CC BY
80
УДК 629.33;621.43
А. А. Грабовский
ФОРМИРОВАНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ГИБРИДНЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ СИЛОВЫХ АГРЕГАТАХ
Аннотация. Представлены теоретические и экспериментальные исследования возможных вариантов формирования крутящего момента в гибридных и комбинированных силовых агрегатах с улучшенными экономическими и экологическими показателями.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, интегрированный мотор-генератор, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, экологические показатели.
Abstract. Are presented theoretical and experimental researches of possible variants of formation of a twisting moment in the hybrid and combined power units with the improved economic and ecological indicators.
Keywords: an internal combustion engine, the integrated motor-generator, capacity, a twisting moment, the specific expense of fuel, ecological indicators.
Введение
Известны схемы формирования крутящего момента в гибридных и комбинированных силовых агрегатах, такие как последовательный и параллельный. При последовательной схеме двигатель внутреннего сгорания (ДВС) работает только на генератор, при этом выбирается режим минимального расхода топлива. Энергия, вырабатываемая генератором, подается либо на тяговый электродвигатель, либо в накопитель энергии и на тяговый электродвигатель, либо только в накопитель энергии. При параллельной схеме ДВС и тяговый электродвигатель (ТЭД), питаемый от аккумуляторной батареи, через трансмиссию связаны с ведущими колесами. Преимуществом параллельной схемы является более высокий КПД передачи энергии от первичного двигателя к ведущим колесам в сравнении с последовательной схемой и возможность применения одной электромашины вместо двух. Особенностью формирования крутящего момента по каждой из схем является возможность отключения части цилиндров двигателя, т.е. так называемое дискретное изменение мощности (ДИМ) ДВС.
Способ ДИМ ДВС за счет отключения группы цилиндров многоцилиндрового двигателя используется в двигателях известных фирм, таких как Мерседес-Бенц, в которых отключаются четыре цилиндра из восьми при движении с постоянной скоростью в населенном пункте или по среднескоростной магистрали, Хонда - отключением двух или трех цилиндров из шести, в зависимости от режимов работы двигателя. При этом явные недостатки данного способа, такие как неравномерность износа деталей цилиндропоршневой группы, снижение температуры отключаемых цилиндров и увеличение расхода топлива и вредных выбросов при последующем выходе на тепловой режим, повышенные ударные нагрузки и шумы (Хонда), не сдерживают производителей ради заявленных 20 % экономии топлива и значительного улучшения экологических параметров. Разработчики автомобилей Хонда вынуждены устанавливать в автомобиле генератор шумоподавления при переходе двигателя на экономичные режимы.
1. Теоретические основы перехода на ДИМ ДВС и формирования крутящего момента в гибридном силовом агрегате
Устранение недостатков указанных способов перехода на ДИМ возможно при реализации дискретного изменения мощности, заключающегося в поочередном отключении цилиндров с соблюдением установленного порядка работы (срабатывание всех цилиндров за два оборота) или «растянутого» порядка работы (срабатывание всех цилиндров за шесть или десять оборотов) [1, 2]. При этом угол между положениями коленчатого вала соответствующими окончанию рабочего хода в предыдущем цилиндре и началу рабочего хода в последующем цилиндре равен
ф = n(2m -/')/i,
где m - количество оборотов коленчатого вала, соответствующее полному срабатыванию всех цилиндров; i - количество цилиндров.
Если рабочие хода осуществляются с перекрытием друг друга, например, в ДВС с числом цилиндров пять и более, то ф принимает отрицательное значение.
Эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что увеличивается производительность двигателя за счет уменьшения времени выхода на режим при переходе на полную мощность, повышаются экономические и экологические показатели, а также в том, что повышается надежность двигателя за счет исключения дополнительных механизмов.
Уменьшение времени выхода на режим при переходе на полную мощность происходит за счет того, что тепловой режим процесса функционирования стабилизирован, это же обусловливает высокие экономические и экологические показатели.
Надежность функционирования повышается за счет того, что данное техническое решение обеспечивает гарантированное включение в работу двигателя в любом из режимов отбора мощности, а также равномерный износ деталей цилиндропоршневой группы.
Кроме того, предлагаемое техническое решение требует для своей реализации более простого механизма управления двигателем, который необходим лишь для прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры или для задания полной подачи топлива, а также реализации сигнала управления приводами открытия и закрытия клапанов. Использование же в качестве приводов клапанов электрических, гидравлических, электрогидравличе-ских или иных исполнительных элементов позволяет исключить из состава двигателя механический газораспределительный механизм (ГРМ), а следовательно, снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.
