CC BY
460
УДК 621.432
ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ В МЕГАПОЛИСАХ
С.В. Бахмутов, профессор, д.т.н., В.В. Селифонов, профессор, к.т.н., В.В. Ломакин, профессор, к.т.н., К.Е. Карпухин, ст. преподаватель,
МГТУ «МАМИ»
Аннотация. Рассматриваются проблемы загрязнения окружающей среды. Рассматриваются варианты решения этой проблемы. Приводится тщательный анализ существующих автомобилей с гибридной силовой установкой. Описывается создание оригинального гибридного автомобиля МГТУ «МАМИ». Приводятся данные по испытаниям автомобиля с ГСУ.
Ключевые слова: гибридная силовая установка, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, УАЗ-3153, транспортное средство, электроэнергетический баланс, расход топлива, автомобиль.
Введение
В настоящее время автомобильный транспорт, неотъемлемо вошел в нашу жизнь, внеся в неё как положительные, так и отрицательные черты. Действительно, транспортные перевозки крупных городов нельзя представить без автомобилей. Однако за прошедшие сто лет автомобиль не только до неузнаваемости изменился сам, но и значительно изменил окружающий мир. Автомобили, оборудованные двигателями внутреннего сгорания (ДВС), расходуют огромное количество моторного топлива и выбрасывают в окружающую среду вредные вещества вместе с выхлопными газами. Эта проблема особенно остро стоит в крупных городах и вблизи автомагистралей. К началу 2008 года общий мировой парк легковых автомобилей по различным оценкам превысил 800 млн. единиц, увеличившись за последние 10 - 15 лет почти на 50 %. Значительная доля мирового парка автомобилей приходится на Европу, включая Россию. Доля автомобилей в загрязнении атмосферы окружающей среды крупных городов составляет 80 - 90 %, в несколько раз превышая долю промышленных
предприятий. В одной только России транспорт за год выбрасывает в атмосферу около
15 миллионов тонн вредных веществ. Причем ситуация осложняется тем, что выброс токсичных веществ происходит именно на том уровне, где человек вдыхает воздух. Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат около 200 различных компонентов, большинство из которых токсичны. Период их существования длится от 2 - 3 минут до 4 - 5 лет. Альтернативу ДВС инженеры и конструкторы всего мира ищут фактически со времени изобретения автомобиля.
Современные двигатели автомобилей имеют достаточно высокую мощность для обеспечения динамичного и безопасного движения. Однако при движении в городе скорости ограничены, вследствие чего автомобиль должен идти с глубоким дросселированием двигателя на неэкономичных режимах, сопровождающихся повышенным расходом топлива. Непрерывное чередование фаз разгона и замедления приводит к тому, что 70 % энергии топлива, затрачиваемой на накопление кинетической энергии теряется во время замедления автомобиля. На остановках автомобильные двигатели не глушатся, ДВС расходуют энергию по сути впустую, поэтому приоритетной задачей проектирования городских автомобилей является снижение ко-
личества выбросов вредных веществ и улучшение топливной экономичности. Данные направления представляется возможным объединить в общую задачу, т.к. уменьшение количества потребляемого топлива, необходимого для получения энергии движения автомобиля приводит соответственно к уменьшению количества вредных выбросов.
Улучшения показателей топливной экономичности и снижения количества выбросов вредных веществ можно достичь внедрением конструкторских решений, направленных на уменьшение удельной энергии движения автомобиля, таких как снижение массы, улучшение аэродинамических показателей, совершенствование конструкций трансмиссий и других узлов, связанное с уменьшением энергетических потерь (увеличение КПД), снижение циклических потерь энергии в процессе движения автомобиля (рекуперация энергии), совершенствование существующих источников энергии как традиционных двигателей внутреннего и внешнего сгорания, так и электрохимических, создание перспективных систем, объединяющих различные источники энергии (гибридные силовые установки) с целью оптимизации условий их работы для комбинирования преимуществ обоих источников, а так же мероприятия, направленные на разработку принципиально новых источников энергии (топливные и полутопливные элементы). Разработка автомобилей с ГСУ является самым рациональным путем решения проблемы загрязнения окружающей среды. Гибридные автомобили были известны еще с 1900 года, когда на Всемирной выставке в Париже был показан автомобиль «Lohner-Porsche» Фердинанда Порше со всеми ведущими колесами. Это был первый автомобиль с гибридной силовой установкой.
