КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

УДК 629.113

Разработано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования2010 г. по специальности 23.05.01 "Наземные транспортно-технологические средства" (специализация № 1 "Автомобили и тракторы") на основе рабочих программ дисциплин "Конструкция автомобиля и трактора", "Автомобили и тракторы", "Конструирование и расчёт автомобиля", "Конструирование и расчёт трактора", "Проектирование автомобилей", "Проектирование тракторов".

Рецензенты:

директор Центра "Оценка соответствия колёсных транспортных средств и их компонентов" ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ"

к.т.н. А.И. Щепкин

зав. каф. "Гидравлика" Университета машиностроения к.т.н., профессор А.В. Лепёшкин

Работа подготовлена на кафедре"Автомобили и транспортнотехнологические системы".

Е.Е. Баулина, С.В. Бахмутов, А.В.Круташов, И.А. Куликов, В.В. Серебряков, А.И. Филонов. Комбинированные энергетические установки транспортных средств. - М: Тракторы и сельхозмашины, 2014. – 105 с.

В учебном пособии изложена терминология, связанная с комбинированными энергетическими установками (КЭУ) транспортных средств. Представлены классификация КЭУ, конструктивные исполнения КЭУ с различными схемами передачи энергии, изложено описание конструкций механических трансмиссий транспортных средств с КЭУ, а также конструктивные варианты расширения функциональных возможностей КЭУ.

УДК 629.113

ББК

©Е.Е. Баулина, С.В. Бахмутов, А.В.Круташов, И.А. Куликов, В.В. Серебряков, А.И. Филонов,

©Тракторы и сельхозмашины, 2014

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.2. Конструктивное исполнение КЭУ с параллельной схемой передачи

3.4. Конструктивное исполнение КЭУ с последовательно-параллельной

4.1. КЭУ СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА ВАЛУ

4.2. КЭУ С ПОЛНОРАЗМЕРНЫМ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ,

5.2. Управление распределением тяги с использованием электрических

3

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АКП – автоматическая коробка передач, БАБ – блок аккумуляторных батарей, БАУ – блок автоматического управления,

БПУ – блок преобразования энергии и управления, БСК – блок силовой коммутации, ДВС – двигателя внутреннего сгорания, ГСС – гибридная силовая система, ГСУ – гибридная силовая установка,

ГТЭС – гибридная тягово-энергетическая система, ГЭС – гибридная энергетическая система, ГЭСУ – гибридная энергосиловая установка, ГЭУ – гибридная энергетическая установка,

КПУ – комплект преобразования энергии и управления, КСС – комбинированная силовая система, КСУ – комбинированная силовая установка,

КЭС – комбинированная энергетическая система, КЭУ – комбинированная энергетическая установка, МПК – микропроцессорный контроллер, ОГ – отработавшие газы, ОЭМ – обратимая электрическая машина,

СКУ – системе курсовой устойчивости, СТЭО – система тягового электрооборудования, ТС – транспортное средство, ТЭД – тяговый электродвигатель,

ХМУР – характеристика минимальных удельных расходов топлива ДВС, ПБС – противобуксовочная система,

ПУ – пульт управления, ЭД – электрический двигатель,

ESP (Eleсtronic Stability Program) – система обеспечения курсовой ус-

тойчивости.

4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время мировой парк автомобилей насчитывает более миллиарда единиц. В среднем в мире на каждую тысячу жителей приходится порядка 150 автомобилей. В европейских странах и Японии насыщенность парка составляет 500 – 600 автомобилей на тысячу жителей, а в таких странах, как США, Канада, Новая Зеландия достигает 750 автомобилей на тысячу жителей. В Российской Федерации на 2007 год парк автомобилей составлял32,4 млн., а насыщенность парка порядка 220 автомобилей на тысячу жителей, что существенно меньше, чем в европейских странах, Японии или США. Однако уже сейчас возникают большие проблемы, связанные с увеличением парка автомобилей. Особенно остро они проявляются в крупных городах, например, в Москве, где на тысячу жителей приходится247 автомобилей [17].

Наибольшие проблемы, создаваемые автомобилем, связаны с установкой на нём двигателя внутреннего сгорания(ДВС). Одним из основных его недостатков, на который в настоящее время обращают особое внимание, является выделение токсичных веществ, содержащихся в отработавших газах (ОГ), что связано с применяемым топливом и особенностями рабочего процесса ДВС. Современное состояние науки и техники не позволяет существенно снижать токсичность ОГ ДВС без применения вспомогательных устройств.

