Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля

Высокая насыщенность машинами, оборудованными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), привела к тому, что при работе они расходуют большое количество моторного топлива и выбрасывают в атмосферу вместе с отработавшими газами большое количество окиси углерода и других вредных составляющих, которые отрицательно влияют на здоровье человека и окружающую его природную среду. Поэтому над проблемами топливной экономичности и экологичности по различным направлениям работает большое количество ученых, конструкторов и других категорий людей, которые ищут пути и методы их решения.

Особенно остро стоит проблема экологии в крупных городах и около крупных автомагистралей. Например, в «Концепции обеспечения экологической безопасности города Москвы на период до 2001 года и более отдаленную перспективу» представлены данные Москомприроды за 1998 г., в которых отмечено, что в воздушный бассейн г. Москвы было выброшено 1737,3 тыс. тонн загрязняющих веществ, в том числе стационарными источниками 134,3 тыс. тонн, а передвижными источниками, в основном автомобильным транспортом, выброшено почти в 12 раз больше — 1603 тыс. тонн загрязняющих веществ. К сожалению, подобная картина наблюдается и в других крупных городах, например, в Нижнем Новгороде 86% загрязнения воздуха дает автотранспорт [97]. При этом не отмечено существенных изменений в экологии крупных городов и мегаполисов в последние годы. Количество транспортных средств в ближайшей перспективе будет непрерывно увеличиваться. Например, в соответствии с концепцией развития автомобильной промышленности России (Распоряжение правительства РФ от 16 июля 2002 года № 978-р) парк легковых автомобилей возрастет к 2010 году с 21,2 до 30−33 млн. штук, в том числе иностранного производства (большая часть из которых не новые) с 4,6 до 7−8 млн. штук. При этом число легковых автомобилей на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук.

Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применения в их конструкциях электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое — создание чистого электромобиля, второе — разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой. Из-за отсутствия доступных для массового производства эффективных накопителей электрической энергии чистые электромобили имеют относительно малые пробеги на одной зарядке. Это и является одной из основных причин исследований возможности и эффективности использования в конструкциях автомобилей комбинированных энергетических установок.

Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим ученым автомобилестроения о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций комбинированных (гибридных) энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей [29, 30]. На основе КЭУ можно создавать комбинированные энергосиловые установки (КЭСУ), представляющие собой совокупность КЭУ и трансмиссии, которые позволяют более эффективно использовать электрическую (электродвигатель) и тепловую (тепловой двигатель) энергия при выполнении заданного объема работ, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30−50%, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность транспортных средств (на 40% и более). Улучшение указанных эксплуатационных свойств происходит за счет возможности применения в конструкции маломощного теплового двигателя и обеспечения его работы на установившихся или близких к ним режимах. В процессе торможения и замедления происходит рекуперация кинетической энергии транспортного средства, т. е. электродвигатель работает в генераторном режиме, подзаряжая накопители электрической энергии, которые в сравнении с «чистым» электромобилем будут работать в более легких эксплуатационных режимах, что позволит значительно увеличить их долговечность.

Отметим, что данное направление создания энергосиловых установок перспективно и для дорожно-строительных, сельскохозяйственных, технологических, стационарных обрабатывающих и других типов машин, которые используют в своих конструкциях тепловые двигатели.

Цель диссертационной работы. Исходя из состояния вопросов разработки КЭСУ для транспортных машин, тенденций и перспектив их развития для легковых автомобилей в диссертационной работе исследуются наименее изученные проблемы, связанные с разработкой новых теоретических и расчетных методов исследования КЭСУ. Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка методики расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС И ЭД, обеспечивающих оптимальные (наиболее рациональные) тягово-скоростные свойства и топливную экономичность гибридному автомобилю и реализация этой методики в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

Задачи исследований. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследований диссертационной работы:

1. Разработать математическую модель движения гибридного автомобиля, позволяющую наиболее точно рассчитывать показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности в различных условиях эксплуатации.

2. На основе обоснованной математической модели разработать алгоритмы расчета показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности гибридного автомобиля.

3. Разработать методику расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей, к которым относятся: внешние скоростные характеристики теплового и электрического двигателей, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.

4. Реализовать разработанную методику в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

5. Выполнить расчетные исследования для гибридных автомобилей малого и особо малого классов.

6. Доказать адекватность разработанной математической модели движению реального гибридного автомобиля.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД автомобилей малого и особо малого классов. Предметом исследования являются методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки, к которым относятся внешние скоростные характеристики ДВС и ЭД, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.

Методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на теориях движения и эксплуатационных свойств транспортных машин, математического моделирования и параметрической оптимизации, анализа и синтеза сложных технических систем, программирования, дифференциальных уравнений и численных методов вычислений. Расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств. Экспериментальные исследования выполнены с помощью специализированной контрольно-измерительной аппаратуры в соответствии с нормативными документами на проведение экспериментальных исследований тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей.

