Пiдвищення енергоефективностi автомобiлiв в умовах експлуатацiї за рахунок гiбридних технологiй

Abstract

Актуальність роботи пов’язана з економічними та соціальними проблемами сучасності обумовлено впровадженням екологічно чистих транспортних засобів, що дозволяє підвищити паливну економічність автомобіля й зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу. Основними перевагами транспортних машин, які обладнані інтелектуальними системами керування та екологічно чистими силовими установками, є зниження витрати вуглеводневого пального та викидів шкідливих речовин в атмосферу. Впровадження ресурсозберігаючих технологій на автомобільному транспорті забезпечує вирішення економічних та екологічних проблем сучасності. Дисертаційна робота виконана на кафедрі автомобільної електроніки Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Результати, отримані в процесі виконання дисертації, є складовою частиною комплексу досліджень, проведених в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки: «Створення синергетичних систем електромобіля» (ДР0109U001352, 2010р.), «Розробка гібридної силової установки дорожнього транспортного засобу» (ДР0112U001241, 2012-2013рр.), де здобувач був виконавцем окремих етапів. Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення енергоефективності легкових автомобілів в умовах експлуатації за рахунок удосконалення гібридної силової установки. 3 Для досягнення мети поставлені наступні задачі: – проаналізувати конструктивні особливості гібридних силових установок легкових автомобілів; – визначити перспективну схему гібридної силової установки базового автомобіля; – обґрунтувати режими роботи гібридної силової установки; – розробити експериментальний зразок гібридної силової установки для базового автомобіля; – провести експериментальні дослідження гібридної силової установки базового автомобіля в реальних умовах експлуатації. Об’єкт дослідження – процес управління гібридною силовою установкою автомобіля, яка використовує в якості джерела енергії електричну енергію акумуляторної батареї. Предмет дослідження – методи управління тягово-швидкісним режимом гібридної силової установки в залежності від умов експлуатації. Методи дослідження. Теоретичні дослідження дисертації базуються на методах системного аналізу, математичному моделюванні і основних принципах системотехніки. Експериментальні дослідження виконані з використанням електричних вимірювань механічних величин і оцінки впливу на роботу силової гібридної установки від зовнішніх умов. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку методів оцінювання гібридних технологій та переобладнання базового автомобіля в гібридний, що дозволило вирішити актуальну наукову задачу підвищення енергоефективності легкових автомобілів в умовах експлуатації. При цьому вперше:  розроблена концепція забезпечення енергоефективності базового автомобіля переобладнаного в гібридний, що відрізняється від існуючих застосуванням комплексного та системного підходу на етапах проектування, виробництва та експлуатації; 4  обґрунтовано режими роботи гібридної силової базового автомобіля, що відрізняється від існуючих методом управління тяговим електроприводом на основі генераторної асинхронної електричної машини. Удосконалено:  схемотехнічне рішення переобладнання базового автомобіля в гібридний з метою підвищення його енергоефективності. Дістали подальший розвиток:  принципи переобладнання базових автомобілів в гібридні по критерію мінімальної витрати палива в залежності від умов експлуатації. Експериментальні випробування конверсійного гібридного автомобіля, реалізований на основі вантажно-пасажирського автомобіля Сенс-Пікап. В дорожніх умовах за допомогою інформаційно-вимірювального комплексу: швидкість, прискорення, пройдений шлях, витрата палива ДВЗ, витрата електричної енергії, що витрачається з тягової акумуляторної батареї для руху автомобіля на електричному приводі, повернення електричної енергії в тягову акумуляторну батарею за рахунок використання системи рекуперативного гальмування, накопичення електричної енергії в тягову акумуляторну батарею за рахунок роботи ДВЗ, керуючі дії ДВЗ та ВЕД, частота обертання КВ ДВЗ та ін. параметри. Тяговий електричний двигун (вентильний електричний двигун оригінальної конструкції) – перебудована синхронна електрична машина з електромагнітним збудженням Г290, яка після доопрацювання має максимальну потужність – 15 кВт, номінальну 7 кВт, коефіцієнт корисної дії до 85 %. Даний електричний