В настоящее время многие зарубежные автомобилестроительные фирмы ведут интенсивные исследовательские и конструкторские работы по созданию и совершенствованию автомобилей с гибридными силовыми установками (ГСУ). Интерес к таким автомобилям объясняется тем, что они обладают меньшей токсичностью и лучшей топливной экономичностью, особенно при движении в среде городского транспорта. Российская автомобильная промышленность практически не занимается разработкой автомобилей с гибридной силовой установкой, несмотря на за-
интересованность потребителей. Хотя возможностей у нас не меньше, чем за рубежом. Некоторые отечественные автомобильные заводы выпускают многоцелевые автомобили. В частности, таким заводом является УАЗ. Его продукция с одинаковым успехом используется как в городских условиях, так и в вооруженных силах, МВД и т.д. Поэтому возможность создания образцов многоцелевых автомобилей с ГСУ, выполненных на основе элементов конструкции автомобилей УАЗ, весьма перспективна.
Анализ публикаций
В МГТУ «МАМИ» конструкторские и исследовательские разработки в области автомобилей с гибридными силовыми установками ведутся уже в течение ряда лет. За эти годы кафедрой «Автомобили» выполнены научные исследования и конструкторские проработки нескольких вариантов. В том числе проведены расчетные и компоновочные работы по городскому автомобилю особо малой грузоподъемности и полноприводному автомобилю двойного назначения. В итоге для исследования свойств автомобилей с ГСУ создан экспериментальный образец многоцелевого автомобиля с ГСУ (патент на изобретение №2312030 от 29.12.2005 г.) параллельной схемы, выполненный на агрегатах УАЗ-3153. Как представлено ниже, в нее входят элементы не только серийного автомобиля (ДВС, коробка передач, приводы переднего и заднего мостов), но и новые для автомобиля устройства (обратимая электрическая машина со своим приводом, система управления тяговым электрооборудованием и накопители энергии).
Компоновочная схема автомобиля УАЗ-3153, оборудованного ГСУ, приведена на рис. 1.
Целью создания экспериментального многоцелевого автомобиля с ГСУ была реализация на одном автомобиле различных схем привода от разных источников энергии. В результате это обеспечит реальную оценку и количественное сопоставление
преимуществ и недостатков каждой из них. В связи с этим спроектирована и изготовлена принципиально иная раздаточная коробка (патент №55445 на полезную модель «Приемно-распределительное устройство преимущественно для комбинированных
энергетических установок транспортных средств». С одной стороны к ней подводится крутящий момент от ДВС, а с другой - от обратимой электрической машины, работающей как в режиме тягового электродвигателя, так и в режиме генератора (при торможении автомобиля). Благодаря ей появилась возможность реализации на экспериментальном образце нескольких основных вариантов параллельной схемы ГСУ при полном приводе:
- разблокированный полный привод: передний мост приводится от тягового электродвигателя, а задний - от ДВС через стандартную трансмиссию;
- полный привод от двух двигателей одновременно: от ДВС со стандартной трансмиссией и тягового электродвигателя с подачей мощности на выходной вал раздаточной коробки;
- полный привод только от ДВС;
- полный привод только от тягового электродвигателя;
- задний привод только от ДВС.
1
Рис. 1. Компоновочная схема полноприводного многоцелевого автомобиля с ГСУ: 1 - ДВС, 2 - привод переднего моста, 3 - коробка передач, 4 - раздаточная коробка, 5 - привод обратимой электрической машины, 6 - обратимая электрическая машина, 7 - электрические накопители энергии, 8 - передний мост, 9 -привод заднего моста, 10 - система управления тяговым электрооборудованием, 11 - задний мост
При этом фактически реализуются дифференциальный и блокированный межосевой приводы. Причем режим разблокированного полного привода колес может длительно использоваться на дорогах с высоким коэффициентом сцепления, т.е. является постоянным полным приводом, и не требуется введение в конструкцию трансмиссии межосевого дифференциала.
Таким образом, примененная на опытном образце автомобиля компоновочная схема гибридной силовой установки (рис. 1) при новой раздаточной коробке обеспечивает возможность варьирования как типом используемой энергетической установки (ДВС, электродвигатель или их комбинация), так и типом привода (полный блокированный, полный от разных источников энергии, индивидуальный, т.е. от разных источников энергии на каждый из мостов). При этом использование промежуточных агрегатов при передаче мощности не требуется, что повышает КПД трансмиссии автомобиля. Не нужен также межосевой дифференциал, возможность движения с полным приводом обеспечивается при выключенном ДВС, т.е. при минимальных тепловых и звуковых излучениях. Все перечисленное в совокупности упрощает конструкцию, снижает массу автомобиля и затраты на его производство.
