Розділ 3
3.1. Загальний опис методики теоретичного дослідження
Основним завданням теоретичного дослідження є порівняння показників паливної економічності та токсичності ДВЗ та гібридної силової установки, у якій використовується цей же двигун. Розрахунок даних показників проведено на основі моделювання випробувань двох однакових автомобілів, на одному з яких встановлено двигун VW 1.9 R4 TDI, що самостійно приводить автомобіль у рух, а інший має гібридну силову установку на базі цього двигуна. Конструкція установки відповідає описаній у розділі 1.
Для оцінки паливної економічності і характеристик токсичності двигуна VW 1.9 R4 TDI та гібридної силової установки на його базі застосовано математичні моделі руху автомобіля за змішаним європейським їздовим циклом (ECE+EUDC test cycle), який складається з чотирьох міських (ECE) та одного позаміського (EUDC) сегментів. Цей їздовий цикл використовується для сертифікації легкових автомобілів у ЄС відповідно до директиви EEC 90/C81/01. Графічно він зображений на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Змішаний європейський їздовий цикл
Змішаний європейський їздовий цикл – це послідовність режимів, що моделюють простій автомобіля з працюючим двигуном, розгін, рух з постійною швидкістю та гальмування. Сукупність їх приблизно відповідає руху автомобіля в умовах міста (міські сегменти) та за містом (позаміський сегмент). Відповідно, за даними, отриманими при випробуванні автомобіля за цим циклом, можна оцінювати показники паливної економічності та токсичності в реальних умовах експлуатації.
Математична модель руху автомобіля з дизелем за змішаним їздовим циклом, за допомогою якої проведено теоретичне дослідження ДВЗ для випадку самостійного приведення ним у рух автомобіля, розроблена асистентом кафедри технічної експлуатації автомобілів та автосервісу Національного транспортного університету Павловським М. В. Вона дозволяє розрахувати показники паливної економічності (секундну витрату палива для будь-якої точки циклу та сумарну для кожного процесу і циклу в цілому) та токсичності (концентрацію СО у відсотках, СmHn, NOx у одиницях на мільйон та С у одиницях коефіцієнту поглинання для будь-якої точки циклу, сумарну їх масу за кожен процес і для циклу в цілому, а також масові викиди на 100 км).
Для теоретичного дослідження комбінованої гібридної силової установки, описаної у розділі 1, при русі автомобіля за змішаним їздовим циклом на базі описаної вище математичної моделі розроблена власна, яка враховує взаємодію між ДВЗ та електродвигунами, дозволяє, крім показників паливної економічності та токсичності, розрахувати параметри роботи електродвигунів, а також спожитий та генерований ними струм.
Вихідними даними для розрахунку за математичною моделлю руху автомобіля з дизелем є:
власна маса автомобіля;
маса вантажу;
момент інерції двигуна;
момент інерції колеса;
динамічний радіус колеса;
передаточні числа коробки передач та головної передачі;
ККД трансмісії;
коефіцієнт опору коченню з урахуванням опору повітря;
коефіцієнт обтічності автомобіля;
густина повітря;
площа поперечного перерізу автомобіля;
характеристики палива.
У розрахунках використовуються коефіцієнти регресії, визначені для даної конкретної моделі двигуна (VW 1.9 R4 TDI ). Приклад розрахунку за даною математичною моделлю наведено у додатку 3.
Вихідними даними для математичної моделі руху автомобіля з дизель-гібридною силовою установкою, крім зазначених вище, є також параметри планетарної передачі (числа зубів сонячної шестерні та сателітів, на основі яких розраховується число зубів коронної шестерні та коефіцієнти, що характеризують передаточні відношення), а також ККД електродвигунів.
Важливим моментом при використанні цих двох математичних моделей для порівняльного аналізу показників паливної економічності та токсичності дизеля та гібридної силової установки на його базі є те, що гібридна установка, конструкція якої описана у розділі 1, має безступінчасту механічну трансмісію (її функцію виконує планетарна передача), а модель руху автомобіля з дизелем передбачає використання механічної 5-ступінчатої коробки передач. Тому при моделюванні руху автомобіля за їздовим циклом ділянки розгону будуть відрізнятися (див. рис. 3.2). Для забезпечення приблизної відповідності між цими двома математичними моделями взято однакові проміжки часу, відведені для розгонів.
Рис. 3.2. Ділянки розгону при застосуванні механічної 5-ступінчатої та безступінчастої (позначені червоним) трансмісії на прикладі міського сегменту їздового циклу
Слід також зазначити, що математичні моделі, використані для проведення теоретичного дослідження, як і будь-які моделі, враховують не всі параметри, що впливають на результат, а також містять деякі припущення і спрощення. Зокрема у розробленій математичній моделі руху автомобіля з дизель-гібридною силовою установкою за змішаним їздовим циклом не враховані моменти інерції електродвигунів і ККД передач у планетарній трансмісії, а також ККД батареї і втрати при її заряджанні. Прийнято, що ККД електродвигунів у режимі двигуна та генератора однаковий, а їх крутний момент змінюється миттєво. Але в цілому вказані припущення та спрощення не здатні вплинути на кінцевий результат настільки суттєво, щоб за ним не можна було оцінити покращення паливної економічності і зниження токсичності ДВЗ при роботі його у складі гібридної силової установки.