с различными схемными решениями (без проведения масштабных изменений конструкции) и технологическими циклами движения транспорта.
Был разработан комплекс мероприятий и проведена дополнительная работа по модернизации ДВС, включающая:
- наличие электронно-управляемой дроссельной заслонки и контроллера, обеспечивающих автоматическое регулирование топливоподачей в независимости от положения педали акселератора;
- применение автономной системы охлаждения, обеспечивающей работу ДВС в диапазоне
заданных температур независимо от режимов работы, в том числе в режиме «Стоп-старт»
и в режимах работы с высокими нагрузками на малых частотах вращения ДВС, в том
числе при отсутствии воздушного напора;
- применение второй свечи для уменьшения угла опережения зажигания, повышения пределов детонационной стойкости и увеличения степени сжатия;
- выключение одного из двух впускных каналов для повышения скорости движения бензовоздушной смеси и обеспечения работы ДВС на обедненных смесях;
- изменение длины индивидуальных впускных каналов для увеличения крутящего момента в зоне малых и средних частот вращения ДВС.
Рис.6. Характеристика крутящего момента ДВС. Рис.7. Теплоотдача системы охлаждения.
Реализованные мероприятия позволили обеспечить работу ДВС в составе КЭУ при отсутствии механической связи между педалью акселератора и приводом дроссельной заслонки, увеличить крутящий момент на малых и средних оборотах (до 3500-4000мин-1) (Рис.6.), сформировать предпосылки для создания ДВС с увеличенной степенью сжатия и уменьшенным минимальным удельным расходом топлива и обеспечить стабильную работу ДВС (с автономной системой охлаждения) (Рис.7.) во всем диапазоне нагрузок и
частот вращения при перепаде температуры охлаждающей жидкости не более 2-30С.
Исследования автомобиля-лаборатории с КЭУ на базе ДВС проводились в дорожных условиях и на стенде с беговыми барабанами и сменными инерционными массами с используемым оборудованием фирм «АВЛ», «Пирбург и «Цольнер».
Динамометрический стенд с беговыми барабанами обеспечивает исследование автомобилей полной массой от 400 до 3500 кг. Измерение скорости производилось с погрешностью не более ± 1 км/ ч, измерение пути - с погрешностью не более ± 0,5%. Анализ ОГ проводился газоаналитической системой АМО-2000. Допускаемая погрешность показаний регистрирующих приборов составляла ±3% от максимального значения. Системы отбора проб постоянного объема обеспечивала хранение разбавленных ОГ без изменения концентрации вредных веществ в них более чем на ±2% от первоначальных значений в течение 20 минут. Погрешность измерения суммарного расхода разбавленных ОГ не превышала ± 2%. Температура в помещении находилась в пределах 20–25°С, а погрешность ее измерений не превышала ±1,5 °С. Атмосферное давление измерялось с погрешностью не более ± 0,1 кПа, а относительная влажность с погрешностью не более ± 5%.
Особое внимание при дорожных испытаниях обращалось на режим рекуперативного торможения, обеспечивающий плавное нарастание тормозной силы при отсутствии буксования колес, уменьшение износа элементов тормозной системы. Экономический эффект от применения рекуперативного торможения оценивался по данным экспериментальных исследований в 7-12%.
Важнейшим фактором при проведении исследований явилась возможность использования результатов испытаний, проведенных в ФГУП «НАМИ», первого в мире серийного автомобиля с КЭУ на базе ДВС, TOYOTA «Prius», показавшие что динамические качества соответствуют показателям, заявляемым для автомобилей данного класса (15,5 с до 100 км/ч), а максимальная скорость автомобиля составляет 140 км/ч.
Средний расход топлива составил 6.73 л/100 км, что не соответствует расчетным данным (3.5 л/100км), заявляемым фирмой – производителем. Данный факт объясняется тем что, во-первых, автомобиль имеет большую полную массу (1600 кг) и, во-вторых, производитель стремился создать максимально универсальный автомобиль, что повлекло за собой снижение показателей расхода топлива в определенных режимах движения.
В качестве основных тестов при испытаниях автомобиля-лаборатории с КЭУ на
базе ДВС, была принята имитация режимов движения автомобиля по циклу (Правилам №83 ЕЭК ООН) в дорожных условиях с использованием разработанного выше алгоритма.