Так, применительно к рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1 - 3 - 4 - 2 (ф = 0°) при переходе на 33 % значение мощности порядок работы станет (рис. 1,а) 1 - 0 - 0 - 2 - 0 - 0 - 4 - 0 - 0 - 3 - 0 - 0 (ф = 360°), а на режиме холостого хода при переходе на 20 % значение мощности соответственно (рис. 1,б) 1 - 0 - 0 - 0 - 0 - 3 - 0 - 0 - 0 - 0 - 4 - 0 - 0 - 0 - 0 - 2 - 0 -0 - 0 - 0 (ф = 720°). При этом «0» означает пассивный ход поршня соответствующего цилиндра (на рисунках им соответствуют окружности без заливки).
Реализация ДИМ четырехтактного ДВС с инжекторной системой питания (рис. 1,в) может быть осуществлена без вмешательства в работу ГРМ,
при доработке штатного электронного блока управления (ЭБУ) выходным каскадом управления (коммутатором), обеспечивающим исключение подачи управляющих импульсов на электромагниты форсунок «пассивных» цилиндров двигателя.
Рис. 1. Функциональная схема и алгоритм реализации ДИМ
При расчете и построении внешних скоростных характеристик двигателя ЗМЗ 405.2 на различных режимах нагрузки (табл. 1) использованы известные [3] значения эффективной мощности Pe и эффективного крутящего момента Te, а также зависимости для определения значений этих параметров P'e , Т'е при их дискретизации:
рЄ = PeVhin /30т;
т/ = 3-104 _ р
те •
К П
(1)
(2)
где ре - эффективное давление в цилиндрах двигателя, мПа; Ун - объем цилиндра, л; i - количество цилиндров; п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; т - тактность двигателя.
При оценке количества отдельных компонентов продуктов неполного сгорания топлива необходимо исходить из того, что для сгорания 1 кг жидкого топлива требуется примерно 15 кг, или 18,4 м3, воздуха.
С учетом коэффициента молекулярного изменения горючей смеси, который при коэффициенте избытка воздуха а = 1 принимает значение в преде-
лах 1,06.. .1,08, общее количество продуктов сгорания будет составлять примерно 19,5 м3.
Таблица 1
Параметры функционирования гибридного силового агрегата
п, мин 1 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
Ре, кВт 15,0 29,4 40,9 55,1 65,1 73,5 88,2 102,9 112,3 110,3
Те, Нм 158 187,2 197,7 212,0 207,2 201,0 210,6 218,4 214,9
Р'е , кВт 9,9 13,8 18,5 21,7 24,6 29,4 34,3 37,5
те, Нм 63,0 65,9 70,7 69,1 67,1 70,2 72,8 71,6
Те эд, Нм 150 150 143 137 131 128 123 118 114
те + Те эд 150 213 209 208 200 195 193 191 186
Те + Те эд 308 337 341 349 338 329 334 336 329
При переходе на дискретное изменение мощности на каждую объемную единицу продуктов сгорания будет приходиться две или четыре объемных единицы воздуха, поступающего в выпускную систему из пассивных цилиндров, что приведет к снижению концентрации вредных веществ в общем объеме отработавших газов в 3-5 раз в зависимости от режима работы ДВС при ДИМ.
При формировании крутящего момента в гибридном силовом агрегате, ДВС которого работает с возможностью дискретного изменения мощности, возникает необходимость определения характеристик электродвигателя (ЭД).
Внешняя скоростная характеристика электродвигателя предположительно изменяется в зависимости от частоты вращения вала по экспоненте вида [3]
Тэд = Тое~и , (3)
где п - текущая частота вращения вала ЭД; Т0 - значение крутящего момента в начальный момент (п = 0); и - коэффициент, характеризующий тип двигателя.
Из данных (табл. 1), полученных по зависимостям 1-3, следует, что в силовом агрегате с формированием крутящего момента от ДВС возможен переход на ДИМ с 33 % значением мощности только при движении в городском цикле или по проселочной дороге на первой и второй передачах. Кроме этого, в любых условиях возможен переход на режим холостого хода.