Кроме того, принятое решение обеспечивает возможность дополнительных режимов работы автомобиля:
- задний привод от обоих двигателей;
- задний привод только от тягового электродвигателя;
- передний привод только от тягового электродвигателя.
Рис. 2. Общий вид разработанной раздаточной коробки
Система тягового электрооборудования выполнена на основе выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью компонентов, существующих заделов и прак-
тического опыта НПП «КВАНТ». В ней использованы наиболее эффективные и экономичные способы и средства преобразования электрической энергии в механическую и управления тяговым электродвигателем. В ее состав входят (рис. 4) асинхронная обратимая электромашина; блок преобразования энергии и управления; блок силовой коммутации; пульт управления; блок управления режимами электромашины; распределительная панель; блок аккумуляторных батарей.
Рис. 3. Установка раздаточной коробки на автомобиле
Рис. 4. Система тягового электрооборудования: 1 - асинхронная обратимая электромашина, 2 - распределительная панель, 3 - блок аккумуляторных батарей, 4 - блок преобразования энергии и управления, 5 - блок управления режимами электромашины, 6 - пульт управления, 7 - блок силовой коммутации
Рис. 5. Размещение на автомобиле пульта управления и блока управления режимами электромашины Размещение пульта управления и блока управления режимами электромашины представлено на рис. 5. Установка на автомобиле блока преобразования энергии и управления; блока силовой коммутации и блока аккумуляторных батарей - на рис. 6.
Рис. 6. Установка на автомобиле блока преобразования энергии и управления; блока силовой коммутации и блока аккумуляторных батарей
Общий вид многоцелевого автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ показан на рис. 7.
Рис. 7. Общий вид автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ «МАМИ - КВАНТ»
У автомобиля с ГСУ возможен вариант движения только на электротяге. ДВС в этом случае не работает. Вместе с тем необходимо учитывать тот факт, что реальный автомо-
биль УАЗ-3153 имеет гидроусилитель руля и вакуумный усилитель тормозов. Очевидно, что при движении в электрорежиме неработающий ДВС оставит автомобиль без гидроусилителя руля и без вакуумного усилителя тормозов. На экспериментальном автомобиле предусмотрена установка насоса гидроусилителя руля с приводом от электромотора, а также предусмотрена установка электровакуумного насоса с вакуумным ресивером.
В случае эксплуатации автомобиля при пониженных температурах окружающей среды в стандартном автомобиле предусмотрен обогрев салона жидкстным обогревателем, полу-
чающим тепло от ДВС. В случае автомобиля с ГСУ при движении его в электрорежиме предусмотрена установка обогревателя типа «Вебасто», обеспечивающая обеспечение нормального теплового режима двигателя и салона автомобиля.
Цель и постановка задачи
В период сентябрь-октябрь 2006 г. коллектив кафедры автомобилей МГТУ «МАМИ» совместно с сотрудниками ФГУП НИЦИАМТ провел стендовые и дорожные испытания экспериментального автомобиля. Для определения топливной экономичности
Модель автомобиля УАЗ-3153 УАЗ-3153 с ГСУ
Колесная формула 4x4 4x4, 4x2
Масса, кг: 2600 2600
снаряженная 1800 2140
тягового электрооборудования 340
Двигатель УМЗ-4218.10 УМЗ-4218.10
Максимальные:
крутящий момент, Н-м (кгс-м) 200 (20,4) 200 (20,4)
мощность, кВт (л.с.) 73 (99,2) 73 (99,2)
Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт-ч) [г/(л.с.-ч)] 300 (221) 300 (221)
Электродвигатель - обратимая асинхронная электромашина с короткозамкнутым ротором
Масса, кг - 100
Максимальные:
крутящий момент, Н-м - 280
мощность, кВт - 35
частота вращения ротора, мин-1 - 2600
напряжение, В - 120
ток фазы, А - 220
Электрические накопители - аккумуляторные батареи кислотно-свинцовые «Оптима D 1000»
Масса, кг - 190
Число - 10
Максимальная емкость в трехчасовом режиме разряда, А-ч - 55
Гибридная силовая установка: - УМЗ-4218.10 + обратимый асинхронный
Максимальные:
крутящий момент, Н-м (кгс-м) - 480 (49)
мощность, кВт (л.с.) - 108 (147)
Таблица 2 Условия проведения стендовых испытаний автомобиля с ГСУ
Атмосферные условия давление, кПа - 98 t - 24°С влажность -54%
Топливо при испытаниях бензин, АИ-92
Таблица 1 Техническая характеристика экспериментального автомобиля
Стенд с беговыми барабанами мод. СD-60 ф. Froude (Великобритания)
алгоритм загрузки F = 11,57+0,07865 V2
эквивалентная инерционная масса, кг 2150
поглощаемая мощность стенда, кВт 50 км/ч, 2,89 80 км/ч-11,44
Газоанализатор мод. SAE 8539 фТапако (Япония)
Система отбора ОГ CFV/CVS мод. CVS LD-30 ф. AVL (Австрия)
и токсичности отработавших газов автомобиля были проведены стендовые испытания по правилам ЕЭК ООН №83. Согласно этим правилам расход топлива автомобиля и количество вредных выбросов измеряются в режиме движения по городскому циклу1, который состоит из четырех повторов простых циклов продолжительностью 195 с каждый, причем общая продолжительность городского цикла составляет 780 с. Описание простого городского цикла приводится на рис. 8.
