Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Влияние автомобильного транспорта на окружающую среду в России 11
1.2. Обзор работ по силовым приводам автомобилей 14
1.3. Перспектива применения автомобилей с комбинированными энергосиловыми установками 24
1.4. Анализ рынка легковых автомобилей 29
1.5. Постановка цели и задач диссертационной работы 41
Глава 2. Выбор рациональной схемы комбинированной энергосиловой установки для легкового автомобиля 42
2.1. Комбинированная энергосиловая установка с последовательным соединением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя 42
2.2. Комбинированная энергосиловая установка с параллельным соединением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя 45
2.3. Выбор рациональной схемы 50
Глава 3. Математические модели динамики автомобиля, оборудованной комбинированной энергосиловой установкой с паралеллельным соединением двс и электродвигателя 52
3.1. Выбор и обоснование схемы динамической модели автомобиля с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией 52
3.2. Математические модели характерных режимов работы автомобиля с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией 55
3.3. Математические модели автомобиля с комбинированной энергосиловой установки ременным согласующим редуктором 72
Глава 4. Расчетные исследования разрабатываемой комбинированной энергосиловой установки легкового автомобиля 80
4.1. Выбор и обоснование основных конструктивных и мощностных параметров и характеристик 80
4.2. Обоснование наиболее рационального алгоритма управления выбранными ДВС и электродвигателем 91
4.3. Расчетные исследования топливо-скоростных свойств 97
4.4. Особенности расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии 100
4.5. Кинематический и силовой расчет планетарного согласующего редуктора 106
4.6. Динамика согласующего редуктора в составе комбинированной энергосиловой установки 115
Глава 5. Экспериментальные исследования 124
5.1. Адекватность разработанных математических моделей работе реального автомобиля 124
5.2. Разработка и экспериментальные исследования легкового автомобиля с комбинированными энергосиловыми установками 131
Заключение и выводы 150
Литература 153
Приложение А.
- Обзор работ по силовым приводам автомобилей
- Комбинированная энергосиловая установка с параллельным соединением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя
- Математические модели характерных режимов работы автомобиля с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией
- Обоснование наиболее рационального алгоритма управления выбранными ДВС и электродвигателем
Введение к работе
Актуальность проблемы. Автомобили, оборудованные двигателями
внутреннего сгорания (ДВС), расходуют большое количество моторного топлива и выбрасывают в окружающую среду вредные вещества с отработавшими газами. Особенно остро стоит проблема экологии в крупных городах и около автомагистралей. При этом рост выбросов от автомобильного транспорта происходит опережающими темпами, и его доля в выбросах вредных веществ транспортного комплекса составляет 89%.
Повышающиеся требования к топливной экономичности и экологической безопасности автомобиля заставляют конструкторов искать нетрадиционные решения этой проблемы.
Одним из эффективных направлений в решении указанных проблем является применение электропривода в конструкциях автомобиля. В последние годы четко обозначились два направления развития автомобилей 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 (КЭУ), состоящих из двух двигателей (обычно ДВС и электродвигатель) и накопителя энергии.
Возможны два конструктивных решения таких КЭУ - установка двигателей последовательно или параллельно.
Комбинированными энергосиловыми установками (КЭСУ), состоящих из КЭУ и различного типа силового привода, занимаются ряд известных фирм, но до настоящего времени нет автомобиля, выпускаемого крупными сериями, т.е. работы в основном ведутся на стадии теоретических и опытно-
конструкторских разработок. Следует отметить важность проведения
исследований по данной тематике с точки зрения конкурентоспособности нашей страны по данному направлению, т.к. за рубежом мелкосерийное производство таких автомобилей в настоящее время уже начинается, например, фирма Toyota продает автомобили с КЭСУ в Японии и Калифорнии [37], а фирма Honda планирует продавать гибридные автомобили в Европе [98]. В [111] говорится о французской разработке и начале продажи в 2002 году полноприводного гибридного автомобиля «Рено Колеос».
КЭСУ позволяют более эффективно использовать энергию при выполнении заданного объема работ. В связи с этим, данное научное направление перспективно.
