Online Electric

     Загрязнение воздушного бассейна — одна из важнейших проблем современных городов и промышленных центров, требующая неотложного решения. Одним из источников загрязнения является автотранспорт, топливом для которого являются продукты нефтеперегонки и газ. Несмотря на то, что мировые запасы нефти и природного газаистощаются (рисунок 1) и на смену им приходят другие виды топлива, сам принцип работы теплового двигателя — сжигание топлива — не меняется, что в условияхроста автомобилизации населения отнюдь не способствует решению проблемы [1]. Немаловажным фактором является и то, что сокращение запасов нефтепродуктов приводит к повышению цен на топливо, что проиллюстрировано на рисунке 2 [2].

     В настоящее время наиболее распространены транспортные средства (ТС) с двигателем внутреннего сгорания, которым присущ ряд недостатков:

     — низкий коэффициент полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания (ДВС): не превышает 40%, а в условиях городского движения данный показатель еще меньше;

     — постоянное потребление топлива, в том числе и на остановочных пунктах

     — загрязнение окружающей среды выхлопными газами, маслами и т.д.;

     — высокий уровень шума и пр.

     Устранению или существенному снижению воздействия этих факторов на окружающую среду со стороны автотранспортного комплекса, основу которого составляют ТС с двигателями внутреннего сгорания, способствует повышениеего экономичности и экологической безопасности.

     В настоящее время развитие транспортных средств осуществляется в трех направлениях: разработка и внедрение электромобилей, автомобилей с топливными элементами и автомобилей с комбинированными энергоустановками.

     Понятие «электромобили» включает в себя целый класс транспортных средств объединенных общими принципами преобразования и передачи энергии от электрохимического накопителя к ведущим колесам. Основной проблемой, стоящей на пути массового коммерческого распространения электромобилей является отсутствие недорогих накопителей энергии, которые бы обеспечивали сравнительно небольшое время заряда и запас хода, сравнимый с запасом хода, обычного автомобиля.

     Системы, построенные на основе технологии «топливных элементов» как альтернатива существующим ДВС, являются одним из наиболее перспективных направлений в современном автомобилестроении. Однако данное направление в настоящий момент требует дальнейших теоретических исследований и не может быть быстро внедрено в массовое производство [3].

     В настоящее время наиболее приемлемым решением является разработка и применение комбинированной энергетической установки, в которой механическая энергия, передаваемая на движущие колёса, вырабатывается тепловым и электрическим двигателями. Сочетание на автотранспортном средстве двигателя внутреннего сгорания, электрической машины с системой преобразования электрической энергии, а также накопителя энергии позволяет обеспечить функционирование силовой установки таким образом, чтобы избежать неблагоприятных (с позиций достижения энергетической эффективности) режимов работы двигателя внутреннего сгорания.Как показала практика, автомобили с гибридными силовыми установками имеют более низкий расход топлива по сравнению с автотранспортными средствами, оснащёнными только тепловыми двигателями. Кроме того, данные автомобили в большей степени отвечаюттребованиям соблюдения норм экологической безопасности на транспорте, включая снижение выбросов токсичных веществ в атмосферу.

     Для определениястепени загрязнения окружающей среды продуктами сгорания топлива в тепловых двигателях ТСбыл произведен расчет количестваМ_iосновных компонентов выбросов(оксида углерода — СО, углеводородов — СН, оксидов азота — NO₂, сажи — С, оксидов серы — SO₂) одним автобусом при движении по г. Новосибирск за год [4]. Расчёты показали, чтов атмосферу выбрасывается:

     Всё это подтверждает необходимость решения проблемы снижения расхода топлива при совершении того же объёма транспортной работы..

     Уменьшение выбросов в атмосферу выхлопных газов может быть достигнуто различными путями, основными из которых являются:

     — улучшение качества топлива;

     — повышение коэффициента полезного действия применяемых силовых энергетических установок транспортных средств;

     — применение схемотехнических решений, обеспечивающих снижение потребления углеводородного топлива;

     — отказ от использования в силовых установках двигателей внутреннего сгорания.

     Путь повышения коэффициента полезного действия применяемых силовых энергетических установок транспортных средств является малоперспективным, поскольку к настоящему времени их реальный КПД приблизился к теоретически возможному значению. Ожидать скачкообразного его повышения не приходится.

Улучшение качества топлива способствует некоторому снижению уровня токсичности выхлопных газов, однако не может привести к полной нейтрализации вредных веществ в них.