При формировании крутящего момента в гибридных (комбинированных) силовых агрегатах (рис. 2) при переходе на ДИМ с 33 % значением мощности возможно поддержание среднего скоростного режима при параллельном формировании крутящего момента, а также движение в городском цикле на скоростях до 60 км/ч. Это объясняется тем, что на средних частотах вращения коленчатого вала суммарный крутящий момент становится несколько меньше крутящего момента, снимаемого с коленчатого вала двигателя в нормальном режиме работы. Это практически исключает возможность движения транспортного средства в режиме набора скорости, но позволяет поддерживать установившуюся скорость движения в режиме ДИМ и формирования суммарного крутящего момента.
115
Р кВт
95
85
75
65
55
45
35
25
15
5
рв
1 - -„ Те
іу — Т ' - т +т 1 г 1 1 е эд
п У
Те эд
** Р'Є
С - ■ ** * _ —- — - “ Т'в
у >
** 0
ёе
1000
236
Те,
Нм
196
177
157
137
118
98
78
58
38
гкВт/ч
273
245
2000
3000
4000 и, 1/мин 6000
Рис. 2. Внешние скоростные характеристики гибридного силового агрегата на основе ДВС ЗМЗ 405.2 и ЭД в различных режимах функционирования (штриховые линии соответствуют ДИМ 33 %)
Переход на ДИМ с 20 % значением мощности возможен в режиме холостого хода при параллельном формировании крутящего момента.
Для гашения крутильных колебаний коленчатого вала интегрированный мотор-генератор (ИМГ) между активными рабочими ходами используется как электродвигатель, а на такте расширения переходит в режим генератора.
При свободной установке ротора ИМГ на коленчатом валу ДВС и его соединении с основным маховиком посредством фрикционной связи, он выполняет функцию инерционного маховика. Это позволяет перевести двигатель в режим «стоп-старт» на запрещающем сигнале светофора или ожидании разрешающего сигнала на железнодорожном переезде.
2. Исследования параметров функционирования четырехтактных шестицилиндровых рядных ДВС в режиме ДИМ
Для четырехтактных шестицилиндровых рядных ДВС с порядком работы 1 - 3 - 5 - 6 - 4 - 2 «растянутый» порядок работы цилиндров для режи-
ма малых нагрузок (холостого хода) реализуется при исходной последовательности срабатывания цилиндров, а для режима частичных и средних нагрузок исходная последовательности срабатывания цилиндров изменяется на последовательность 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм перехода со 100 % мощности на 15 % 1 - 3 - 5 - 6 - 4 - 2 с сохранением порядка работы ГРМ в режиме холостого хода
При этом на рис. З цифрами обозначены номера цилиндров, стробы соответствуют оборотам коленчатого вала, а затененные и светлые прямоугольники обозначают активные и пассивные цилиндры соответственно при нормальном и растянутом порядке работы.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого ДИМ был проведен эксперимент на четырехтактном шестицилиндровом ДВС дизельгене-ратора 1-ПДГ4Д.
Испытания проводились в дизельной лаборатории ОАО «Пензадизель-маш» при участии специалистов ООО «ППП Дизельавтоматика». Управление ДВС осуществлялось посредством лабораторного стенда, с которого осуществлялся запуск и останов двигателя и проводился контроль параметров функционирования на различных режимах, в том числе измерение часового расхода топлива и количества вредных веществ в составе отработавших газов, которые регистрировались при помощи прибора Vario Plus фирмы «MRU GmDH», Германия.
Управление режимами функционирования топливного насоса высокого давления (ТНВД), связанное с изменением и контролем параметров функционирования топливной аппаратуры, выполнялось посредством персонального компьютера с программой, обеспечивающей автоматическое изменение цикловой подачи топлива в цилиндры ДВС в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, а также формирующей углы опережения впрыска и его разновидности (обычный или «пилотный»).
Испытания проводились в соответствии с принятой и утвержденной на заводе методикой РМ ПДЗ 02-2007 «Определение параметров на режимах тепловозной характеристики».
После прогрева двигателя до рабочей температуры на четвертой позиции контроллера (температура охлаждающей жидкости и масла tOT = 70 °С, ^ = 70 °С) он был переведен в режим холостого хода (n = З00 мин-1) с обычным порядком работы цилиндров, на установившемся режиме были произведены замеры часового расхода топлива и количества вредных веществ в составе отработавших газов.
