| N-T.ru / Текущие публикации / Техника сегодня |
Механическая гибридная силовая установка как кардинальное решение экономических и экологических проблем коммерческого транспорта в мегаполисеГулиа Н.В. – д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Детали машин» ГОУ МГИУ. Предложен радикальный путь повышения эффективности гибридной силовой установки автомобиля путем применения маховичного накопителя энергии с механическим отбором мощности и механической многодиапазонной бесступенчатой трансмиссии с двукратным разделением потока мощности (супервариатора). Силовая установка нового типа обеспечит снижение расхода топлива в городском цикле на 59...75%. Mechanical hybrid powertrain improvement as a fundamental solution to the economic and environmental problems of commercial vehicles in the metropolisProf. Nurbej Gulia, R&D Director, JSC «Combarco» An ultimate way of hybrid powertrain improvement is proposed with using a flywheel storage unit and a multi-range double power-split variable transmission. Comparing to all known hybrid systems, the flywheel storage offers the highest energy and power density, and the mechanical transmission ensures the best efficiency. New type powertrain offers fuel savings of 59 to 75 per cent.
Эксплуатация автомобильного транспорта в крупных городах сопряжена с множеством проблем. На долю автомобильного транспорта приходится значительная часть общего количества загрязняющих атмосферу города выбросов. Серьезными проблемами также являются производимый транспортом шум и заторы на улицах города. Двигатель внутреннего сгорания, приводящий автомобили в движение уже второе столетие, плохо пригоден для городского цикла. С увеличением загрузки городских улиц средняя скорость движения становится все меньше, а расход топлива и количество токсичных выбросов, наоборот, растут. Создать оптимальный с точки зрения расхода топлива и токсичности отработавших газов режим работы ДВС, а также уменьшить потери энергии при торможении автомобилей могут гибридные силовые установки, разработки которых ведутся во всем мире на протяжении уже многих десятилетий. Основным вектором развития стали электромеханические гибриды, представляющие собой комбинацию двигателя внутреннего сгорания, одной или нескольких электромашин и электрических накопителей – аккумуляторных батарей или суперконденсаторов. Самого громкого коммерческого успеха, пожалуй, добилась компания Toyota с оригинальной гибридной бензоэлектрической силовой установкой Toyota Hybrid Synergy Drive. Toyota Prius, самый массовый из ныне выпускаемых легковых автомобилей с гибридной силовой установкой, обеспечивает снижение среднего расхода топлива на 43% (по данным производителя). Легковой автомобиль этого класса, находящийся в личном пользовании и проезжающий в среднем 20 000 км в год в течение 10 лет, сэкономит 3,44 л на 100 км или 6880 л за весь срок эксплуатации. В ценах начала 2010 года это соответствует экономии 160 тыс. руб, что существенно меньше реального прироста стоимости изготовления, эксплуатации и утилизации гибридной силовой установки по отношению к традиционному ДВС с механической трансмиссией. Легковые автомобили с гибридной силовой установкой могут приобретаться для имиджевых целей, подчеркивая ориентацию владельца на высокие технологии и бережное отношение к окружающей среде. Этим, а также существенными налоговыми льготами в развитых странах, объясняется значительная доля рыночного успеха гибридных автомобилей. Коммерческий транспорт служит для получения прибыли, и никто не станет его эксплуатировать, если это не оправдано сугубо с экономической точки зрения. Большинство известных на сегодняшний день гибридных грузовых автомобилей и автобусов построено по концепции параллельной гибридной схемы, в которой обратимые электромашины кинематически связаны с основной механической трансмиссией. Как утверждают разработчики гибридной силовой установки Volvo I-SAM, параллельная гибридная схема обеспечивает наилучшее соотношение экономии топлива и дополнительных материальных затрат. Экономия топлива при этом получается весьма ограниченной – от 20 до 35%, по данным различных источников. Помимо скромного выигрыша в топливной экономичности, электрические гибриды таят возможные неприятные сюрпризы эксплуатации в суровых российских условиях. Например, тяговые аккумуляторные батареи, и так имеющие ограниченную долговечность, плохо переносят характерные для России низкие температуры и зачастую низкую культуру эксплуатации и технического обслуживания. А их стоимость составляет львиную долю от общей стоимости гибридной силовой установки. Любая серьезная поломка в одночасье сводит на нет выгоду от эфемерной топливной экономии. Суровая российская действительность нуждается в более простых и надежных решениях. Этим решением может