Цель диссертационной работы. Исходя из состояния вопросов разработки новых конструкций энергосиловых установок, тенденций и перспектив их развития, основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка метода обоснования выбора параметров конструкции КЭСУ легкового автомобиля параллельной компоновочной схемы ДВС и электродвигателя, работающих на один выходной вал.
Научную новизну работы составляют: разработка метода выбора наиболее рациональных конструктивных и мощностных параметров комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС и электродвигателя, работающих на один выходной вал; разработка математических моделей движения автомобиля, оборудованного КЭСУ; разработка конструктивной схемы бесступенчатой электромеханической трансмиссии для легкового автомобиля и проведении анализа ее динамики работы; обоснование наиболее рационального алгоритма управления КЭСУ; разработка рекомендаций по созданию КЭСУ для легкового автомобиля; создание экспериментального образца легкового автомобиля с КЭСУ.
10 Практическая ценность. Внедрение в практику проектирования
разработанного метода выбора и обоснования конструктивных и мощностных
параметров и характеристик КЭСУ позволяет существенно улучшить
эксплуатационные свойства легкового автомобиля (топливная экономичность,
экологичность), что подтверждается результатами экспериментальных
исследований опытных образцов, а также уменьшить время создания КЭСУ.
Реализация результатов. Результаты теоретических исследований, а также разработанный метод обоснования и выбора параметров конструкции КЭСУ используются в управлении главного конструктора ОАО «ИжАвто», в Департаменте развития и внедрения новых разработок (ДР и ВНР) ОАО «КАМАЗ» при выполнении опытно-конструкторских работ по созданию гибридных легковых автомобилей и в учебном процессе Камского государственного политехнического института (КамПИ). Расчетные исследования диссертационной работы были реализованы в опытных образцах гибридных автомобилей, что позволило повысить топливную экономичность в среднем на 25-31% и уменьшить выбросы токсичных веществ на 35-40% в сравнении с серийно выпускаемыми легковыми автомобилями.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на XXXI и XXXII научно-технических конференциях ИжГТУ (г. Ижевск, 1999-2000 г.г.), на Международных конференциях Балттехмаш-2000 (г. Калининград, КГТУ, 2000); «Автомобиль и техносфера» (JCATS'2001) (Казань, КГТУ-КАИ, 2001) и на отчетной конференции-выставке подпрограмм 205 «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Диссертация рассмотрена на межвузовской кафедре ИжГТУ-УдГУ «Дизайн промышленных изделий и наземные транспортные системы» и на кафедре «Автомобили» КамПИ.
Обзор работ по силовым приводам автомобилей
Множество выпускаемых в настоящее время типов машин, различающихся между собой по назначению, например, дорожные, транспортные и др., является следствием большого разнообразия видов деятельности и потребностей человека. Для выполнения полезной человеку работы машина должна иметь в своей конструкции некоторые элементы, которые называются рабочими органами (оборудованием). Другой обязательной частью машины является энергетическая установка, вырабатывающая или преобразующая энергию из одного вида в другой для выполнения этой работы. Требуемые скоростные и нагрузочные режимы на рабочих органах практически никогда не совпадают с оптимальными режимами работы энергетической установки. Поэтому между рабочими органами и энергетической установкой находится ряд конструктивных элементов, которые в совокупности обычно называют преобразующей или передающей частью (ПЧ) машины. Совокупность трех упомянутых выше, частей машины составляет машинный агрегат (рис. 1.2).
Такое определение понятия машинного агрегата используется часто в технической литературе и в настоящее время становится практически классическим.Часто рабочий орган не изменяется, а используемые при этом типы энергетической установки и ПЧ существенно отличаются между собой. На автомобиле, рабочим оборудованием которой является движитель, могут применяться различные типы двигателей (дизель, электродвигатель и др.) и различные типы ПЧ (механическая, гидромеханическая, электромеханическая и др.). Совокупность частей, изображенная на рис. 1.3 и состоящая из энергетической установки, ПЧ машины и системы управления образуют силовой привод.