     Отказ от использования в силовых установках двигателей внутреннего сгорания на наземных транспортных средствах путём замены их на электрические двигатели реально возможен после кардинального решения проблемы по созданию источника питания с высокими удельными энергетическими показателями. Определённые успехи в этом направлении достигнуты, но до окончательного решения этой проблемы далеко.

     Наиболее приемлемым путём решения проблемы является разработка и применение схемотехнических решений, обеспечивающих снижение потребления углеводородного топлива. Необходимо отметить, что в последнее время в этом направлении работают ведущие производители автомобилей большинства стран мира. Основным направлением на этом пути решения проблемы является применение комбинированной энергетической установки (называемой иногда гибридной), в которой механическая энергия, передаваемая на движущие колёса, вырабатывается тепловым и электрическим двигателями.

     Общеизвестно, что наибольший расход топлива и наименьший КПД установки с тепловым двигателем, наблюдается в начальной стадии разгона транспортного средства. И хотя применение автоматических коробок передач и способствует некоторому повышению экономичности работы двигателя независимо от квалификации водителя, но полностью решить проблему уменьшения выброса в атмосферу не сгоревшего полностью топлива не позволяет.

     Решение проблемы большинству разработчиков видится в использовании на начальной стадии пуска электрического двигателя, помогающего осуществить разгон до определённой скорости.

     Однако такое решение не является единственно возможным. Поэтому рассматриваются различные варианты решений и оценка их по критериям энергетических и стоимостных показателей с учётом уменьшения расхода топлива.

     На рисунке 4 приведена структурная схема тягового привода с гибридной силовой установкой, позволяющей осуществить движение при включении на первом этапе электрического, а на следующем — теплового двигателя (так называемая «последовательная схема»). Отличительной особенностью такого схемного решения является то, что энергия для электродвигателя запасается в источнике независимо от теплового двигателя, а приведение в движение транспортного средства осуществляется обоими двигателями через одну механическую передачу.

Рисунок 4 — Структурная схема гибридной силовой установки с последовательной схемой включения двигателей

ИЭЭ — источник электрической энергии; Пр — преобразователь; ЭМП — электромеханический преобразователь (электродвигатель); МП — механическая передача(трансмиссия); Д — движитель (колесо);

ТПД — тепловой двигатель

     В режиме пуска, транспортное средство при помощи электродвигателя разгоняется до скорости порядка 20км/ч (соответствует скорости выхода на автоматическую характеристику электродвигателя). При этом двигатель потребляет электроэнергию от накопителя, в который она поступает в процессе торможения подвижного состава, когда электродвигатель переводится в генераторный режим. По достижении 20км/ч такой динамический показатель, как ускорение, начинает уменьшаться вследствие специфики автоматической характеристики электродвигателя, для которого характерно снижение тягового усилия по мере увеличения скорости при разгоне по характеристике.

     Дальнейшее движение целесообразно осуществлять при работе теплового двигателя, так как диапазон изменения частоты вращения его вала способствует наращиванию тягового усилия и поддержанию необходимого ускорения. Как известно, трансмиссия содержит коробку передач, посредством которой производится изменение передаточного числа, что позволяет тепловому двигателю работать в диапазоне оптимальных скоростей. Подключение теплового двигателя к механическому приводу, по достижении определённой скорости, во-первых, уменьшает количество переключений в механической передаче при разгоне, а, следовательно, ведёт к более экономичному потреблению топлива, и, во-вторых, уменьшает расход топлива, поскольку при остановке транспортного средства тепловой двигатель может не работать (даже на холостом ходу).

     На рисунке 5 приведена структурная схема тягового привода, включающая в себя энергетическую установку на базе теплового двигателя и генератора Г, питающую электроэнергией тяговый электродвигатель.

Рисунок 5 — Структурная схема гибридной силовой установки с дизель-генератором

ТПД — тепловой двигатель; Г-генератор; Пр — преобразователь; ИЭЭ — источник электрической энергии; ЭМП — электромеханический преобразователь (электродвигатель); МП — механическая передача

(трансмиссия); Д — движитель (колесо)

     Разгон транспортного средства осуществляется только при помощи электродвигателя. В начальной стадии пуска потребление энергии может производиться по одному из двух вариантов: от накопителя ИЭЭ, а затем — от генератора Г, либо одновременно от двух источников — ИЭЭ и Г. Второй вариант предпочтительнее, поскольку тепловой двигатель работает постоянно и отсутствует переходный процесс от режима его работы на холостом ходу к рабочему.