стать проверенная временем механика – гибридная силовая установка, базирующаяся на маховике и бесступенчатой, опять же механической, трансмиссии. Идея использования маховика в качестве накопителя энергии далеко не нова – более полувека назад швейцарская компания «Эрликон» серийно выпускала автобус с маховичным накопителем (гиробус). Строго говоря, упомянутый гиробус нельзя назвать гибридом, тем более механическим. По технической сущности это электромобиль, требующий периодической подзарядки от сети, только запасающий энергию не в химическом (аккумуляторы) или электрическом (суперконденсаторы), а в механическом виде. Потенциал связки «ДВС-маховик-бесступенчатая механическая трансмиссия» был экспериментально проверен проф. Гулиа еще в 1966...73 годах на автомобиле УАЗ-450 и автобусе ЛАЗ-695 (Н.В. Гулиа, Накопители энергии, М.: Наука, 1980). Даже кустарно выполненные гибридные силовые агрегаты на базе дискретного ленточного вариатора позволили добиться снижения расхода топлива на 45%, а также снижения вредных выбросов в атмосферу в среднем в 3 раза. Чтобы передать энергию маховику при рекуперативном торможении автомобиля и отобрать ее обратно при разгоне, требуется трансмиссия с очень высоким КПД – ведь поток энергии проходит через нее дважды. КПД передачи энергии в электромеханических гибридных силовых установках не превышает 0,75 даже в самых благоприятных режимах. Это означает, что КПД передачи энергии в накопитель и обратно составит не более 0,56. С ростом мощности потери в электрических звеньях гибрида резко возрастают. Это приводит к тому, что в самых востребованных режимах динамичного замедления с высоких скоростей эффективность гибрида становится совсем низкой. Опыт эксплуатации того же Toyota Prius подтверждает тезис – наибольшая экономия топлива достигается при плавных ускорениях и замедлениях. Потери энергии в механической трансмиссии гораздо меньше зависят от нагрузки, причем КПД наоборот, растет с увеличением нагрузки. Пожалуй, единственной зарубежной компанией, продвигающую верную концепцию, является английская компания Flybrid. Компания готовила прототип системы рекуперации кинетической энергии (KERS) на базе маховичного накопителя и механической трансмиссии для использования в гоночных автомобилях «Формулы-1», однако в действии система так и не была продемонстрирована. Возможно, подвел вариатор торового типа, на базе которого трансмиссия была построена. Так или иначе, Flybrid вернулась к паллиативному варианту – маховичному накопителю с электрической передачей, который унаследовал существенную долю недостатков электрических гибридных силовых установок. Широкодиапазонная бесступенчатая трансмиссия является ключевым звеном механического гибрида. Для эффективного использования преимуществ маховичного накопителя необходима механическая передача с диапазоном варьирования передаточного отношения не менее 20. Механические фрикционные вариаторы обеспечивают эффективный диапазон варьирования не более 6, поэтому для получения большого диапазона регулирования вариаторы объединяют с зубчатыми передачами в сложные схемы с разделением потока мощности. Партнер Flybrid, компания Torotrak, разработала двухдиапазонную схему трансмиссии на базе торового вариатора. Торовый вариатор, как и многие другие конструкции вариаторов, обладают весомым недостатком – невозможностью передачи больших мощностей. В противном случае фрикционные вариаторы уже заняли бы нишу трансмиссий не только легкового, но и коммерческого транспорта. А двух диапазонов трансмиссии Flybrid для достижения требуемых показателей недостаточно. Трех- и четырехдиапазонные схемы трансмиссии компаний General Motors и Daimler, известные по патентным материалам, крайне сложны для практической реализации. Дисковые планетарные вариаторы, разработанные профессором Н.В. Гулиа, как нельзя лучше подходят для создания гибридного транспортного средства с маховичным накопителем. Они имеют высокий КПД и модульную конструкцию, позволяющую достигать до 1000 кВт передаваемой одним агрегатом мощности. Конструкция вариаторов уже опробована в промышленном электроприводе: российская компания «Комбарко» подготавливает к серийному производству модели малой мощности.
Рис. 1. Макет супервариатора На базе планетарного дискового вариатора возглавляемый Н.В. Гулиа коллектив создал простую и компактную четырехдиапазонную трансмиссию с двукратным разделением потока мощности – супервариатор. За счет двукратного разделения потока мощности, новая трансмиссия имеет очень высокий КПД (свыше 0,95) практически во всем диапазоне передаточных отношений. Этот диапазон составляет 38, достаточную для механической гибридной силовой установки величину. Макет супервариатора (рис. 1) был изготовлен и испытан, его теоретические преимущества были экспериментально подтверждены.