Наиболее распространенным и изученным приводом автомобилей является механический привод с жесткой связью. Под энергетической установкой такого привода подразумевают тепловой двигатель (ТД), соединенный с движителем жесткими механическими звеньями (зубчатые передачи, трансмиссионные валы, карданные передачи и др.). При этом для кратковременного разъединения двигателя и ПЧ машины используют муфту сцепления, например, фрикционного, электромагнитного или какого-либо другого типа.
В механических приводах с гибкой связью в ПЧ автомобиля применяются ременные, цепные передачи и их разновидности, а в механических фрикционных - фрикционные передачи в виде пар фрикционных колес, дисков и т.п. Отметим, что фрикционные механические приводы в чистом виде из-за ряда существенных недостатков (повышенный износ, сравнительно невысокий КПД, необходимость большой силы прижатия фрикционных тел и др.) практически не нашли применения в автомобилях, а элементы таких передач широко используются в качестве муфт сцепления в различных приводах (электромеханические, механические с жесткой и гибкой связью, гидромеханические и др.), а также в качестве фрикционных муфт в автоматических коробках передач механических, гидромеханических и др. приводах.
Исследования по механическим приводам с жесткой связью, несмотря на их достаточно глубокую изученность, будут продолжаться, т.к. данный тип привода будет еще долго превалировать в конструкциях автомобилей. Основные причины этому - высокие показатели надежности и малые потери в ПЧ (высокий КПД). В настоящее время и тепловым двигателям внутреннего сгорания (дизельным и бензиновым) серьезной альтернативы практически нет.
Повышение требований к таким эксплуатационным свойствам автомобиля как комфортабельность работы водителя требуют поиска путей автоматизации процесса управления. Развитие бесступенчатых автоматических передач, начиная с 50-х годов, привело к массовому использованию в конструкциях колесных машин гидравлических приводов. В соответствии с классификацией [83], гидравлические силовые приводы делятся на гидродинамические и гидростатические (гидрообъемные). Характеристики этих приводов существенно отличаются между собой, поэтому каждый из них нашел свою область применения. В автомобилестроении гидростатический привод нашел применение в рулевых приводах, при управлении тормозными механизмами и др.
Основные достоинства гидростатического силового привода: бесшумность работы; отсутствие коробки передач и прочих элементов, характерных для механической трансмиссии; возможность реверсивного движения и более простого принципа поворота машин с гусеничным движителем; возможность торможения непосредственно гидростатической передачей и др. Однако эти преимущества полностью перечеркиваются следующими недостатками: большой удельный вес и недостаточная надежность гидравлических агрегатов, работающих при высоких давлениях жидкости; низкие значения КПД, приводящие к высоким расходам топлива; высокая стоимость; большое влияние на работу привода температуры окружающей среды и т.д. Поэтому гидростатические передачи не нашли широкого применения в конструкциях силовых приводов движителей машин и в дальнейшем их использование в автомобилях для этих целей проблематично. Наибольшее распространение в настоящее время при автоматизации управления автомобилем получили гидродинамические приводы. Сравнительно невысокие коэффициенты трансформации гидротрансформатора (примерно 2 -2,5) приводят к тому, что за гидротрансформатором ставят механические редукторы, например, коробку передач. Следовательно, в ПЧ имеется
Комбинированная энергосиловая установка с параллельным соединением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя
При проектировании гибридного автомобиля более предпочтительна конструктивная параллельная схема КЭСУ, позволяющая наряду с улучшением показателей экологичной безопасности повысить топливную экономичность автомобилей. Наиболее распространенная в настоящее время структурная схема автомобиля колесной формулой 4x2 с параллельной компоновкой КЭСУ представлена на рис. 2.2. Для согласования частот вращения валов ДВС и ЭД они соединяются между собой через согласующий редуктор (СР).
Движение автомобиля с постоянными и близкими к ним скоростями в данном случае осуществляется за счет мощности, передаваемой к ведущим колесам по цепи ДВС-СР-ПЧ-Д. Во время динамичного разгона автомобиля к ведущим колесам поступает дополнительная энергия от НЭ по цепи НЭ-ЭД-СР-ПЧ-Д. При необходимости, зарядки НЭ, в режиме движения с установившимися скоростями и близкими к ней происходит по цепи ДВС-СР-ЭД-НЭ, т.е. ЭД переходит в режим работы генератора. Движение накатом и торможение сопровождается рекуперацией энергии по цепи Д-ПЧ-СР-ЭД-НЭ. Есть возможность передвигаться по городу, где требования к экологическим показателям высокие, при выключенном ДВС, тогда энергия поступает только от ЭД по цепи НЭ-ЭД-СР-ПЧ-Д. В данной схеме, которая показана на рис. 2.2,отсутствует стартер, так как запуск осуществляется по следующей цепи НЭ ЭД - СР - ДВС, при неподвижном состоянии выходного вала СР.
