CC BY
87
УДК 629.3+504
АНАЛ1З СХЕМНИХ Р1ШЕНЬ ПОБУДОВИ АВТОМОБ1ЛЯ
З Г1БРИДНОЮ ЕНЕРГЕТИЧНОЮ УСТАНОВКОЮ О.П. Смирнов, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотащя. Проведено anaMi3 схемних ршенъ побудови автомобтя з гiбридною енергетичною установкою та гх техтчних характеристик.
Ключовi слова: гiбридний автомобтъ, система управлтня, енергетична установка, електричний двигун, двигун внутршнъого згоряння.
Вступ
Останшм часом лщери автомобшьно'1 промисловост почали випуск так званих пбридних автомобiлiв. Це пов’язано, в першу чергу, з такими екологiчними та економiчними проблемами свiтового масштабу:
- постшне збiльшення автомобiльного парку призводить до забруднення навколишнього середовища;
- зниження свггових запасiв нафти та постшне тдвищення цiн на автомобiльне пальне.
Гiбридний автомобiль використовуе для руху комбiновану енергетичну установку, яка оргашчно об’еднуе в собi
традицiйний двигун внутршнього згоряння (ДВЗ) та додатковi електричнi двигуни. Основна мета тако'1 пбридизаци - це
тдвищення потужност^ економiя пального та зниження
токсичност вихлопних газiв. Перший серiйний легковий
автомобшь за гiбридною технологieю випустила корпоращя “Toyota Motor Corporation” наприкшщ 1997 року. Назву йому дали Prius, що в перекладi з латинсько'1 означае “гги попереду”. Сьогодш на автомобiльному ринку присутнi моделi пбридних
автомобшв вщ таких вiдомих aвтомобiльних концеpнiв, як Honda, Toyota, Ford, Renault, General Motors та шших.
Aналiз пyблiкацiй
Анaлiз загальних зaкономipностей pозвиткy екологiчно чистих тpaнспоpтних зaсобiв доводить, що нaйбiльш пеpспективним нaпpямком pозвиткy aвтомобiлебyдyвaння на даний час е автомобшь з гiбpидною енеpгетичною yстaновкою [1]. Це пов’язано з тим, що «пик paзвития тpaдиционных двигателей внyтpеннего сгоpaния пpaктически ^ошел. Появление пpинципиaльно новых силовых yстaновок окажет pешaющее влияние на констpyкцию автомобиля» [2]. Тому пpaктично всi пpогpесивнi виpобники aвтомобiльного тpaнспоpтy пpоводять нayково-дослiднi pоботи щодо pозpобки та вдосконалення гiбpидних енеpгетичних установок.
Здаеться, що у в^обниюв гiбpидних автомобшв немае единого погляду на концепцш його ствоpення. А деякi автомобшьш концеpни, якi вiдстaли у сво'1'х наукових pозpобкaх, pозгоpтyють у пpесi «aнтиriбpиднi» компани, але пpи цьому ^одовжують iнтенсивнi pоботи з pозpобки та випуску aвтомобiлiв з гiбpидними енеpгетичними установками. Так, фaхiвцi General Motors вважають, що гiбpидний ^ивщ економiчно доцiльний тiльки на ткапах та позaдоpожникaх. Nissan повтоpюe сво'1'м aмеpикaнським колегам: «в aвтомобiлях немае комеpцiйного сенсу», але випускае на pинок свою гiбpиднy модель Altima, ствоpенy за технолопею фipми Toyota.
Мета та постановка задачi
Пpоблемy ствоpення pесypсозбеpiгaючих, екологiчно чистих i ефективних тpaнспоpтних зaсобiв неможливо в^шити без pозpобки единого концептуального шдходу до схемних piшень побудови гiбpидних aвтомобiлiв. Ця пpоблемa ускладнюеться тим, що не pозpобленa yнiвеpсaльнa теоpiя yпpaвлiння енеpгетичними потоками в тpaнспоpтномy зaсобi. Для aвтомобiлiв з гiбpидною енеpгетичною установкою виpiшення цього питання стае нaйбiльш актуальним та ^итичним у зв’язку
з тим, що енеpгоyстaновкa об’еднуе деюлька джеpел енеpгiï та декiлькa силових енеpгетичних установок piзного пpинципy ди.
У гiбpидних aвтомобiлях для бшьш економно'1 витpaти палива та тдвищення еколопчно'1 чистоти викоpистовyються спецiaльнi aкyмyлятоpнi бaтapеï та електpичнi двигуни, як зaмiняють або допомагають двигунам внyтpiшнього згоpяння пpи piзних pежимaх pоботи aвтомобiля. Пiд час гальмування та pyхy по i^p^i' вiдбyвaeться звоpотний пpоцес: електpичнi машини починають ^ацювати в генеpaтоpномy pежимi та зapяджaти aкyмyлятоpнy бaтapею.