Рис. 2. Компоновка шасси автобуса средней вместимости с механической гибридной силовой установкой Для экспериментальной проверки концепции упомянутым коллективом разработаны концепции механических гибридных силовых установок для развозных грузовых автомобилей и городских автобусов средней вместимости, полной массой до 8000 кг, а также для грузовых автомобилей и микроавтобусов полной массой до 3500 кг. Компоновка шасси автомобиля с гибридной силовой установкой представлена на рис. 2. Основными агрегатами гибридной силовой установки являются двигатель внутреннего сгорания, супервариатор и маховичный накопитель. Двигатель внутреннего сгорания кинематически связан с маховичным накопителем, и оба этих агрегата связаны с ведущими колесами автомобиля посредством супервариатора, бесступенчатой механической передачи, способной изменять передаточное отношение в диапазоне от 17,4 до 0,46 (при передаточном числе главной передачи 4,55). Для привода различных агрегатов (модификации шасси для строительных и коммунальных машин) на супервариатор может быть установлена коробка отбора мощности. Стартер-генератор служит для электроснабжения бортовой сети автомобиля, а также для первоначального запуска маховика после длительной (свыше суток) стоянки. При движении с малыми скоростями и во время остановок вспомогательные потребители (климатическая установка, усилитель руля) отбирают энергию у маховичного накопителя. В режиме малых и средних нагрузок (установившееся движение) мощность через супервариатор передается от маховика к ведущим колесам. ДВС периодически включается, заряжая маховик энергией на режимах с малым удельным расходом топлива (1200...1800 об/мин). При кратковременных высоких нагрузках (разгон, преодоление подъема) двигатель работает непрерывно, в паре с маховиком развивая необходимую для движения мощность. При торможении ДВС выключается, а кинетическая энергия автомобиля передается через супервариатор в маховик. При движении с высокой скоростью или длительными высокими нагрузками (загородное движение с максимальной скоростью, затяжной подъем) маховик отсоединяется от двигателя, а двигатель работает в режиме высокой мощности (1800...2600 об/мин). Агрегаты механической гибридной силовой установки (супервариатор, маховичный накопитель) увеличивают снаряженную массу шасси приблизительно на 200 кг. Маховичный накопитель массой около 100 кг закрепляется на раме посредством упругого подвеса вблизи центра масс автомобиля и не оказывает существенного влияния на его устойчивость и управляемость, что было подтверждено многочисленными экспериментами [Н.В. Гулиа, Инерционные двигатели для автомобилей, М.: Транспорт, 1974]. Запасенная в маховике энергия используется на 80%. Этим он выгодно отличается от применяемых на электрических гибридных автомобилях аккумуляторов, более высокая энергоемкость которых нивелируется ограниченной глубиной разряда. У маховика не ограничена не только доля используемой энергии, но и мощность. Опять же, в отличие от электрических батарей, высокая мощность, отбираемая от маховика или запасаемая в нем, не приводит к росту потерь энергии или снижению долговечности. В целях экономического обоснования работы было произведено сравнительное математическое имитационное моделирование движения гибридного автобуса и автобуса с традиционной силовой установкой в городском цикле. Моделирование производилось на ЭВМ, программа моделирования написана в среде разработки программ Delphi. В качестве исходного транспортного средства был выбран автобуса средней вместимости полной массой 8000 кг с дизельным двигателем и 6-ступенчатой механической трансмиссией. Моделирование проводилось в двух режимах движения:
Исходные данные и результаты моделирования представлены в Приложении 1. В режиме движения с малой скоростью расход топлива автобуса с дизельным двигателем и традиционной механической 6-ступенчатой трансмиссией составил 47 л на 100 км. Расход топлива аналогичного автобуса с дизельным двигателем, супервариатором и маховичным накопителем в этом же режиме составил 11,7 л на 100 км, на 75% меньше, чем у исходного автобуса. Столь значительное преимущество гибридного автобуса объясняется тем, что его двигатель периодически включается для подзарядки маховика и работает в режиме, оптимизированном по удельному расходу топлива. Расход топлива автобуса с дизельным двигателем и традиционной механической 6-ступенчатой трансмиссией в предложенном ездовом цикле составил 27,9 л на 100 км, из них около 2,5 л на 100 км составил приведенный к пробегу расход в режиме холостого хода. Расход топлива аналогичного автобуса с дизельным двигателем, супервариатором и маховичным накопителем в этом же ездовом цикле составил 11,5 л на 100 км, что на 59% меньше, чем у исходного автобуса. Пиковая мощность двигателя снизилась на 66%. Расход топлива на привод вспомогательного оборудования гибридного (климатической установки, усилителя руля) также может быть снижен приблизительно на 45%. Например, мощность, затрачиваемая на привод компрессора кондиционера, составляет около 5% номинальной мощности двигателя. Согласно типовым многопараметровым характеристикам, удельный расход топлива в этом режиме превышает минимальный примерно вдвое. Применение маховичного накопителя позволяет запасать энергию в режиме