Таблица 2. Испытания автомобиля-лаборатории в дорожных условиях.
| Режимы движения автомобиля | Время движения, с | Расход топлива, см3 | Расход (возврат) электрической энергии, Вт |
| На ДВС с V - const: 32 км/ч 35 км/ч 50 км/ч | 25,2 16,7 15,7 | 63,3 35,0 36,7 | Возврат |
| Всего за фазу цикла. Всего за весь цикл. | 57,6 | 135,0 540 | 248,0 |
| На электроприводе: Разгоны Торможения | Расход 443,0 Возврат 177,0 |
Движение АТС с КЭУ по циклу сопровождается перерасходом электрической энергии (Таблица 2), то есть в конце цикла уровень зарядки ТАБ был ниже, чем в начале, что предопределило при проведении экспериментальных исследований необходимость восстанавливать запас энергии за счет подзарядки ТАБ от внешней сети. В пересчете на жидкое топливо дополнительный расход за весь цикл составил менее 140 см3, таким образом, использование ДВС только на режимах движения с постоянными скоростями, с принудительным режимом рекуперации на наиболее эффективных режимах работы ДВС позволяет снизить расходы топлива до 40%. При этом основным резервом для возврата энергии в ТАБ является использование перспективных тяговых источников тока (ТИТ).
Из представленных (рис. 8) данных следует, что замещение неблагоприятных (пуско-разгонных и др.) режимов работы ДВС на электропривод позволяет снизить выбросы всех компонентов ОГ более чем: СН – на 80%, NOx – на 76%, СО - на 67%.
Рис.8. Замеры ОГ автомобиля-лаборатории с приводом от ДВС и от КЭУ на базе ДВС при движении по циклу (Правило №83 ЕЭК ООН).Для исследования динамических свойств различных сочетаний приводов в составе автомобиля-лаборатории с КЭУ на базе ДВС на динамометрической дороге автополигона
ФГУП «НАМИ» были проведены соответствующие контрольные испытания (Рис.9).
Рис.9. Динамические качества автомобиля-лаборатории.
Как видно, наилучшие динамические свойства при разгоне до 60 км/ч достигаются
суммированием энергопотоков ДВС и системы электропривода, в то время как при разгоне АТС до максимальных скоростей лучшим становится разгон на ДВС, что
объясняется ограничением максимальных оборотов тягового электродвигателя (максимальная скорость в режиме работы системы электропривода составляет 68 км/ч). Данный факт является подтверждением необходимости комбинирования энергопотоков ДВС и системы электропривода при движении, как с точки зрения топливной экономичности и уровня токсичности, так и с точки зрения динамических свойств АТС.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований автомобиля-лаборатории с КЭУ на базе ДВС, разработанного и изготовленного в ФГУП «НАМИ», и автомобиля TOYOTA «Prius» производства Япония, показывают, что время разгона до 60км/ч автомобиля-лаборатории ФГУП «НАМИ» составляет 9.8 с, TOYOTA «Prius» –7.8с, а расход топлива первого 9,4 л/100км, второго 6,73 л/100 км. Данные факты подтверждают, что расхождение экспериментальных данных и данных, полученных расчетным путем, в оценке топливной экономичности составляет 7 – 10 %.
Проведенный комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований АТС с КЭУ позволили сформулировать рекомендации по применению комбинированных энергетических установок на базе ДВС для внутригородских АТС различного назначения:
– учитывая резко выраженную цикличность движения внутригородского пассажирского и
коммерческого транспорта (АТС полной массой до 3.5 т), обеспечить развитие различных
видов последовательной схемы и достичь максимальных результатов в повышении
экономичности и экологических характеристик: снижение суммарных выбросов ОГ до 40%, достижение требований экологических классов 4 и 5.
– развивать различные виды параллельных схем и обеспечить максимальную универсальность и экономичность таких АТС, в том числе снижение среднеэксплуатационных расходов топлива более чем на 25%, при минимально возможной стоимости и массогабаритных характеристиках КЭУ для АТС, предназначенных для преимущественного использования на внутригородских автомагистралях с выездом в пригородные зоны;
– развивать смешанные схемы, обеспечивающие выполнение стандартных требований к внутригородскому транспорту, а также специальных требований, например, движение с низким уровнем шума и возможность движения с неработающим ДВС в пределах ограниченного времени (в соответствии с требованиями, сформулированными при проектировании) для экологически чистых видов транспорта специального и коммунального назначения.