Свiтовий досвiд ствоpення екологiчно чистих тpaнспоpтних зaсобiв свщчить пpо те, що нaйбiльш вдалим та конкypентоспpоможним констpyктивним piшенням на сьогодшшнш час е викоpистaння в автомобш гiбpидноï енеpгетичноï установки. Але едино'1 концепци ствоpення гiбpидного автомобшя поки що немае. Тому метою дано'1' pоботи е теоpетичне обфунтування оптимальних схемних piшень побудови гiбpидних aвтомобiлiв, а задача дослiдження ^исвячена aнaлiзy нaйбiльш цiкaвих концептуальних пiдходiв до ствоpення aвтомобiля з гiбpидною енеpгетичною установкою.
Принципи побудови пбридних енергетичних установок
Гiбpиднi aвтотpaнспоpтнi засоби ствоpюються на piзних стpyктypних ^инципах побудови гiбpидноï енеpгетичноï установки. Kонстpyкцiю гiбpидних енеpгетичних установок можна стpyктypно подiлити на чотиpи типи, як вiдpiзняються як схемними piшеннями, так i потужшстю викоpистaних електpичних машин.
Пеpший пpинцип гiбpидних технологiй основано на викоpистaннi обеpненоï електpомaшини потужшстю вщ 2 до 4 кВт, яка виконуе функци стapтеp-генеpaтоpa. Таю автомобш компонуються системою Stop&Start, яка автоматично вщключае ДВЗ ^и зyпинцi, а пiд час гальмування або pyхy за iнеpцieю здшснюеться зapяд aкyмyлятоpноï бaтapеï пpи вщключеному ДВЗ. Стpyктypнa схема тако'1' системи наведена на p^. 1. На схемi потоки мехaнiчноï енеpгiï позначеш подвiйною стpiлкою, а потоки електpичноï енеpгiï - одинapною.
з
Акумулятор —► Стартер-
<— генератор
2Т
7*
ДВЗ к Привад колю
—У
Рис. 1. Структурна схема пбридноУ установки 3Í стартер-генератором
потужшстю вщ 2 до 4 кВт
Прикладом таких пбридних автомобшв можуть служити автомобш Toyota Crown, Citroen C3, Ford Fiesta, економ1я палива в яких складае не бшьше 10 %.
Енергетична установка створена за другим принципом пбридизаци використовуе електричний двигун потужшстю до 25 кВт, який генеруе мехашчну енергш паралельно з ДВЗ таким чином, що екв1валентна потужшсть формуеться з потужност ДВЗ та електродвигуна. Це е найбшьш ефективним на старт та при штенсивному розгош транспортного засобу, коли обертовий момент електродвигуна максимальний. Так електричш машини також можуть замшити стартер i генератор, а пбридна енергетична установка може працювати у режим1 Stop&Start. Структурна схема побудови пбридно'1 технологи за другим принципом наведена на рис. 2.
ДВЗ
Електромаш ина
► Акумулятор
Прив1д колю
Рис. 2. Структурна схема пбридно!" установки з електромашинною
потужшстю до 25 кВт
Корпоращя Honda випускае сершш пбридш автомобш саме за таким принципом. Так, нова модель Honda Civic обладнана 15-кшоватним електродвигуном. Компашя Mercedes представила на автомобильному салош у Франкфурт два пбридних автомобш
S-класу - бензиновий S350 та дизельний S320CDI, у яких додатковi електродвигуни потужнiстю всього 6 кВт заощаджують 25 % палива, та на 80 % зменшують викиди шкщливих речовин в атмосферу у порiвняннi з базовими аналогами.
Третiй принцип побудови пбридних автомобiлiв основано на використаннi тягових електричних двигунiв з ще бiльшою потужнiстю (вiд 30 кВт). Таю транспортш засоби вiдрiзняються тим, що можуть рухатися як у комбшованому режим^ так i тiльки на електротязi. Автомобiлi комплектуються, як правило, двома електромашинами змшного струму, а розподiл мехашчно'1‘ енерги серед споживачiв виконуе планетарний мехашзм. Погоджують роботу на всiх режимах перетворювач напруги i керуючий комп’ютер. Структурну схему комбшовано'1‘ енергетично'1' установки такого повного пбриду можна представити на рис. 3.
Електрична машина 1 —► <— Акумулятор, перетворювач напруги
. Чл
Планетарний —s У Генератор
мехашзм А ч—
л.