минимального удельного расхода, при этом её потери, благодаря механической связи ДВС и маховичного накопителя, не превысят 10%. Моделирование различных кинематических схем гибридного привода с маховичным накопителем показало, что расход топлива снижается быстрее, чем растет КПД трансмиссии от маховика к колесам. Это объясняется тем, что потери энергии при рекуперации определяются КПД трансмиссии, возведенным в квадрат, а количество рекуперированной за цикл энергии составляет значительную величину (137% от количества энергии, выработанной двигателем за тот же цикл). Алгоритм включения двигателя автобуса с супервариатором и маховичным накопителем в настоящее время подвергается оптимизации. В проведенном моделировании двигатель включался в процессе разгона и обеспечивал подзарядку маховика таким образом, чтобы при последующем рекуперативном торможении энергия маховика в момент остановки автомобиля была такой же, как и в начале цикла. По этой причине эквивалентный расход топлива в цикле равен расходу топлива двигателем и нет необходимости учитывать изменение энергии маховика. Математическое моделирование подтвердило гипотезу о значительной топливной экономичности гибридной силовой установки с маховичным накопителем и механической бесступенчатой передачей с разделением потока мощности. Внедрение механической гибридной силовой установки с маховичным накопителем на коммерческом транспорте принесет следующие выгоды: Снижение эксплуатационных расходов. Наименьшее снижение расхода топлива в 59%, которое гибридный автомобиль обеспечит в интенсивном ездовом цикле, составит 16,4 л на 100 км. При годовом пробеге 100 000 км в год и сроке службы автобуса 10 лет экономия на топливе составит около 320 тыс. руб. в год или 3,2 млн руб. за весь срок службы автомобиля (в ценах начала 2010 года). Поскольку интенсивный ездовой цикл представляет собой идеализированный режим, а расчетная экономия топлива при самом неблагоприятном режиме движения в условиях затора составила 75%, средняя экономия на топливе будет находиться в указанных пределах. В отличие от аккумуляторов электромеханических гибридов, маховичный накопитель не требует обслуживания и может иметь практически неограниченную долговечность, определяемую только запасом подшипниковых узлов по несущей способности. У гибридного автобуса значительно увеличится долговечность тормозных механизмов и двигателя. Уменьшение количества вредных выбросов. В составе гибридной силовой установки двигатель внутреннего сгорания работает в режиме минимального удельного расхода топлива. В случае использования на гибридном автомобиле дизельного двигателя в городском режиме движения исключаются режимы полной нагрузки, которые обычно сопровождаются повышенным выделением твердых частиц и окислов азота, и режимы холостого хода, сопровождающиеся повышенным выделением углеводородов. Технически осуществима возможность движения на малые расстояния, например, в закрытых помещениях, без включения ДВС. Снижение уровня шума. Транспортные средства производят особенно много шума при интенсивном разгоне, например, при одновременном старте потока со светофора. Как видно из рис. 3,4 приложения 1, транспортное средство с маховичным накопителем требует меньшей мощности двигателя внутреннего сгорания, как максимальной, так и средней. А это значит, что уровень шума, производимый гибридом, может быть существенно снижен. Еще одним достоинством маховичного накопителя с супервариатором является то, что он может приводить вал отбора мощности, который используется в строительных и коммунальных машинах для привода, например, гидронасосов подъемных механизмов. В процессе работы этих механизмов двигатель внутреннего сгорания создает значительный шум, работая на повышенных частотах вращения. В ряде случаев это создает неудобства – например, при работе мусоровозов в жилых кварталах в утренние часы. Использование гибридной силовой установки с маховичным накопителем решит эту проблему – маховик будет заряжаться при движении автомобиля, а при погрузке мусора бесшумно приводить в движение гидронасос подъемника. Повышение средней скорости движения. Как показало математическое моделирование, для обеспечения приемлемой в городских условиях динамики разгона грузовые автомобили и автобусы должны иметь гораздо более мощный двигатель, чем они оснащены на самом деле. Например, для обеспечения интенсивности разгона 1 м/с2 вплоть до скорости движения 60 км/ч необходима пиковая мощность 155 кВт. Автобусы этого класса имеют двигатели мощностью не более 130 кВт, поэтому не в состоянии обеспечить заданную интенсивность разгона. Маховик с супервариатором позволяют получить необходимую суммарную мощность силовой установки даже при меньшей мощности двигателя внутреннего сгорания. Поскольку значительная часть энергии торможения возвращается в накопитель, движение с интенсивным разгоном и торможением становится допустимым с точки зрения топливной экономичности. Повышение средней скорости при этом позволит не только повысить объем перевозок каждым транспортным средством, но и будет полезным для решения проблем с заторами, поскольку гибридные грузовые автомобили и автобусы будут создавать меньше помех в условиях динамичного городского движения. Приложение 1.
|
|
Дата публикации: 7 июня 2010 года |
|