Автомобілі з гібридною трансміссією і комбінованою енергетичною установкою (стр. 2 из 15)

Збільшення парку автомобілів приводить до росту споживання палив нафтового походження, що приводить до вичерпання невідновних запасів вуглеводневої сировини. Подальше вдосконалювання традиційних схем автотранспортних засобів (далі АТЗ) на основі двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на вуглеводневих паливах, уже не може забезпечити перспективні нормативні екологічні вимоги, що практично виключають викид шкідливих речовин енергетичною установкою транспортного засобу, а також значне скорочення витрати палива. Необхідні нові рішення й конструкції, які дозволять забезпечити необхідну чистоту й паливну економічність.

1.2 Перспективні шляхи покращення паливної економічності й екологічних показників автомобілів

Найбільш перспективним напрямком визнане використання, як енергоустановки, паливних елементів, а як паливо – водень. Водень має надзвичайно високу енергоємність (майже в три рази більше, ніж у традиційних нафтових палив), унікальні кінетичні характеристики. Крім цього, продукти згоряння водню не містять шкідливих компонентів. Існує кілька варіантів використання водню на борті автомобіля. У першу чергу слід зазначити можливість якісного регулювання паливоповітряної суміші в дуже широких межах (аж до значень коефіцієнта надлишку повітря 3...4), що відкриває перспективи істотного покращення економічності двигуна. Використання водню як добавки до традиційного нафтового палива також може бути розглянутим. І, нарешті, використання водню як сировини для електрохімічного перетворення енергії в паливному елементі, може забезпечити самі строгі перспективні норми по викиду шкідливих речовин.

Основними проблемами для застосування альтернативних - високоекологічних водневовмісних видів палива для транспорту є:

- велика маса й габарити агрегатів для зберігання палива (таблиця 1.1) або для його одержання на борті автомобіля;

- великі труднощі з організацією паливопостачання енергетичної установки у зв'язку з інерційністю агрегатів одержання водню на борті автомобіля на різкоперемінних режимах роботи, характерних для автомобіля.

Слід зазначити, що основною проблемою, що виникає при одержанні водню на борті автомобіля, є проблема високих динамічних якостей системи одержання водню. Специфіка умов роботи силової установки автомобіля складається в необхідності забезпечення дуже швидкого збільшення або зменшення продуктивності джерела водню. Повільне наростання продуктивності, внаслідок теплової інерції системи одержання водню, погіршить керованість автомобіля і його динамічні якості, а повільне зменшення продуктивності спричиняє складні проблеми утилізації надлишкового водню.

Проблема динаміки може бути вирішена шляхом створення буферного накопичувача водню й організації стаціонарного (або повільно мінливого) режиму роботи джерела водню. Застосування на борті автомобіля систем із пристроями нагромадження водню або водневого синтез-газу є вкрай небажаним, через складність зберігання й великої вибухо- й пожежонебезпеки водню.

Таблиця. 1.1 – Порівняльні характеристики способів зберігання водню

Параметри	Бензин	Водень
		Балони високого тиску
		Метал-гідридні	Кріогенний бак	Стальні	Композит
Об’єм паливного баку, л	55	2×54	3×33	2×54	100
Тиск, МПа	0,1	20	20	20	0,1(-253 ⁰С)
Маса бака без палива, кг	7,5	125	72	60	95
Маса палива, кг	40,5	2	1,8	2	7
Пробіг,км	465	65	60	65	220

Застосування буферних накопичувачів, але не водню, а електроенергії знімає ці проблеми. Транспортні засоби, обладнані енергоустановками із двома джерелами енергії, один із яких ДВЗ або електрохімічний генератор на основі паливних елементів, а другий буферний накопичувач електроенергії, відповідно до нових виправлень до Правил №83 ЄЕК ООН, зветься "Hybrid Electric Vehicle" (HEV) – АТЗ із КЕУ.

Шляхом комбінування енергопотоками двох джерел енергії можна забезпечити зниження витрати палива й викидів шкідливих речовин основного джерела енергії – ДВЗ, що використовує, як традиційне, так і водневе паливо. У випадку застосування замість ДВЗ – електрохімічного генератора в комбінованих енергетичних установках, може бути вирішене ще одне питання – це зменшення вартості енергоустановки за рахунок зменшення потужності електрохімічного генератора, що є найдорожчим, на даний момент часу компонентом.

При розгляді автомобілів з КЕУ необхідно мати на увазі не тільки велику різноманітність можливих сполучень різних типів двигунів і джерел енергії з різними видами електрохімічних акумуляторів, але й різноманітну структурну побудову комбінованого живлення із одних і тих же елементів.

Розглянемо кілька варіантів комбінованих енергетичних установок на основі застосування ДВЗ. Оскільки в цьому випадку є два джерела механічної енергії (сам ДВЗ й електродвигун), розглядаються дві схеми енергопотоків: послідовна й паралельна. У послідовній схемі відбувається послідовне перетворення механічної енергії в електричну, а електричної знову в механічну. У паралельній схемі, тільки частина механічної енергії перетворюється в електричну, а інша частина механічної енергії передається безпосередньо на колеса.