Достоверность и обоснованность. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкциях экспериментальных образцов легковых автомобилей, оборудованных КЭСУ, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.

На защиту выносятся результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований гибридных легковых автомобилей малого и особо малого классов, оборудованных КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД, включающие: динамические модели автомобиля, оборудованного КЭСУматематические модели характерных режимов движения автомобиля с гибридной энергетической установкой и механической трансмиссиейметодику расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемыметодику обоснования мощностных показателей электродвигателя «чистого» электромобилярезультаты расчетных исследований, обосновывающих базовые параметры КЭСУ для автомобиля малого и особо малого классоврезультаты экспериментальных исследований созданного гибридного автомобиля малого класса.

Научная новизна. Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель движения автомобиля, оборудованного КЭСУ, отличающаяся от известных учетом упругодемпфирующих свойств трансмиссии и позволяющая более точно проводить расчет показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

2. Впервые разработана комплексная методика расчета и обоснования внешних скоростных характеристик ДВС и ЭД, количества ступеней и передаточных чисел трансмиссии гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для легкового автомобиля малого и особо малого классов.

3. Разработанная методика реализована в виде комплекса программных средств на ПЭВМ, позволяющего выполнять параметрический анализ и синтез базовых параметров КЭСУ легкового автомобиля.

4. Обоснованы наиболее рациональные базовые параметры КЭСУ для гибридного автомобиля особо малого класса (квадрицикла).

5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для автомобилей малого и особо малого классов.

Практическая полезность. Внедрение в практику проектирования разработанной методики, реализованной в виде комплекса программных средств, позволяет, во-первых, обоснованно выбирать базовые параметры КЭСУ параллельной компоновочной схемы, обеспечивающие автомобилю наилучшие эксплуатационные свойства. Во-вторых, возможность проведения исследований влияния различных конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ на эксплуатационные свойства автомобиля позволяет существенно сокращать сроки разработки новых конструкций и объем доводочных испытаний за счет выбора наиболее эффективных конструктивных решений, причем возможно сделать это еще на ранней стадии проектирования.

Реализация результатов. Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования и применяются при разработке новых экспериментальных конструкций гибридных автомобилей, создаваемых в ГОУ ВПО ИжГТУ и ГОУ ВПО МГТУ «МАМИ», а также в учебном процессе при подготовке дипломированных инженеров и магистров в ГОУ ВПО ИжГТУ по специальностям автомобилестроения и в учебном процессе филиала научно-образовательного центра ГОУ ВПО МГТУ «МАМИ» «Автомобильный транспорт с гибридными силовыми установками» при ГОУ ВПО ИжГТУ.

Апробация работы. В период 2003;2006 г. г. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и создании экспериментальных образцов КЭСУ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с подпрограммой «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» [60] (2003;2004 г. г.), в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобразования РФ [62] (2003;2004 г. г.), в рамках договора с Московским государственным техническим университетом «МАМИ» [57, 69] (2005 г.), в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» [61] (2006 г.) и по договору с Московским государственным техническим университетом «МАМИ» в рамках Государственного контракта 2006;РИ-16.0/005/146 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области транспортных технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок» (VIII очередь) [63] (2006 г.).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2003 г.) — на III Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (г. Новочеркасск, 2003 г.) — на II Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономическое развитие России» (г. Пенза, 2003 г.) — на III Международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (г. Тирасполь, 2003 г.) — па VIII Международной конференции «Образование. Экология. Экономика. Информатика» (г. Астрахань, 2003 г.) — на III Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г. Пенза, 2003 г.) — на IV Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2003 г.) — на XV и XVI Международных интернет-конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (г. Москва, института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2003;2004 г. г.) — на VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Москва, 2003 г.) — на II Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (г. Новочеркасск, 2003 г.) — на Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2003;2004 г. г.) — на IV Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2003 г.) — на Международной научной конференции «Анализ и синтез как методы научного познания» (г. Таганрог, 2004 г.) — на Первой заочной электронной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» (г. Москва, 2004 г.) — на Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере» (г. Казань, 2003 г.) — на Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в России» (г. Кузнецк, 2004 г.) — на IV Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства (г. Новочеркасск, 2004 г.) — на Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (г. Волгоград, 2004 г.) — на Всероссийской интернет-конференции с международным участием «Проблемы экологии в современном мире» (г. Тамбов, 2004 г.) — на заочной электронной конференции «Экология промышленных регионов России» (г. Москва, 2004 г.) — на II Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г.

Таганрог, 2004 г.) — на заочных Всероссийских научно-технических конференциях «Современные промышленные технологии» (г. Нижний Новгород, 2004;2005 г. г.) — на 13-ой Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2004 г.) — на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ «Иннов-2005» в рамках П-ой специализированной выставки инноваций в промышленном производстве «Высокие технологии XXI века» (г. Новочеркасск, 2005 г.) — на IV-ой Международной специализированной выставке «Машиностроение. Металлургия. Металлообработка — 2005» (г. Ижевск, 2005 г.).