балансе энергии накопителя. При реализации городского цикла для экономии топлива ДВС автомобиля работал по характеристике минимальных удельных расходов, избыток мощности, развиваемый ДВС, направлялся через генератор в накопитель. На режимах повышенного расхода топлива и повышенного содержания вредных выбросов (холостой ход, разгон до невысоких скоростей, торможение двигателем) ДВС выключался. Простой городской цикл состоит из трех частей (см. рис. 8).
0 1 0 2 0 30 40 5 0 60 70 8 0 90 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 30 14 0 1 50 1 60 170 1 80 1 9 0 2 00
Рис. 8. Простой городской цикл (195 с)
Испытания проводились на стенде с беговыми барабанами. Условия испытаний приведены в табл. 1.
Поскольку стенд не ориентирован на полноприводные автомобили, удалось реализовать только одну из возможных схем привода экспериментального гибридного автомобиля -параллельный задний привод. Целью стендовых испытаний в гибридном варианте являлось определение наименьшего расхода топлива при возможно меньшем отрицательном
1 Использовалась первая часть городского цикла, пред-
ставляющая наибольший интерес для сопоставления различных схем ГСУ и режимов их работы. Магистральная часть цикла, связанная с обеспечением баланса энергии ГСУ, в данной работе не рассматривалась.
Решение задачи
Так как первая часть цикла характеризуется невысокой скоростью, ее целесообразно проходить на тяговом электродвигателе (ТЭД). Во второй части цикла движение на ТЭД целесообразно только на фазе разгона, так как в дальнейшем нужно восполнить запасы энергии, затраченные при движении в электрорежиме. Фаза равномерного движения второй части городского цикла происходит на ДВС, работающем по характеристике минимальных удельных расходов, при этом избыток энергии направляется через генератор в накопитель. Рекуперация энергии происходит и при торможении, причем ДВС в фазе торможения выключается. В третьей части городского цикла разгон до 35 км/ч происходит на ТЭД, дальнейший разгон (до 50 км/ч) на ТЭД не целесообразен, т.к. не обеспечивается требуемое ускорение. Чтобы ускорения соответствовали требованиям городского цикла, разгон от 35 до 50 км/ч происходит на ДВС, работающем по характеристике минимальных удельных расходов, при этом избыток энергии направляется через генератор в накопитель. Равномерное движение третьей части городского цикла осуществляется на ДВС с рекуперацией энергии (ТЭД - в режиме генератора), замедление - также в режиме генератора. Следующий участок равномерного движения ТЭД может работать как в режиме тягового электродвигателя, так и в режиме генератора, последнее замедление - в режиме генератора. При этом во всех частях городского цикла при движении на ДВС в коробке передач (КП) может быть включена как третья, так и четвертая передача. При
t, с
равномерном движении на третьей передаче запас мощности ДВС больше, поэтому можно зарядить накопитель за меньшее время, т.е. время работы ДВС в цикле будет меньше. Однако, чем больше запас мощности, тем больше удельный расход, что может привести к повышенному путевому расходу топлива. Целесообразно найти время дополнительной работы ДВС в цикле на обеих передачах и сравнить путевые расходы в обоих случаях.
Таким образом, при стендовых испытаниях были реализованы следующие режимы работы ГСУ в условиях равномерного движения (табл. 3).