Проведенные исследования создали предпосылки для проведения работ по созданию унифицированной платформы для высокоманевренного экологически чистого городского автобуса и внутригородского транспортного средства коммунального назначения. В качестве основных технических решений при создании платформы выбраны последовательная схема КЭУ и электрические мотор-колеса., что позволило:
– создать полноприводную и полноуправляемую конструкцию;
– реализовать технологию свободного расположения органов управления;
– обеспечить выполнение специальных требований:
- Возможность движения без выбросов ОГ;
- Возможность управления оператором, расположенным вне АТС;
- Обеспечение энергией внешних и навесных потребителей.
В пятой главе рассмотрены вопросы оценки экономичности и экологических характеристик различных видов внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС.
Проведенный на основании данных испытаний ФГУП «НАМИ» и «АСМ-Холдинг» сравнительный анализ характеристик автомобилей «ГАЗЕЛЬ» с различными энергетическими установками (Рис. 10) показал экономию топлива более 20% автомобиля с КЭУ на базе ДВС по сравнению с другими комбинациями, а при сравнении автомобилей с базовым двигателем ЗМЗ-4062.10 и с КЭУ на базе ДВС до 40 %, при этом динамические и скоростные свойства автомобилей удовлетворяют предъявляемым требованиям к данному классу автомобилей, а разница показателей колеблется в пределах 20 %.
Уровень экономичности и экологических характеристик оценивался на основе «Методики оценки эколого-экономической эффективности применения антитоксичных систем и устройств», разработанной в ФГУП «НАМИ».
Рис. 10. Сравнительные показатели автомобилей «ГАЗЕЛЬ» с различными энергетическими установками.
Основными критериями при оценке экономичности и экологических характеристик являются уровень вредных выбросов и затраты на топливо: 
, где
У – предотвращенный ущерб окружающей среде, руб.;
L – экономический эффект от уменьшения потребления топлива, руб.
Сравнительный анализ выбросов ОГ в атмосферу аналогичных автомобилей с ДВС 4062.10 и с КЭУ на базе модернизированного ДВС 4062.10 (Рис.8) позволил провести оценку предотвращенного ущерба от выброса токсичных веществ.
Предотвращенный ущерб от выброса токсичных веществ: У = 126175,68 руб/авт.год
Экономический эффект от уменьшения потребления топлива: 
, где
- цена нефтяного топлива руб./кг;
G
и G
- годовой расход нефтяного топлива, кг/год;
Индексы 1 и 2 относятся соответственно к силовой установке до и после применения КЭУ.
Экономический эффект от уменьшения потребления топлива при использовании КЭУ:
L = 136 000 руб./год
Общий экономический эффект от использования КЭУ: Э=262 175,68 руб. год/авт.
(Расчет проведен для автомобиля ГАЗ–332132, эксплуатируемому в качестве маршрутного такси с пробегом 100 тыс. км в год, без учета затрат на инфраструктуру и утилизацию ТАБ.
Предварительные расчеты затрат на переоборудование АТС полной массой 3.5 т
(ГАЗель) в АТС с КЭУ на базе ДВС показывают, что общая стоимость работ с учетом комплектующих, монтажных и пуско-наладочных работ составляет 300 тыс. руб.
Таким образом, окупаемость переоборудования стандартного автомобиля ГАЗ - 332132 в АТС с КЭУ на базе ДВС, наступает, при пробеге 100 тыс. км в год:
– без учета предотвращенного ущерба от выброса токсичных веществ через 2,2 года.
– с учетом предотвращенного ущерба от выброса токсичных веществ за срок 1.44 года эксплуатации.
Основные результаты и выводы по работе.
- Сформулированы рекомендации по разработке и применению внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС с различными схемными решениями и технологическими циклами движения, обеспечивающие снижение суммарных выбросов ОГ до 40-50% и расхода жидкого топлива на 25-40%:
– для АТС, используемых исключительно на внутригородских пассажирских перевозках с максимальной скоростью не более 70-75 км/ч, применять последовательную схему;
– для АТС с периодическим выездом в пригородные зоны, то есть с широким диапазоном скоростей движения использовать параллельную схему;
– для АТС специального и коммунального назначения, в том числе с необходимостью выполнения специальных требований, например, движение с неработающим ДВС в пределах ограниченного времени, применять смешанные схемные решения.