     В режиме выбега пока электродвигатель не потребляет энергию, а транспортное средство движется за счет накопленной кинетической энергии, вырабатываемая генератором электроэнергия поступает в накопитель, заряжая его. Кроме того, энергия в накопитель поступает и в процессе торможения подвижного состава, когда электродвигатель переводится в генераторный режим.

     На рисунке 6 приведена структурная схема тягового привода, аналогичная схеме рисунка 2 с той лишь разницей, что потребителем электроэнергии являются мотор-колёса.

Рисунок 6 — Структурная схема гибридной силовой установки с мотор-колесами

ТПД — тепловой двигатель; Г-генератор; Пр — преобразователь; ИЭЭ — источник электрической энергии; ЭМП — электромеханический преобразователь (электродвигатель); МП — механическая передача(трансмиссия); Д — движитель (мотор-колесо)

     Режим работы гибридной силовой установки аналогичен рассмотренному выше с той лишь разницей, что из схемы исключаются такие элементы механической части привода, как карданный вал и центральный редуктор, создающие дополнительные вибрации кузова и уменьшающие клиренс транспортного средства, что очень важно при разработке транспортных средств с низким уровнем пола. Редуктор, который в большинстве случаев необходим для согласования угловых скоростей двигателя и колеса, является составной частью мотор-колеса.

     Ниже в качестве примера приведён ориентировочный расчёт всех перечисленных вариантов гибридной силовой установки автобуса полной массой т=18 тонн с асинхронным электродвигателем. В целях обеспечения объективности оценки энергопотребления для всех вариантов в качестве базовых исходных данных было принято условие неизменности длины расчётного перегона, средней скорости движения на перегоне и времени стоянки на остановочном пункте.

     В первом варианте в режиме пуска, транспортное средство разгоняется до скорости v_а=20км/ч (соответствует скорости выхода на автоматическую характеристику электродвигателя) при помощи электродвигателя, который потребляет электроэнергию от накопителя. Сила тяги, необходимая для реализации пускового ускорения (принято равным а_п=1,3м/с²) полностью нагруженного ЭПС определяется [6]:

F = m · a_n · (1+γ) + W₂₀ = 18000 · 1,3 · 1,1 + 2448 = 28,47 кН, (1)

где γ=0,1 — коэффициент инерции вращающихся масс автобуса;

W₂₀ =2448Н— среднее за время разгона до скорости 20км/ч основное сопротивление движению.

     Величина мощности электродвигателя, необходимая для реализации движения по такой схеме

P= F · υ_a = 28474 · 5,5 = 158,19 кВт (2)

где υ_a=5,5м/с— скорость выхода на автоматическую характеристику электродвигателя.

     С учетом перегрузочной способности асинхронного двигателя (принимаемой равной 3) номинальная мощность электродвигателя составит Р_м=50 кВт. По достижении скорости движения в 20 км/ч происходит замещения электродвигателя тепловым.

     Тяговое усилие на ободе колеса при скорости v=60 км/ч, необходимое для преодоления сил сопротивления движению, составит в соответствии с (1):

F = W = 4752 Н

а величина мощности теплового двигателя для реализации такого усилия согласно (2):

P= F · υ = 4,75 · 10³ · 16.7 = 79 кВт

     Для реализации же ускорения а=0,3 м/с² на скорости 60 км/ч необходимое тяговое усилие на ободе колеса в соответствии с (1) составит:

F = m · a · (1+γ) + W = 18000 · 0,3 · (1+0,1) + 4752 = 10,7 кН

а требуемая для этого мощность теплового двигателя:

P= F · υ = 10,7 · 10³ · 16.7 = 179 кВт

     Номинальная же мощность электродвигателя при этом составит только 60 кВт (с учётом перегрузочной способности).

     Расчёты, аналогичные произведённому выше, дали результаты, сведённые в таблицу 1.

     Для объективного сравнения энергоэффективности каждого из вариантов схемных решений были произведены расчёты расхода энергии на движение на перегоне 450 метров при условии сохранения средней скорости движения на нём подвижного состава. В качестве дополнительного варианта рассмотрен подвижной состав с электрическим приводом (вариант 4).

     Произведённые тягово-энергетические расчёты для транспортного средства, оснащённого тяговым электроприводом, показали, что в процессе пуска на расстоянии 88 метров подвижной состав разгоняется до скорости 47 км/час за 12 секунд, потребив при этом на разгон 665,6 Вт·ч электроэнергии. В процессе торможения электродвигатель, переведённый в генераторный режим, позволяет возвратить в источник 169,2 Вт·ч энергии.