Необходимо отметить, что в настоящее время на автомобиле не существует альтернативного источника механической энергии двигателю внутреннего сгорания. Попытки применить электрический двигатель (ЭД) пока не привели к практическим результатам, так как в настоящее время не существует дешёвых и легких накопителей электрической энергии. Кроме того, если оценивать эффективность всего цикла получения электрической энергии от её источника(ГЭС, ТЭЦ, АЭС) и до привода автомобиля в движение, то КПД такой системы может оказаться меньше, чем у ДВС. Применение на автомобилях водорода также не нашло широкого распространения в силу ряда недостатков. Поэтому пути решения проблемы нужно искать в оптимизации алгоритмов работы традиционного силового агрегата.

Количество вредных выбросов связано с количеством топлива, потребляемого ДВС. Таким образом, снижение путевого расхода топлива автомобиля может привести к снижению токсичности ОГ автомобиля.

5

Дальнейшее существенное повышение топливной экономичности ДВС (т.е. снижение его удельного расхода топлива) практически невозможно. Топливную экономичность автомобиля можно несколько повысить, если обеспечить работу ДВС в режиме минимальных удельных расходов топлива (по характеристике минимальных удельных расходов (ХМУР)) с обеспечением минимальной токсичности выхлопных газов, сохраняя при этом все необходимые показатели производительности транспортной единицы. В этом случае скорость автомобиля может регулироваться за счёт изменения передаточного числа трансмиссии, которое задаётся водителем. Такой способ регулирования применяется на автомобилях с механическими бесступенчатыми трансмиссиями.

Кроме того, повышение топливной экономичности возможно за счёт использования накопленной кинетической энергии автомобиля при его торможении, что возможно с помощью механических или электрических аккумуляторов. Во втором случае имеет место двойное преобразование энергии: механическая – в электрическую, электрическая – в механическую.

Совместить работу ДВС по характеристике минимальных удельных расходов и использовать рекуперацию кинетической энергии возможно применением на автомобиле комбинированной энергетической установки (КЭУ)1. Автомобили с КЭУ отличаются от традиционных наличием, как минимум, двух двигателей (ДВС и электрического), преобразующих в механическую разные источники энергии и работающих по определённому алгоритму.

Серийное производство автомобилей с КЭУ началось в1997 году. Расширяется круг производителей, охватывая большинство веду-

щих фирм, включая такие как Toyota, Lexus, Honda, Citroёn, Audi и

др. Труднее назвать фирму, не имеющую в своей производственной программе автомобиль подобного типа или не заявившую о своих намерениях начать разработку и производство автомобиля с КЭУ.

В 2006 г. в Японии было продано 90410 автомобилей с КЭУ, что на 47,6% больше, чем в 2005 г. В 2006 году продажи автомобилей с КЭУ в США выросли на22% в сравнении с 2005 годом и занимали 1,5% рынка новых легковых автомобилей. В 2007 году продажи автомобилей с КЭУ в США выросли на 38% в сравнении с 2006 годом и занимали уже 2,15% рынка новых легковых автомобилей. Столь быстрые темпы роста производства можно объяснить тем, что автомо-

1 Причину применения этого термина, а также его определение см. в разделе 1.

6

били с КЭУ обладают рядом достоинств и в ближайшее время могут существенно потеснить на рынке традиционные автомобили.

Наиболее перспективно применение автомобилей с КЭУ в крупных городах с большим автомобильным парком. КЭУ могут устанавливаться на городских автобусах, легковых автомобилях, развозных грузовиках. Кроме того, применение КЭУ целесообразно и для военной техники, т.к. повышается запас хода автомобиля и обеспечивается движение с минимальными тепловыми и шумовыми излучениями.

7

1.АНАЛИЗ ТЕРМИНОЛОГИИ

Всвязи с тем, что автомобили с КЭУ появились относительно недавно, терминология по ним пока не стабилизировалась. Т.к. большинство терминов пришло в русский язык из иностранной печати, в отечественной литературе встречаются разные переводы их ,исоответственно, разные термины. Чтобы установить единообразное понимание содержания настоящего учебного пособия, целесообразно проанализировать трактовку применяемых терминов и выделить предпочтительные.

Внастоящее время в технической литературе используется -це лый ряд терминов для обозначения систем обеспечения энергетических потребностей транспортных средств, использующих ДВС и электродвигатель:

–гибридная силовая установка (ГСУ);

–комбинированная энергетическая установка (КЭУ);

–гибридная энергетическая установка (ГЭУ);

–гибридная энергосиловая установка (ГЭСУ);

–гибридная силовая система (ГСС);

–гибридная энергетическая система (ГЭС);

–гибридная тягово-энергетическая система (ГТЭС);

–комбинированная силовая установка (КСУ);

–комбинированная силовая система (КСС);

–комбинированная энергетическая система (КЭС) и т.д. [8, 19, 22, 23, 33, 37, 38, 40, 43, 46, 47, 49].