- Спроектирована и изготовлена унифицированная платформа для городского автобуса и внутригородского транспортного средства коммунального назначения, основанная на применении КЭУ на базе ДВС, выполненной по последовательной схеме и электрических мотор-колес, обеспечивающих:
– выполнение перспективных требований к выбросам ОГ (экологические классы 4,5);
– возможность, при необходимости, движения без выбросов ОГ;
– повышение безопасности движения за счет индивидуального привода ведущих колес;
– возможность реализации полноупрапвляемой схемы рулевого управления;
– возможность реализации схемы свободного расположения органов управления;
– реализацию других перспективных направлений развития внутригородских транспортных средств.
- Разработана математическая модель энергетического баланса и на ее основе методика расчета параметров внутригородских АТС с КЭУ на базе ДВС, а также предложена в качестве исследовательского инструмента бифункциональная многопараметровая характеристика работы энергетической установки, позволяющие на стадии проектирования определять характеристики основных компонентов, оценивать топливную экономичность и оптимизировать алгоритм работы АТС с КЭУ на базе ДВС с учетом режимов работы ДВС в зоне минимальных удельных расходов топлива;
4. Разработаны основные требования и комплекс практических мероприятий по модернизации серийно выпускаемых ДВС для работы в составе КЭУ, включающие:
– наличие электронно-управляемой дроссельной заслонки и контроллера, осуществляющих автоматическое регулирование двигателем в зоне минимальных удельных расходов топлива;
– применение автономной системы охлаждения, обеспечивающей работу ДВС независимо от уровня нагрузки при перепаде температуры охлаждающей жидкости не более 2-3оС;
– изменение длины индивидуальных впускных каналов, что позволило увеличить крутящий момент на малых и средних оборотах (до 3500-4000мин-1 на 5-8%);
5. Проведена оценка экономичности и экологических характеристик АТС с КЭУ на базе ДВС на примере автомобиля ГАЗ-332132 с КЭУ на базе ДВС (ЗМЗ-4061.10) подтвердившая точность проведенных расчетов (разница в оценке топливной экономичности составила 7-10%) и высокие показатели экономичности и экологических характеристик:
– снижение расхода топлива до 40% и уменьшение выбросов: СН - на 80%, NOx - на 76%, СО - на 67% при движении по городскому циклу (Правило №83 ЕЭК ООН)
– переоборудование стандартного автомобиля в АТС с КЭУ на базе ДВС окупается ( в ценах 2008 года без учета затрат на инфраструктуру и утилизацию):
- без учета предотвращенного ущерба от выброса токсичных веществ через 2,2 года.
- с учетом предотвращенного ущерба от выброса токсичных веществ за срок 1.44года эксплуатации.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Ипатов, А.А. АТС с комбинированными силовыми установками [Текст]/ Ипатов А.А., Карницкий В.В., Минкин И.М. / Автомобильная промышленность. – 2002.– № 7.– С. 36-39. (И.М.Минкин – 0.167 п.л.)
- Лежнев, Л.Ю. Новым условиям – новые стратегия и технология создания АТС. АТС с комбинированной энергетической установкой [Текст] / Лежнев Л.Ю., Минкин И.М. / Автомобильная промышленность. – 2003.– № 11.– С. 15-17. (И.М.Минкин – 0.188 п.л.)
- Вахошин, Л.И. Двухсвечная система зажигания в бензиновом двигателе. [Текст] / к.т.н. Вахошин Л.И. и Карницкий В.В., Минкин И.М., Разумнов А.С. / Автомобильная промышленность. – 2006.– № 5.– С. 10-12. (И.М.Минкин – 0.094 п.л.)
- Карницкий, В.В. Автомобильная энергетика: современные направления и перспективы развития [Текст] Карницкий В.В., Вахошин Л.И., Минкин И.М., Разумнов А.С./ Автомобильная промышленность. – 2006. №6. – С. 6-10. (И.М.Минкин – 0.156 п.л.)
- Вахошин, Л.И. О ДВС для комбинированной силовой установки. [Текст] Вахошин Л.И., Карницкий В.В., Минкин И.М., Разумнов А.С. / Автомобильная промышленность.– 2007.– № 5.– С. 6-8. (И.М.Минкин – 0.094 п.л.)
