Циклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления (стр. 24 из 27)
Борьба с замораживанием
Склонность к замораживанию может стать ахиллесовой пятой топливных элементов. Вода образуется в топливном элементе, когда выключают силовую установку. Если энергия не используется и вода не удаляется из топливного элемента, при низкой температуре образуются кристаллы льда, которые могут разрушить ультратонкую полимерную мембрану. Большие усилия требуются для того, чтобы вернуть к жизни топливный элемент, простоявший промокшим всю ночь при температуре –20 – 40 ° С. Батарея не будет генерировать электроэнергию, пока температура не превысит 0 ° С. Фирма Ballard прорабатывает многочисленные варианты решения этой проблемы от тепловой изоляции топливного элемента до встраиваемых нагревательных элементов, как в дизелях.
Инженеры фирмы General Motors недавно сообщили о своих достижениях в области низкотемпературного пуска топливных элементов. По их заявлениям, они получили полную мощность с батареи топливных элементов, охлажденной до температуры – 40 ° С, через несколько секунд. Это было обеспечено удалением воды из топливного элемента в течение процедуры остановки и применением специального теплоносителя, а также некоторыми нераскрытыми авторами мероприятиями, которые обеспечили установке хорошие пусковые качества.
Международное сотрудничество в области создания
топливных элементов
В 1999 было образовано Калифорнийское товарищество топливных элементов –добровольное объединение автомобильных компаний, энергетических компаний, а также государственных и федеральных организаций, ставящих своей целью демонстрировать и обеспечить понимание технологии топливных элементов. В настоящее время в него входят автомобильные фирмы ( Ford, DaimlerChrysler, GM, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volksvagen), энергетические провайдеры (BP, Shell, Texaco), компании, производящие топливные элементы (Ballard Power Systems, International Fuel Cells), государственные агентства (California Air Resources Board, California Energy Comission, South Coast Air Quality Management District, U.S. Department of Energy, U.S. Department of Transportation).
Объединенный проект ставит своей целью ежедневно демонстрировать практичность автомобилей на топливных элементах, инициировать дискуссии об инфрастуктуре топливных элементов и готовить рынок Калифорнии к этой новой технологии. В период времени 2001-2003 годами партнеры провели эксплуатационные испытания более 50 автомобилей и автобусов, оснащенных силовыми установками с топливными элементами, использующими различные топлива – водород, метанол и чистый бензин (без серы).
Громадные усилия и средства вкладывают автомобильные фирмы в разработку автомобилей с силовыми установками на топливных элементах. Однако ключевые проблемы, которые необходимо решить на пути внедрения этих автомобилей в массовое производство, остаются нерешенными. Прежде всего это стоимость. Пятиместный седан на топливных элементах стоит более 1 млн $. К тому же он тяжелее своего поршневого собрата. Во весь рост стоит проблема топлива. Водород, полученный любым способом стоит в 2-4 раза дороже бензина. Любой способ хранения водорода на борту (или его получения в реакторе-риформинге) связан с дополнительными масо-габаритными издержками.
Все эти соображения ставят под сомнение возможность замены поршневых двигателей установками на топливных элементах.
12. гибридные силовые установки
Гибридная силовая установка (ГСУ)представляет собой силовую установку, в состав которой входят:
1.Первичный источник энергии (тепловой двигатель, электрохимический генератор);
2. Накопитель энергии (электрический, механический, гидравлический, пневматический аккумулятор, конденсаторный накопитель);
3. Преобразователь энергии (генератор, альтернатор);
4. Тяговый двигатель (электромотор, расширительная машина);
5. Компоненты трансмиссии, управляющие потоками энергии;
5. Система управления.
Достоинства ГСУ:
1.Высокая экономичность (тепловой двигатель работает в оптимальном режиме, рекуперация энергии торможения, холостой ход и режимы малых нагрузок в моде электродвижения);
2.Высокие экологические характеристики (режимы старт-стоп, электродвижение в неоптимальных для двигателя режимах);
3. Обеспечение растущих потребностей автомобиля в электроэнергии;
4. Широкие возможности компоновки компонентов ГСУ на борту транспортного средства.
В зависимости от способа взаимодействия компонентов ГСУ различают ГСУ последовательные, параллельные и параллельно-последовательные.
Последовательная схема ГСУ представлена на рис. 12.1., а на рис. 12.2 - параллельная схема.
 |  |
| Рис.12.1. Последовательная схема ГСУ | Рис. 12.2. Параллельная схема ГСУ |
ГСУ, построенные по приведенным схемам отличаются по параметрам.
