CC BY
116
УДК 629.3+504
СИНЕРГЕТИЧНИЙ ПІДХІД ДО СТВОРЕННЯ ГІБРИДНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ АВТОМОБІЛЯ
О.П. Смирнов, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Розглянуто синергетичний підхід до створення гібридної енергетичної установки автомобіля.
Ключові слова: синергетика, гібридний автомобіль, гібридна енергетична установка, двигун внутрішнього згоряння, електричний двигун.
Вступ
В автомобілебудуванні на сьогоднішній час приділяється дуже серйозна увага питанням створення ресурсозберігаючих, ефективних та екологічно чистих транспортних засобів. Найзначнішу роль у цьому призване зіграти гармонічне поєднання новітніх комп’ютерних технологій, автомобільної електроніки, сучасних мехатронних систем. По суті, синергетичний (від грецького synergos - сукупно діючий) підхід - це і є об’єднання різних підходів та концепцій для комплексного досягнення певних цілей.
Саме такий підхід використовується для побудови силової установки автомобіля. При цьому у традиційну конструкцію, в якій застосовується двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), додатково вносяться принципово нові тягові елементи (наприклад, електричні двигуни), що дозволяє виконати екологічні вимоги норм «Євро-4», «Євро-5» і навіть більш жорстких норм, знизити витрати моторного палива та підвищити тягово-швидкісні характеристики автомобіля. Саме тому силові енергетичні установки автомобілів Toyota Prius, Lexus RX400h, Lexus GS450h, Toyota Highlander Hybrid та інші мають фірмову назву Hybrid Synergy Drive, що в дослівному перекладі з англійської означає «гібридний синергетичний привід». В подальшому таку силову енергоустановку будемо називати гібридною енергетичною установкою автомобіля.
Аналіз публікацій
Альтернативою традиційного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння у майбутньому стане екологічно чистий автомобіль з нульовими викидами шкідливих речовин (Zero Emission Vehicle). Аналіз перспективних напрямків розвитку екологічно чистих технологій показав, що існує декілька підходів до створення екологічно чистого транспортного засобу. Альтернативними джере-
лами енергії автомобіля можуть бути паливні елементи на водні, кріогенні установки, інерційні накопичувачі енергії, пневматичні установки, різноманітні електромобілі, але найбільш конкурентоспроможним та ефективним схемним рішенням побудови екологічно чистого автомобіля на даний час є використання на ньому гібридної енергетичної установки [1].
Гібридний автомобіль поки не має нульових викидів шкідливих речовин, тому що в ньому періодично діє традиційний двигун внутрішнього згоряння, хоча і налагоджений на екологічно чистий режим роботи. Встановлення на автомобіль гібридної енергетичної установки - це лише перехідний етап до створення екологічно чистого транспортного засобу. Але й такі зміни в конструкції автомобіля вже сьогодні дозволяють з меншими витратами забезпечити вимоги найжор-сткіших екологічних норм, і при цьому підвищити економічні, енергетичні та динамічні властивості автомобіля.
Мета та постановка задачі
Рішення екологічних проблем транспортних засобів, на нашу думку, полягає в розробці гібридних енергетичних установок автомобілів, які гармонічно поєднують два принципово різних джерела механічної енергії: ДВЗ та електричний двигун (один або декілька). Синергетика такого гібрида складається в використанні сильних сторін та позитивних якостей як електричного двигуна, так і двигуна внутрішнього згоряння.
Метою даного дослідження є теоретичне обґрунтування синергетичних принципів побудови гібридної енергетичної установки автомобіля, а задача присвячена аналізу основних енергетичних та економічних властивостей двигуна внутрішнього згоряння, електричного двигуна та їх синергетичної дії у складі гібридної енергетичної установки автомобіля.
Порівняльний аналіз основних властивостей ДВЗ та електричного двигуна
Розглянемо для порівняння енергетичні та економічні показники роботи ДВЗ та синхронного двигуна вентильного типу. Саме такий тип тягових електричних двигунів знайшов застосування в гібридних енергетичних установках автомобіля.
Одним з основних показників ДВЗ є його ефективна потужність N. (кВт), яка розраховується
N =
РУнпіц
30т
(1)
де ре - середній ефективний тиск в циліндрах, МПа, V - робочий об’єм циліндра, л, п - частота обертання колінчатого вала, хв-1, іц - кількість циліндрів у двигуні, т - кількість ходів поршня за цикл.
Коли відома ефективна потужність N. та відповідна до неї частота п вала ДВЗ, то ефективний момент на валу Ме (Нм) дорівнює
Ме =
3 -104
N.
(2)
Для оцінки енергетичних та економічних показників ДВЗ використовують зовнішні швидкісні характеристики (рис. 1).
Рис. 1. Зовнішня швидкісна характеристика бензинового двигуна
Наведемо для порівняння основні рівняння та характеристики вентильного синхронного електричного двигуна, принцип дії якого та характеристики подібні колекторним двигунам постійного струму [3].
Електрорушійна сила якоря Ея виражається залежністю
Паливна економічність роботи двигуна оцінюється питомою ефективною витратою палива ge (г/кВт-год)
3 Г;п.іл
N„
(3)
де GпШI - годинна витрата палива, кг/год.
Ефективний ККД ДВЗ - це відношення роботи, одержаної на валу двигуна, до енергії, що містилась у витраченому паливі
Ея = сК;Фю,
(5)
де с - конструктивний коефіцієнт, Кі - коефіцієнт інвертування, Ф - повний магнітний потік, ю -кутова швидкість.