- Ипатов, А.А. Автомобили с комбинированными энергетическими установками [Текст] Ипатов А.А., Минкин И.М., Карницкий В.В.// Сб. науч. трудов НАМИ– 2002. – Вып. 230.– С. 3-19. (И.М.Минкин – 0.36 п.л.)
- Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства (варианты) [Текст]: пат. №78733 на полезную модель, Рос. Федерация: МПК В60Н1/08(2008.01.04) / Цимбалюк М.А., Минкин И.М., Клименков В.Б., Кузовников О.Н., Мельникова Е.М., RU.; Цимбалюк Марк Абрамович, RU, Минкин Илья Михайлович, RU, Клименков Владимир Борисович, RU, Кузовников Олег Николаевич, RU, Мельникова Елена Марковна, RU. – 2008132400/22; заявл. 07.08.2008; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 34. – с.2: ил.1.
Перечень принятых в работе сокращений и обозначений
| 1. | КЭУ | комбинированная энергетическая установка | 28. | У | предотвращенный ущерб окружающей среде. |
| 2. | ЭМ | электромобиль | 29. |  | цена одного литра топлива |
| 3. | ОГ | отработавшие газы | 30. |  | мощность, отдаваемая ДВС на ВК |
| 4. | АТС | автотранспортное средство | 31. |  (t) | мгновенное значение мощности  |
| 5. | ДВС | двигатель внутреннего сгорания | 32. | Wе | энергия, полученная от ДВС за время цикла tц |
| 6. | ЭХГ | электрохимический генератор тока | 33. | Wтр | энергия, поступающая с ВК при рекуперативном торможении и снимаемая с ТАБ в тяговом режиме |
| 7. | ТЭМ | тяговые электрические машины | 34. | Wек | энергия, отдаваемая ДВС за ездовой цикл на ВК |
| 8. | ТЭД | тяговые электродвигатели | 35. | Wез | энергия, отдаваемая ДВС за ездовой цикл в ТАБ |
| 9. | ТЭГ | тяговый электрогенератор | 36. | Wбк | энергия, полученная от ТАБ и реализованная на ВК. |
| 10. | ТИТ | тяговый источник тока | 37. | Wбз | энергия, отдаваемая ДВС за ездовой цикл в ТАБ |
| 11. | ВК | ведущие колеса | 38. | t0 | момент трогания автомобиля |
| 12. | Ат | Потери, связанные с торможением автомобиля в случае применения рекуперативного торможения | 39. |  ( ,..,  ) | момент начала заряда ТАБ в режиме тяги на 1-ой (2-ой,….q-ой) передаче |
| 13. | Адв | работа, затрачиваемая на движение автомобиля | 40. |  | момент введения в работу ДВС на 1-ой, 2-ой, q–ой передаче |
| 14. | Атг | работа, затрачиваемая на движение АТС в тяговом режиме | 41. |  | момент достижения автомобилем наибольшей скорости на 1-ой, 2-ой передаче |
| 15. | Апу | потери в пусковых устройствах | 42. |  | момент достижения автомобилем скорости  на q-ой передаче |
| 16. | ат | замедление во время торможения | 43. |  | момент начала механического торможения |
| 17. | ап | ускорение за время пуска | 44. |  | КПД ТЭМ в генераторном режиме; |
| 18. |  | коэффициент инерции вращающихся масс | 45. |  | коэффициент отдачи ТАБ по энергии |
| 19. | vп | Скорость, до которой работают системы управления в цепи якоря | 46. |  | коэффициент отдачи ТАБ по энергии при рекуперативном торможении |
| 20. |  | скорость конца рекуперации | 47. |  | средний КПД электродвигателя |
| 21. |  | максимальная установивш. скорость на пути  ; | 48. |  | средний КПД механической передачи |
| 22. | Vт | скорость начала торможения | 49. | Lп | длина перегона |
| 23. | fw | удельная сила сопротивления воздуха | 50. |  | путь, пройденный АТС в тяговом режиме |
| 24. | G , G | годовой расход нефтяного топлива | 51. |  | длина тормозного пути |
| 25. | Qсер | норма расхода топлива серийного автомобиля | 52. |  | коэффициент общего сопротивления движению |
| 26. | Sгод | годовой пробег автомобиля | 53. | кп | коэффициент пусковых потерь |
| 27. | L | экономический эффект от уменьшения потребления топлива. | 54. | ma | масса автомобиля |