V
Прив1д колю г Електрична
А машина 2
ч—
Рис. З. Структурна схема пбридно1' установки з електродвигуном
потужшстю бшьше З0 кВт
Така схема пбридно'1 енергетично'1 установки використовуеться корпоращею Toyota при створенш автомобшв модельного ряду Toyota Prius, Lexus RX400h, Lexus GS450h та шших. Так пбридш автомобш менше шж на 90 % забруднюють зовшшне середовище, в пор1внянш з автомобшями аналопчного класу з ДВЗ. Економ1я палива також дуже висока: модель 200З року Toyota Prius на 100 км витрачае лише 2,8 лггра.
До четвертого принципу побудови пбридно'1 силово'1 установки вщнесемо схемш ршення, в яких двигун внутршнього згоряння не мае кшематичного зв’язку з ведучими колесами. Мехашчна енерпя з ДВЗ через генератор перетворюеться в електричну енергш, яка подаеться в тяговий електромехашчний привщ колю та витрачаеться для заряду акумуляторно'1 батарей
Структурна схема системи пбридно'1 енергетично'1' установки наведена на
рис. 4.
Рис. 4. Структурна схема НбридноУ установки без кшематичного зв’язку
ДВЗ з ведучими колесами
До ще'1 схеми вщносяться також конструкци пбридних енергетичних установок з мотор-колесами. Така схема знайшла свое використання в кар’ерних самоскидах, наприклад, «БелАЗах», в яких потужний дизель-генератор постачае електроенергiю в мотор-колеса. Позитивш сторони такого принципу пбридизаци - це вiдсутнiсть мехашчно'1‘ трансмюи, зниження питомо'1 витрати палива та токсичностi вiдпрацьованих газiв за рахунок стабшзаци режимiв роботи двигуна внутршнього згоряння за потужнiстю та частотою обертання. Негативш - зменшення ККД за рахунок подвiйного перетворення енерги: механiчна енергiя ДВЗ - електрична енергiя генератора або акумулятора - мехашчна енергiя електродвигуна, збшьшення нешдресорено'1 маси автомобiля за рахунок вбудованих у колеса електродвигушв, що призводить до погiршення управлiння та комфорту.
1нженери компани Toyota сконструювали за такою
гiбридною технологiею легковий автомобшь, в якому
позбавились вказаних недолшв. Новий концепт-кар назвали на честь вщомого вченого-електротехнiка Alessandro Volta.
Бензиновий двигун об’емом 3,3 лггри, механiчно не зв’язаний з колесами, обертае електричний генератор. Два тягових електродвигуни загальною потужнiстю 300 кВт використовуються для приводу переднього та заднього мосту. Характеристики автомобшя вразлив^ максимальна швидкiсть -бiльше 250 км за годину, середнш розхщ палива - 7,4 лiтра на 100 км, швидкють 100 км за годину автомобшь набирае за 4,03 секунди.
На основi аналiзу структурних принцитв побудови п6ридно'1 енергетично'1 установки можна зробити таю висновки:
- конструкцш пбридних енергетичних установок можна структурно подшити на чотири типи, яю вiдрiзняються як схемними рiшеннями, так i потужнiстю використаних електричних машин;
- автомобшь з будь-яким типом пбридно! технологи е бшьш ефективним, економiчним та екологiчним, нiж аналопчний автомобiль з традицiйною енергетичною установкою;
- недолжом конструкци першого принципу пбридизаци е те, що електричш двигунi мало!' потужностi 2-4 кВт не використовують свою енергiю для додатковох' тяги в комбiнованому режимi з ДВЗ;
- недолiком конструкцш другого принципу побудови п6ридно'1 енергетичноi' установки е те, що електричш двигуш вiдносно великоi потужностi (до 25 кВт) не використовуються для автономного приводу автомобшя, що покращило б економiчнi та екологiчнi показники;
- третш принцип побудови пбридних автомобшв, на мiй погляд, на даний час найперспектившший, тому що вш мае найвищi показники економiчностi та екологiчностi, а при цьому потужшсть та динамiка розгону кращi нiж у аналогiчних автомобiлiв з традицшною енергетичною установкою;
- четвертий принцип побудови п6ридно'1 енергетичноi установки теж е перспективним, як з точки зору електронного управлшня та розподшу енергетичних потокiв, так i за економiчними та екологiчними характеристиками.
Л^ература
1. Смирнов О.П. Тенденщя створення еколопчно чистого транспортного засобу // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. - С. 103-105.
2. Говорущенко Н.Я. Основные направления развития автомобильного транспорта в XXI веке // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. -Харьков: ХНАДУ. - 2003. - Вып. 13. - С. 7-11.
Рецензент: О.П. Алекшев, професор, д.т.н., ХНАДУ. Стаття надiйшла до редакцii 27 грудня 2005 р.