Далее двигатель был переведен в режим работы с дискретным изменением мощности для холостого хода (п = 300 мин1) с «растянутым» порядком работы с поочередным изменением вариантов подачи топлива («пилотный» или одинарный) и углов опережения впрыска. В процессе работы ДВС в режиме ДИМ контролировалась рабочая температура двигателя, измерялись часовой расход топлива и количество вредных веществ в составе отработавших газов (табл. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний
Режим функционирования ДВС Вариант подачи топлива и угол опережения впрыска, ° Часовой расход топлива, кг/ч Количество вредных веществ, ррт*
СО NO °3H8
Нормальный порядок работы двигателя Одинарный 10 7,59 O l O
«Растянутый» порядок работы двигателя «Пилотный» 10 8,92 O O ll
«Растянутый» порядок работы двигателя Одинарный 10 8,54 O O l
«Растянутый» порядок работы двигателя Одинарный 16 8,25 l l O
«Растянутый» порядок работы двигателя Одинарный 18 8,l5 l l O
* ppm (partper million, т.е. частей на миллион).
В ходе проведения эксперимента установлено, что частота вращения коленчатого вала при переходе на «растянутый» порядок работы соответствует установленной величине п = 300 мин-1 и ее отклонение не превышает величину, установленную для нормального порядка работы. Рабочая температура двигателя снизилась на два градуса (?ож = 68 °С, ^м = 68 °С).
Двигатель работал устойчиво, более «мягкая» его работа отмечалась при реализации «пилотного» впрыска топлива, более «жесткая» соответствовала одинарному впрыску на средних значениях углов опережения впрыска.
Вместе с тем по показаниям регистрирующей аппаратуры цикловая подача топлива при нормальном порядке работы ДВС на холостом ходу осуществлялась в ходе поворота кулачкового вала ТНВД на угол 3,5° и, следовательно, суммарное значение угла поворота кулачкового вала для полного цикла шести цилиндров будет составлять 21°.
При переходе на «растянутый» порядок работы цикловая подача топлива в один цилиндр осуществлялась в ходе поворота кулачкового вала ТНВД на угол 11,8...12°, что составляет 57 % от суммарного значения угла поворота кулачкового вала для полного цикла шести цилиндров при нормальном порядке работы ДВС на холостом ходу.
Заключение
Разработанный способ дискретного изменения мощности двигателей внутреннего сгорания является перспективным техническим решением, направленным на повышение экономических и экологических показателей, а его реализация - актуальной практической задачей.
Предложенная методика перехода от нормального порядка работы двигателя на «растянутый» порядок работы является эффективной и обеспечивает устойчивую работу рядного шестицилиндрового ДВС в самых неблагоприятных условиях, когда на каждый «активный» цилиндр приходится шесть «пассивных».
Разработанные способ и методика могут быть успешно реализованы на двигателях с более благоприятным сочетанием «активных» и «пассивных» цилиндров, например, четырехцилиндровых без изменения принципа работы газораспределительного механизма, или в многоцилиндровых ДВС с управляемыми фазами газораспределения и открывающимися впускными и выпускными клапанами с целью снижения насосных потерь, что приведет к повышению экономичности на режимах незначительных нагрузок и режиме малого газа.
Из этого следует, что для детального исследования причин расхождения между величинами цикловой подачи и часовым расходом топлива требуются дополнительные теоретические и экспериментальные исследования. Кроме этого, дополнительные исследования необходимы для определения влияния сжатого воздуха в цилиндрах двигателя на параметры функционирования турбины и нагнетателя.
Список литературы
1. Грабовский, А. А. ДВС с дискретным изменением мощности / А. А. Грабов-ский // Автомобильная промышленность. - 2008. - № 2. - С. 8-12.
2. Пат. 2380562 Российская Федерация, С 2. Способ дискретного изменения мощности ДВС (Варианты) / Грабовский А. А. - № 2008104241/06 ; заявл. 04.02.2008 ; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3.
3. Умняшкин, В. А. Выбор мощности тягового электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и параметров накопителей гибридных силовых установок автомобилей : учеб. пособие / В. А. Умняшкин [и др.]. - Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2006. - 137 с.
Грабовский Александр Андреевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра транспортные машины, Пензенский государственный университет
Grabovsky Alexander Andreevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of transport machines,
Penza State University
E-mail: algra@sura.ru
УДК 629.33;621.43 Грабовский, А. А.
Формирование крутящего момента в гибридных и комбинированных силовых агрегатах / А. А. Грабовский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 2 (14). -С.97-104.