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ГОУ ВПО ИжГТУ «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» и на кафедре ГОУ ВПО УдГУ «Дизайн промышленных изделий», а также на производственно-технических совещаниях в Управлении главного конструктора и в отделе компьютерных систем и технологий ОАО «ИжАвто».

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография (в соавторстве) — 30 научных статей- 2 тезиса докладоввыпущено 6 отчетов о научно-исследовательских работах, выполненных в соответствии научно-техническими программами Минобрнауки РФ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (109 наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе 164. Основная часть содержит 128 страниц текста, в том числе 19 рисунков и 18 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

1. Для учета влияния упругодемпфирующих свойств трансмиссии па динамику движения заднеприводного гибридного автомобиля с механической ступенчатой коробкой передач при параллельной компоновке ДВС и ЭД, соединенных между собой согласующим редуктором, достаточно применить семимассовую математическую модель движения с четырьмя упругодемпфирующими участками.

2. В КЭСУ с точки зрения повышения топливной экономичности наиболее рационально реализовать параллельную работу маломощного ДВС и ЭД, работающего в режиме генератора или двигателя в зависимости от условий движения. ДВС имеет необходимые мощности на высоких частотах вращения вала для движения с большими скоростями, но обладает плохой динамикой разгона автомобиля. ЭД позволяет компенсировать этот недостаток за счет реализации высоких крутящих моментов на малых частотах вращения выходного вала КЭСУ. Поэтому необходимую дополнительную энергию при разгоне можно получать от накопителя энергии через ЭД, а продолжать движение с постоянными и близкими к ним скоростями (при малых ускорениях) только на ДВС.

3. Разработанная методика расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля позволяет выполнить расчет, обоснование и оптимизацию базовых параметров и характеристик КЭСУ (внешние скоростные характеристики ДВС и ЭД, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии) по множеству показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности, которые рассматриваются как частных критериев оптимальности.

4. Внешняя скоростная характеристика КЭУ существенно отличается от внешней скоростной характеристики ДВС из-за высоких крутящих моментов.

ЭД на малых частотах вращения его вала, которые быстро уменьшаются при переходе в зону высоких частот вращения. Такой характер изменения крутящего момента существенно осложняет выбор и обоснование наиболее рациональных передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии. На начальном этапе создания КЭСУ динамическая характеристика, представляющая собой зависимость динамического фактора автомобиля от его скорости движения, позволяет выбирать для каждой скорости движения передачу трансмиссии, обеспечивающую наилучшие тягово-скоростные свойства гибридному автомобилю.

5. Из-за особенностей внешней скоростной характеристики КЭУ динамичный разгон (разгон за минимально-возможное время) гибридного автомобиля, оборудованного КЭСУ с параллельной компоновочной схемой ДВС и ЭД, практически невозможно реализовать без автоматических систем контроля процесса разгона и переключения передач.

6. При создании гибридного легкового автомобиля массой от 800 до 1100 кг, оборудованного КЭСУ с параллельной компоновочной схемой ДВС и ЭД, достаточно трехступенчатой коробки передач. Переход на трехступенчатую коробку передач позволит, во-первых, уменьшить материалоемкость разрабатываемой КЭСУ, во-вторых, облегчить управление автомобилем.

7. При создании гибридного квадрицикла автомобильного типа класса L7, оборудованного КЭСУ с параллельной компоновочной схемой ДВС и ЭД, ограничение на мощность ЭД во всем диапазоне изменения частоты вращения выходного вала КЭУ определяется в соответствии с формулой Кэд = 15 — ЫдВС, где Ыднс — соответствующая мощность ДВС. В этом случае КЭСУ позволит существенно улучшить тягово-скоростные свойства квадрицикла в сравнении с его аналогом, оборудованном только ДВС. При этом суммарная мощность энергетической установки квадрицикла будет не более 15 кВт, т. е. он будет относиться к транспортным средствам типа L7.

8. Результаты расчетных значений показателей тягово-скоростных свойств по разработанным математическим моделям движения гибридного автомобиля отличаются от экспериментальных значений не более чем на 4,6%. Это говорит о достаточно высокой степени адекватности разработанных программных средств, а следовательно и математических моделей движению реальных гибридных автомобилей.

9. На реальных гибридных автомобилях показано, что применение в конструкциях легковых автомобилей КЭСУ с параллельной компоновочной схемой ДВС и ЭД позволяет в сравнении с автомобилями, оборудованными штатными ДВС, улучшить топливную экономичность до 30% практически без изменения конструкции автомобиля-носителя КЭСУ и уменьшить общие выбросы в атмосферу токсичных составляющих с отработавшими газами на 35 — 40%.

10. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в соответствии:

— с подпрограммой «Транспорт» научно-технической программы Минобрнауки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2004 — 2005 г. г.);

— с грантом по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобрнауки РФ (2003 — 2004 г. г.);

— с аналитической ведомственной целевой программой Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» .