двигун, незважаючи на декілька гірше значення ККД, в порівнянні з вентильними електричними двигунами з порушенням від постійних магнітів, у якого ККД досягає 98 %, має ряд конструктивних і техніко-експлуатаційних переваг:  можливість управління магнітним потоком ротора на високих оборотах. Це дозволяє забезпечити розширений діапазон робочих швидкостей 5 електроприводу з високим коефіцієнтом корисної дії без істотного збільшення напруги тягової акумуляторної батареї;  відсутність додаткового моменту опору на холостому ходу, який характерний для традиційних вентильних електричних двигунів (ВЕД) з порушенням від розташованих на роторі постійних магнітів;  використання електромагнітного збудження забезпечує можливість ефективного управління ВЕД в режимі генератора для застосування рекуперативного гальмування шляхом регулювання струму збудження. Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що запроваджено системний підхід до вибору режимів роботи гібридної силової установки по критерію мінімальної витрати палива в залежності від умов роботи. Результати наукових досліджень викладено у методичних і практичних рекомендаціях, що застосовуються у виробничій діяльності Товариства обмеженої відповідальності «ТЕХНО-АРТ» офіційний дилер Mitsubishi Motors, АФ «Криворізький Автоцентр», ПАТ «Дніпропетровськ-Авто», а також у навчальному процесі підготовки бакалаврів, спеціалістів і магістрів за напрямком «Електромеханіка». Практична реалізація розглянутих принципів конверсії проведена на автомобілі ЗАЗ Сенс Пікап, яка показала можливість досягнення поставлених цілей. У міському режимі руху гібридний автомобіль здійснює старт з місця, розгін і рух до швидкості 40 км/год на електроприводі, а при більшій швидкості – на ДВЗ. Слід відмітити, що саме такий режим роботи гібридного автомобіля найбільш економічний як з точки зору експлуатації, так з точки зору вартості силової установки. Одержано показники економії палива до 28 % та зниження кількості викидів шкідливих речовин до 47 % при русі по європейському міському циклу. При цьому за один цикл акумулятор втрачає близько 1 % своєї енергії. Якщо припустити, що акумулятор не можна розряджати більше чим на 50 % його енергоємності заради довговічності і незмінності експлуатаційних якостей. 6 Основний синергетичний сенс конверсійного автомобіля полягає в тому, що на малих швидкостях до 40 км/год використовується електропривод з ККД до 90 % та максимальним моментом, а на швидкостях більш 40 км/год відбувається ефективне використання ДВЗ. Обґрунтована актуальність та перспективність проекту конверсії базового автомобіля в гібридний, його економічна та соціальна значимість. Визначена науково-технічна новизна, відповідність науково-технічної продукції світовому рівню, перспективність її впровадження та просування на ринок. Обґрунтовано синергетичний підхід до створення силової установки автомобіля. Аналіз структурних принципів побудови гібридних силових установок автомобіля показав, що автомобіль з будь-яким типом гібридної технології є більш ефективним, економічним та екологічним, ніж аналогічний автомобіль з традиційною силовою установкою. При створенні екологічно чистого автомобіля в ХНАДУ за базовий транспортний засіб був обраний вітчизняний автомобіль ЗАЗ-Сенс з типом кузова «пікап». Розроблені схемотехнічні та програмні рішення щодо створення електронного блоку керування тяговими безколекторними електричними двигунами: вентильним та асинхронним двигуном. Система керування гібридною силовою установкою оптимальним чином поєднує тягові зусилля двигуна внутрішнього згоряння та електричної машини відповідно до умов руху автомобіля. Проведено експериментальні дослідження, по вибору тягового електричного двигуна для конверсійного автомобіля. Порівнянні випробування показали що вентильний двигун на основі генератора Г290 при необхідній потужності 4,5 кВт має ККД 85 %. Проведене математичне моделювання економічних та екологічних характеристик синергетичного електромобіля в умовах Європейського міського циклу руху, яке показало що на 28 % зніжується витрата палива, а кількість шкідливих викидів (CO, CH, NOx) знижується на 48 %. Експериментальні дослідження синергетичного електромобіля в реальних умовах експлуатації 7 показали, що витрата бензину синергетичного автомобіля в порівнянні з витратою базового автомобіля в міських умовах експлуатації знизився в 2…3 рази. В результаті виконаного дослідження розроблено методику конверсії базового автомобіля в гібридний.