Как видно из приведённого перечня, используются только два термина, определяющих, что это: установка или система. Оба термина имеют приблизительно одинаковое значение: установка – это установленный или смонтированный где-нибудь механизм, приспособление или система механизмов, приспособлений [21]. Система – это устройство, структура, представляющие собой единство взаимно связанных частей [35].

Вслучае комбинации двух источников энергии скорее подходит термин "система", как совокупность устройств, объединённых общностью выполняемой функции в рабочем процессе, но не представляющих собой единого узла[9]. Например, тормозная система – все элементы служат для торможения, система питания – все элементы для питания, система смазки, система зажигания, система впрыскивания… При комбинации на автомобиле двух источников энергии и двух двигателей "общность выполняемой функции" есть не всегда: в

8

тяговом режиме вся система работать может, с целью экономии топлива вся система работать может, но работу всей системы в тормозном режиме можно обеспечить не всегда. Но если считать "общностью выполняемой функции" экономию топлива и снижение токсичности отработавших газов, то однозначно подходит термин"система".

Термин "установка" в автомобилестроении практически не используется, используется термин "агрегат", например, "силовой агрегат". Терминам "силовая установка" и "двигатель" дано одно и то же определение [9], следовательно, термин "силовая установка" характеризует только двигатель.

Однако, в мировой практике термин "установка" распространён довольно широко: судовая энергетическая установка, ядерная энергетическая установка, гравитационно-тепловая энергетическая установка, газотурбинная энергетическая установка, солнечная энергетическая установка. По определению "энергетическая установка – электрическая, тепловая или иная установка, предназначенная для производства, передачи, трансформации, распределения энергии (электрической, тепловой или энергии иного вида) и/или преобразования ее в другие виды энергии".

В связи с изложенным, для транспортных средств, использующих ДВС и электродвигатель, целесообразно использовать термин

установка.

При определении, какая это установка, также используются два прилагательных: гибридная и комбинированная, причём первое встречается значительно чаще.

Гибридный, гибрид – от греческого hybris – означает помесь, организм, полученный скрещиванием животных или растений. Таким образом, этот термин правомочен в отношении только живых организмов и вряд ли подходит к определению механических устройств.

Термин "гибридный" попал в русский язык путём буквального перевода английского слова"hybrid", которое в английском языке имеет второе значение– "что-либо, составленное из разнородных элементов". В технике встречаются такие термины, как "гибридная вычислительная машина", "гибридная интегральная схема", "гибридный реактивный двигатель" [28], но вероятно, они попали в русский язык аналогичным образом. Поэтому, по мнению авторов, термины "гибридная установка", "гибридный автомобиль" не совсем правильно отражают особенности такого автомобиля.

9

Комбинированный, комбинация – от латинского combinatio – сочетание, соединение в определённом порядке. В технике комбинация – это комплекс разнородных машин и механизмов. В рассматриваемом случае имеет место сочетание двух источников энергии и двух двигателей, поэтому, по мнению авторов, установку следует на-

зывать комбинированной.

Вкачестве второго определения установки используются прилагательные силовая, энергетическая, энергосиловая и тяговоэнергетическая.

Врассматриваемом случае основным отличием комбинированной установки является то, что она использует (сочетает) два вида преобразуемой энергии – тепловую и электрическую, поэтому её сле-

дует называть энергетической.

Резюмируя изложенное, по мнению авторов, следует пользоваться термином КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА и абревиатурой КЭУ.

Определения этому термину, приведённые в периодической и научной литературе [9, 23, 37, 38, 39, 43, 46, 47, 49] имеют небольшие расхождения, но описывают основные признаки КЭУ: два источника энергии, два (или более) двигателя, рекуперация энергии. На основании проведённого анализа термину КЭУ целесообразно дать - сле дующее определение: КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА автомобиля – совокупность агрегатов и устройств, имеющая не менее двух двигателей, преобразующих в механическую различные виды энергии для обеспечения его движения.

Автомобили, оснащённые такой совокупностью агрегатов, следует называть автомобилями с комбинированной энергетической установкой (автомобилями с КЭУ).

Однако в отечественной литературе автомобили с КЭУ часто называют гибридными. В связи с тем, что термин "гибридный автомобиль" уже получил достаточно широкое распространение, например,

врусском тексте Правил ЕЭК ООН № 83 и №101 дано определение понятиям "гибридное транспортное средство", "гибридный электромобиль" [25, 26]. Появление этих терминов в Правилах ЕЭК ООН №83 и №101 связано с тем, что первоначальный текст этих документов был разработан на английском языке. В работе [9] дано определение понятию "гибридный автомобиль". Таким образом, автомобили с КЭУ, не желательно, но допустимо, в некоторых случаях, называть "гибридными".

10