1.2.1 Послідовна схема

Варіанти послідовної схеми наведені на рисунку 1.1. Застосування послідовної схеми комбінованої енергетичної установки дозволяє забезпечити роботу теплового двигуна на тому режимі, що має мінімальні значення витрати палива й викидів шкідливих речовин, причому в ідеальному випадку, можна здійснити повністю стаціонарний режим роботи двигуна. Тяговий електропривід у даній схемі повинен забезпечувати весь діапазон зміни потужності, необхідної для даних умов руху.

У послідовній схемі кінематичні зв'язки між ДВЗ і ведучими колесами принципово виключаються. Оскільки при цьому ДВЗ не може передавати момент до ведучих коліс, то, мабуть, потужність, передана в буферний накопичувач, повинна бути не менше, ніж середня потужність, необхідна для руху АТЗ, а потужність й електромагнітний момент тягового електропривода повинні дорівнювати максимальній потужності й максимальному моменту рушіїв.

Число провідних осей може бути різним (для звичайних АТЗ це відповідає колісній формулі 4x2 або 4x4), як і навантаження на осі. Для деяких АТЗ (тягачі, магістральні автопоїзди й ін.) перспективні багатовісні схеми з набагато більшим (п'ять і більше) числом осей, причому всі колеса можуть бути ведучими. У таких умовах установка механічних передач між ДВЗ і ведучими колесами затруднена; індивідуальний електропривід спрощує проблему. Можливе використання і в гібридних гусеничних АТЗ.

Рисунок 1.1 – Послідовна кінематична схема автомобіля з КЕУ: 1 – ДВЗ; 2 – мотор-генератор; 3 – тяговий електродвигун; 4 – акумуляторна батарея; 5 – система регулювання; 6 – карданна передача.

Виключення із привода КП, зчеплення й карданного вала дозволяє істотно знизити обертові маси й загальну масу силового устаткування. Зниження моменту інерції впливає на процес нерівномірно-поступального руху машини. Значний вплив на момент інерції обертових мас робить передавальне число передачі. Оскільки коефіцієнт врахування обертових мас пов'язаний з передаточним числом КП квадратичною залежністю, то зі зменшенням передаточного числа істотно знижуються умовна маса машини й необхідна для розгону потужність. Конструкторів приваблює можливість більш вільного компонування: не пов'язані з колесами ДВЗ і мотор-генератор можуть розміщатися там, де це найбільше зручно.

Відсутність кінематичного зв'язку ДВЗ із ведучими колесами дозволяє по-новому підійти до проектування ДВЗ і мотор-генератора. У зв'язку із цим відзначимо можливість створення вільнопоршневих (без колінчатого вала й кривошипно-шатунного механізму) ДВЗ і мотор-генераторів з лінійним переміщенням ротора.

Послідовна кінематична схема гібридних машин дозволяє застосовувати нові конструкторські рішення, нові компонування. Послідовна схема дає можливість виключити диференціал, що затрудняє побудову якісної системи керування рухом й погіршує керованість й прохідність АТЗ. Відзначимо, що така схема застосовується в конструкції важких АТЗ (наприклад, у кар'єрних самоскидах надвеликої вантажопідйомності). З'являється можливість виключення механічних редукторів, що зв'язують як ДВЗ із мотор-генератором, так і тяговий електропривід з ведучими колесами ("прямий" привід генератора й ведучих коліс). У гібридному АТЗ із мотор-колесами загальне зниження маси за рахунок виключення механічних вузлів, навіть із обліком додатково встановлюваних мотор-генератора й буферного накопичувача, може бути значним. Воно приводить до зменшення необхідної потужності ДВЗ і до додаткової економії палива. Економія, що досягається при цьому, може перекривати втрати, пов'язані з подвійним перетворенням енергії.

1.2.2 Паралельна схема

У паралельній схемі як електропривід може використовуватися мотор-генератор, з'єднаний з колінчатим валом ДВЗ, що дозволяє вимикати ДВЗ при нетривалій зупинці АТЗ і наступному пуску ДВЗ по команді водія почати рух (рисунок 1.2, а).

Мотор-генератор доцільно використовувати не тільки для швидкого пуску ДВЗ, але й для створення електротяги при рушанні АТЗ із місця. Причина цього очевидна: ДВЗ має високу паливну ефективність і малий рівень викидів в обмеженому діапазоні частот обертання, тому доцільно відбирати від нього потужність тільки після того, як машина вже набере деяку мінімальну швидкість. Мотор-генератор дозволяє "згладжувати" пульсації моменту, що розвиває ДВЗ (що сприятливо позначається на зниженні вібрацій), і збільшувати ресурс вузлів трансмісії. Одночасно може бути вирішена проблема дефіциту потужності бортової електромережі, характерна для сучасних АТЗ.