Преимущества ГСУ с последовательной схемой:
- Двигатель работает в стационарном (оптимальном) режиме;
- Двигатель обеспечивает работу генератора с наибольшим КПД;
- У автомобиля простейшая трансмиссия ;
- Свободный выбор в размещении агрегатов.
Преимущества ГСУ с параллельной схемой:
- Мощность установки больше мощности первичного двигателя(двигатель и элек
тромотор сообщают энергию трансмиссии одновременно);
- Нет необходимости в отдельном генераторе для подзарядки батарей;
- Более высокий КПД.
Основные недостатки ГСУ любых схем – повышенная стоимость, повышенные массогабаритные показатели, сложность, необходимость в использовании более сложных систем управления, обеспечивающих работу компонентов ГСУ с наивысшей эффективностью.
12.1. Гибридная силовая установка автомобиля Toyota Prius
Prius –первый в мире автомобиль массового производства с гибридной силовой установкой, в состав которой входит бензиновый двигатель и электрический мотор. Этот пятиместный седан стоит 20000 $. Гибридная силовая установка этого автомобиля обеспечивает высокую топливную экономичность (52 mpg по городскому циклу и 45 mpg по шоссе) и ультранизкий уровень выброса вредных веществ (SULEV), которые на 75% более жесткие чем ULEV и на 90% чем LEV для смогообразующих газов.
Технические данные силовой установки
Двигатель : рядный четырехцилиндровый, литраж 1,497 л, степень сжатия –13,0, максимальная мощность –52 кВт (70 л.с.) при 4500 об/мин, Мкрmax 11Н.м при 4200 об/мин, емкость топливного бака 45 л.
Электромотор : тип – с постоянным магнитом (permanent magnet), емкость 6,5 А.ч, Мmax 350 Н.м (от 0 до 400 об/мин).
Блок батарей: максимальная мощность –25 кВт, номинальное напряжение – 274 в.
Трансмиссия: непрерывно изменяемое передаточное отношение с электронным управлением, интегрированная регенеративная тормозная система.
Рис. 12.3. Компоненты гибридной силовой установки Toyota Prius
Первое поколение Рrius который стоил более 37000$ в Японии между декабрем 1997 и маем 2000 г. было оптимизировано для работы главным образом в режиме «stop and go» («старт-стоп»), низкоскоростные условия. Благодаря более высокой скорости, более длинной дистанции, более резким изменениям климата и более жестким ограничениям на выброс вредных веществ в США, автомобиль был модернизирован с целью повысить его эффективность и управляемость на американских дорогах.
Первичным источником энергии у Рrius’a является 1,5-литровый бензиновый двигатель (из алюминиевого сплава) с Nemax (модель для США) 52 kW (70 л.с.) при 4500 мин-1 (для Японского рынка 43 kW (58 л.с.) при 4000 об/мин.) и пиковым моментом 111 н.м (82 l b.m ) при 4200 мин-1.
Двигатель имеет управляемые фазы газораспределения для минимизации выброса токсичных веществ и оптимизации эффективности работы во всем диапазоне нагрузочных режимов. Американская модель Рrius оснащена поглотителем НС фирмы Тойота и каталитическим нейтрализатором (НСАС) (рис.12.4.).
 |
| Рис.12.4. Система нейтрализации автомобиля Prius |
Испарения из бака снижены путем размещения в стальном баке пластической камеры. По мере расходования топлива, камера деформируется, уменьшая объем паров бензина, находящихся в баке.
 |
| Рис. 12.5. Параллельно-последовательная схема ГСУ автомобиля Prius |
Рrius для Америки оснащен более мощным блоком батарей, который на 30% легче и имеет на 60 % меньший объем, чем у Рrius’a первого поколения. Электрический тяговый мотор относится к типу «Permanent Magneto» и развивает максимальную мощность 33 kW от 1040-5600 мин-1, с максимальным моментом 350 Н.м (258 lb.ft) от 0 до 400 мин-1.
 |
| Рис. 12.6. Трансмиссия гибридного автомобиля Toyota Prius: |
Электронная система Тoyota Hybrid System (THS) позволяет Рrius’у работать либо на электричестве, либо на бензине, либо одновременно на том и другом. Доля мощности на каждом из источников регулируется в зависимости от скоростной нагрузки с достижением максимально эффективной моды движения автомобиля . Согласно концепции Тойота, функционирование ТНS незаметно для пассажиров.
Сердцем системы является устройство разделения потоков мощности (рис.12.6), которое использует планетарную передачу для направления мощности от ДВС непосредственно на передние колеса и электрический генератор, который обеспечивает электроэнергией электрический мотор и (или) батареи. Электронно контролируемая трансмиссия подбирает сочетание мощности ДВС, электромотора, электрического генератора, которое необходимо для обеспечения требуемого ускорения или замедления автомобиля.