Таблица 3 Режимы работы ГСУ
№ ре-жи-ма Режим работы ГСУ
1 равномерное движение со скоростью 35 км/ч происходит на ТЭД
2 равномерное движение со скоростью 35 км/ч происходит на ДВС (третья передача), избыток мощности направляется в накопитель
3 равномерное движение со скоростью 35 км/ч происходит на ДВС (четвертая передача), избыток мощности направляется в накопитель
Рис. 9. Стендовые испытания гибридного автомобиля
Расход топлива испытуемого автомобиля определялся двумя способами: прямым - по расходомеру и косвенным - вычислялся по показаниям газоанализатора. Выполнение городского цикла осуществлялось по прибору водителя, который допускал погрешность по скорости ± 2 км/ч, по времени - ± 1 с. Установка приборов показана на рис. 10.
Рис. 10. Установка приборов
В результате были определены значения расхода топлива и количества вредных выбросов (табл. 4).
Вместе с тем следует иметь ввиду, что для стендовых испытаний автомобилей с гибридными силовыми установками приняты правила ЕЭК ООН №101. При наличии дефицита электрической энергии в городском цикле этими правилами предусмотрена коррекция показаний расхода топлива с учетом величины дефицита электрической энергии. При нулевом электроэнергетическом балансе коррекция не производится. Коррекция осуществляется по следующим формулам:
1. Корректирующий коэффициент расхода топлива
K
fuel
n Че QC - е Qi Че C, n Че Q - (е Q )2 (л/100 км/ А-ч)
(1)
где С - расход топлива, измеряемый при /-ом испытании, проведенном заводом-изготовителем (л/100 км), Qi - электроэнергетический баланс, измеряемый при -ом испытании, проведенном заводом-изготовителем (А-ч), п - количество данных. Таблица 4 Выбросы вредных веществ и расход топлива в городском цикле
Вид силовой установки Выбросы вредных веществ, г/км Qs, л/100км
СО СН NOx CO2 по газовому анализу по расходу
Штатная (бензиновый ДВС) 17,8 3,43 3,88 383 18,8 20,45
Гибридная - режим 1 5,3 1,51 3,92 211 9,5 10,2
Гибридная - режим 2 7,5 1,21 5,2 225 10,2 10,45
Гибридная - режим 3 9,23 2,1 3,9 218 10,1 10,76
2. Расход топлива, приведенный к нулевому балансу энергии
C0 " C - Kfeuel 4Q
(л/100 км),
(2)
где С - расход топлива, измеряемый в ходе испытания (л/100 км), Q - электроэнергетический баланс, измеряемый при испытании (А-ч).
Ниже приведены значения рассчитанных в соответствии с требованиями правил 101 приведенных путевых расходов топлива с учетом замеренных в процессе испытаний разницы между энергией, потребленной электродвигателем, и энергией, возвращенной в накопитель генератором.
Результаты приведены для режима 3, при котором равномерное движение со скоростью 35 км/ч происходит на четвертой передаче на ДВС, избыток мощности направляется в накопитель (табл. 5).
Таблица 5 Расчет корректирующего коэффициента
Рис. 11. Дорожные испытания гибридного автомобиля
Кроме того, были проведены дорожные испытания автомобиля (рис. 11), при которых замерялся расход топлива в городском цикле при движении с разными схемами привода.
Результаты испытаний приведены в табл. 5.
Таблица 6 Расход топлива в городском цикле при дорожных испытаниях
Варианты 1 2 3 4 5
Qs г.ц., л/100км 20,074 15,600 14,800 15,100 14,925
Разница, л/100км 4,47 5,274 4,974 5,1
Разница, % 22,29 26,27 24,78 25,65
Замер С, л/100км Qi, А ч Kfuel, л/100 км/А-ч С0, л/100 км
1 11,53 -0,225 3,74 12,37
2 9,64 -0,734 12,39
3 10,93 -0,400 12,43
4 10,93 -0,400 12,43
Варианты табл. 6: 1 - автомобиль в стандартной комплектации; 2 - ГСУ, раздельный полный привод, движение только на третьей передаче в КП; 3 - ГСУ, раздельный полный привод, движение на третьей и четвертой передачах в КП; 4 - ГСУ, задний привод, движение на третьей и четвертой передачах в
КП; 5 - ГСУ, блокированный полный привод, движение на третьей и четвертой передачах в КП.
Выводы
Как показали проведенные испытания, наличие гибридной силовой установки на транспортном средстве обеспечивает существенную экономию топлива, значительное снижение экологически вредных выбросов,
уменьшение суммарного времени работы ДВС, особенно в местах вынужденной остановки при движении в режиме городского цикла, что положительно сказывается на потребительских качествах таких автомобилей в сравнении со стандартными автомобилями.
Рецензент: В.И. Клименко, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 мая 2008 г.