     Для первого варианта гибридной силовой установки, когда электродвигатель осуществляет разгон до 20 км/час, а дальнейшее движение осуществляется посредством теплового двигателя, потреблённая при пуске энергия составила 665,6 Вт·ч, а возвращённая в режиме торможения — 169,2 Вт·ч. Расход же углеводородного топлива на перегоне составил 0,32 литров.

     Во втором варианте разгон транспортного средства осуществляется только при помощи электродвигателя, потребляющего энергию от генератора и накопителя энергии. Расход электроэнергии на движение в этом случае совпадает с вариантом тягового электропривода, а с учётом потерь в генераторе — выше, и составляет 594 Вт·ч. Вместе с тем, постоянная работа теплового двигателя, как во время движения, так и на остановочных пунктах приводит к необходимости расхода топлива в объёме 0,141 литра.

     В третьем варианте расход электроэнергии на нужды тяги возрастает ещё больше по сравнению со вторым, поскольку общий КПД привода транспортного средства снижается вследствие одновременной работы двух электродвигателей. Расход энергии с учётом рекуперации составляет 612Вт·ч. Возрастает и расход топлива для теплового двигателя до 0,156 литра.

     В соответствии с предварительными расчетами четырех вариантов схемного исполнения гибридных силовых установок выявлено, что наиболее приемлемым вариантом является использование гибридной силовой установки с последовательной работой теплового и электрического двигателей. Кинематическая схема гибридной силовой установки с последовательной работой двигателей, может быть реализована следующим образом (рисунок 7).

     Энергетическая установка, выполненная по такой схеме, позволяет возвратитьв накопитель в режиме торможения до169,2 Вт·ч. энергии.

     При выборе накопителя энергии для подвижного состава с гибридной силовой установкой необходимо определить наиболее важные его характеристики. При этом нужно иметь в виду, что собственный вес подвижного состава определяет как затрачиваемую энергию на движение, так и его динамику, а габариты для размещения дополнительного оборудованиявесьма ограничены. Кроме того, посколькуТС осуществляет перевозку людей, накопитель энергии должен быть безопасным. Основные технические параметры различных накопителей энергии приведены в таблице 2.

     При анализе характеристик накопителей энергии для транспортного средства с гибридной силовой установкой выясняется, что КДЭС обладают рядом важных преимуществ. В отличие от аккумуляторов, КДЭС отдают в десятки раз больше энергии в единицу времени, что является одним из самых важных параметров для применения конденсаторов на транспортном средстве с гибридной силовой установкой.

     Для транспортного средства с гибридной силовой установкой выбран КДЭС фирмы Элтон «30ЭК903». Характеристики КДЭС приведены в таблице 3.

     Транспортное средство с комбинированной энергетической силовой установкой способствует достижению оптимальных тяговых характеристик и экономичности работы транспортного средства, повышенному КПД, что обеспечивает уменьшение расхода топлива, позволяет увеличить запас хода на одной заправке, а также значительно снизить количество выбросов токсичных веществ в атмосферу.

     Одним из наиболее важных показателей транспортных средств является энергоэффективность работы его привода. Для сравнения параметров автобуса с КЭСУ и автобуса с ДВС были произведены расчёты расхода энергии на движение на перегоне 450 метров при условии сохранения средней скорости движения на нём подвижного состава.

     При пересчёте этих показателей к расстоянию 100 км для городского цикла движения экономия углеводородного топлива составляет 24,5 л.

Литература

     1. Савинар, М. Пик нефти: жизнь после нефтяного краха [Электрон.ресурс] / М. Савинар. — Режим доступа:http://ecocrisis.wordpress.com/civilization/economia/peakoil/.— Загл. с экрана.

     2. Динамика розничных цен на дизельное топливо для Новосибирской области [Электрон.ресурс] / — Режим доступа:http://news.yandex.ru/quotes/11316/20010.html.— Загл. с экрана.

     3. Ноздрин, Р.В. Автореферат диссертации Исследование автомобиля с универсальной гибридной силовой установкой параллельного типа[Электрон.ресурс] / Р.В. Ноздрин. — Режим доступа:http://dissercat.com/content/issledovanie-avtomobilya-s-universalnoi-gibridnoi-silovoi-ustanovkoi-parallelnogo-tipa.— Загл. с экрана.

     4. Теблоев Р.А., ЦгоевТ.Ф. Транспортное загрязнение городов и мегаполисов[Текст]: методические указания. — Владикавказ: Изд-во «Терек», 2010. — 96 с.