Момент М двигуна
М = сК1Ф/я,
(6)
де Ія - струм, який споживає якірна обмотка. Потужність двигуна отримуємо з формул (5) і (6)
3600Ne
НО
(4)
р = Ея Ія = М и .
(7)
де Ни - нижча теплота згоряння палива, кДж/кг. Граничні значення ефективних показників автомобільних ДВЗ наведені у табл. 1.
Т аблиця 1 Ефективні показники ДВЗ
Тип ДВЗ р., Мпа ge, г/кВт-год Пе
Бензиновий 0,6 - 0,95 250 - 330 0,2 - 0,35
Дизельний без наддуву 0,55 - 0,85 210 - 260 0,33 - 0,40
Дизельний з наддувом ,2 2, 1 ,7 0, 200 - 242 0,35 - 0,42
Механічна характеристика вентильних двигунів моделюється системою керування, яка забезпечує оптимальну роботу двигуна на різних режимах роботи. Вентильні двигуни реалізують максимальний обертаючий момент на старті, на відміну від ДВЗ, які здатні генерувати максимальний обертаючий момент лише на підвищеній частоті обертання. Тому навіть відносно невисока потужність електричного двигуна дозволить значно покращити динамічні характеристики автомобіля.
ККД сучасних вентильних двигунів досягає більше 90 %. Крім відносно високого ККД, вентильні двигуни мають такі позитивні властивості, як високу надійність, термін служби, якість регулювання, можливість роботи в широкому діапазоні температур, вологості, тиску.
п
Синергетика двигунів
Для початку розглянемо синергетичну дію електричного двигуна невеликої потужності (10 кВт) в складі гібридної енергетичної установки на прикладі двохмістного спорткара Honda Insight, який має однолітровий трициліндровий двигун внутрішнього згоряння потужністю 50 кВт. На рис. З наведені зовнішні швидкісні характеристики ДВЗ (пунктирна лінія) та гібридної енергетичної установки (безперервна лінія) [4].
Рис. 2. Швидкісні характеристики гібридної енергетичної установки автомобіля Honda Insight
Максимальний обертальний момент гібридної енергетичної установки автомобіля Honda Insight збільшився з 91 Нм до 121 Нм, а на малій частоті обертання момент зріс удвічі, що особливо важливо при початку руху та інтенсивному розгоні автомобіля. Потужність на всьому діапазоні частот зросла практично на величину потужності електричного двигуна.
Електричний двигун гібридної енергетичної установки автомобіля Toyota Prius II має таку ж потужність, як і ДВЗ розглянутої вище Honda Insight, але його обертальний момент майже у 4,5 рази більше ніж у цього ДВЗ та дорівнює 400 Нм. Для порівняння, саме такий обертальний момент (400 Нм) має восьмициліндровий ДВЗ автомобіля Mersedes E 4З0 потужністю 200 кВт. Порівняльний аналіз основних потужнісних характеристик гібридної енергетичної установки автомобіля Toyota Prius наведено у табл. 2.
Таким чином, в гібридних автомобілях можна використовувати ДВЗ меншої потужності та робочого об’єму. При цьому двигун внутрішнього згоряння налагоджують на оптимальну витрату палива (рис.1) та екологічну чистоту. Оптимальне керування потоками механічної та електричної енергії на різних режимах роботи дозволило підвищити ККД гібридних енергетичних установок
до 70 %. Такий високий ККД обумовлений також тим, що при гальмуванні та русі по інерції електричні двигуни перетворюються у генератори та заряджають акумуляторну батарею рекуперативною енергією.
Т аблиця 2 Характеристики гібридної енергетичної установки автомобіля Toyota Prius
Параметр ДВЗ Електро- двигун Гібридна установка
Максимальна потужність, кВт при п, хв-1 57 5000 50 1200...1540 82
Максимальний момент, Нм при п, хв-1 115 4200 400 0...1200 478
Математичне моделювання гібридної енергетичної установки, встановленої на вітчизняний автомобіль ЗАЗ 1102 «Таврія», показує, що синергетика двох двигунів, незважаючи на збільшення маси гібридного автомобіля на 70 кг та відносно малої потужності електричного двигуна (З кВт), позитивно впливає на тягово-швидкісні характеристики автомобіля [5].
Висновки
Гібридна енергетична установка автомобіля ~ система ефективної взаємодії двигуна внутрішнього згоряння та електричного двигуна. Завдяки синергетичному використанню позитивних якостей ДВЗ та електричного двигуна гібридні автомобілі мають підвищений потужнісний, енергетичний та динамічний потенціал і відповідають найжор-сткішим екологічним нормам.
Література
1. Смирнов О.П. Тенденція створення екологічно
чистого транспортного засобу // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. ~ Харьков: РИО ХНАДУ. і 2005. і Вып. 17. ~ С. 10Зі105.
2. Абрамчук Ф.І., Гутаревич Ю.Ф., Долгунов
К.Є., Тимченко І.І. Автомобільні двигуни: Підручник. і К.: Арістей, 2004. ~ 476 с.
3. Розанов Ю.К. Электронные устройства элек-
тромеханических систем / Ю.К. Розанов, Е.М. Соколова. ~ М.: Издательский центр «Академия», 2004. і 272 с.
4. www. AutoZine Technical School ~ Engine.htm
5. Смирнов О.П., Боженов В.С. Математичне мо-
делювання тягово-швидкісних характеристик гібридного автомобіля // Збірник наукових праць Харківського університету повітряних сил. і 2006. і Вып. 2(8). ~ С. 46і49.
Рецензент: О.П. Алексієв, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 15 грудня 2006 р.