В качестве СР могут использоваться различные типы редукторов, например, цепной, шестеренчатый, ременный, планетарный и т.д.
КЭСУ с параллельным соединением ДВС и электродвигателя имеет свои недостатки:Первый - повышенные потери мощности в трансмиссии ЭМП из-за введения в конструкцию КЭСУ СР. В соответствии с общей теорией силового потока [7] СР является обобщенной узловой точкой, которая одновременно преобразует силовые и скоростные факторы потоков мощности от ДВС и ЭД. Потери в трансмиссии ЭМП, связанные с циркуляцией мощности, отсутствуют, так как в рассматриваемой конструкции, изображенной на рис. 2.2, нет замкнутых контуров потоков мощности. Причиной повышенных мощностных потерь в ЭМП являются сложные динамические процессы, происходящие в СР, т.е. имеются большие диссипативные потери, устранить которые конструктивно сложно.
Второй - сложность согласования работы ДВС и ЭД из-за неустановившихся режимов работы ДВС в разнообразных условиях эксплуатации автомобиля, который в конечном итоге также влияет на потери энергии и повышенные динамические нагрузки в СР. Эта проблема возложена на пускорегулирующую аппаратуру и электронный блок управления, основным показателем совершенства которых и является их способность согласовать работу обоих двигателей КЭУ при передаче крутящих моментов по заданной программе, моделирующей реальные условия движения автомобиля. Существует другая параллельная схема автомобиля с КЭСУ, которая изображена на рис. 2.3. Задние или передние колеса автомобиля приводятся в движение от ДВС или ЭД в зависимости от компоновочной схемы. Мост, который приводится в движение от ЭД, включается при трудных дорожных условиях или при динамичном разгоне. На рис. 2.3 передние колеса приводятся в движение от ДВС, а задние - от ЭД. В данном случае механическая энергия от ДВС к ведущим колесам при установившихся скоростях или близких к ней поступает как в обычных трансмиссиях ДВС - ПЧ - Д. При разгоне, когда мощность двигателя недостаточна, дополнительная энергия поступает от НЭ по цепи НЭ - ЭД - Д, а при тяжелых дорожных условиях мощность двигателя разделяется между ведущими мостами по цепи ДВС-ПЧ-Д и ДВС-Г-ЭД-Д, т.к. мощность ДВС при этом достаточна. Если разряжен НЭ, то при установившихся и близких к ним скоростях, а также на стоянке при работающем двигателе, энергия поступает в НЭ по цепи ДВС - Г - НЭ. Торможение и замедлениесопровождается рекуперацией энергии по цепи Д-ЭД-НЭ, ЭД переходит в режим генератора. При выключенном ДВС энергия поступает только от ЭД по цепи НЭ-ЭД-Д. Структурная схема гибридного автомобиля с параллельной компоновочной схемой КЭСУ, изображенной на рис.2.3 имеет свои недостатки: применение двух электрических машин усложняет конструкцию автомобиля; в то же время при работающих двигателях существует циркуляция мощности, следовательно, возникают трудности согласования двух двигателей и динамики их работы. Существует другая схема гибридного автомобиля (рис.2.4), похожая на схему, представленную нарис. 2.3. По данной схеме мощностные потоки от ДВС и ЭД к ведущим колесам поступают по отдельности, т.е. двигатели напрямую между собой не связаны. Потоки мощности здесь следующие: при установившихся скоростях или близких к ним по цепи ДВС - ПЧ - Д; при недостаточной мощности ДВС и сложных дорожных условиях дополнительно энергия поступает от НЭ по цепи НЭ - ЭД - Д; при торможении или замедлении рекуперация энергии по цепи Д - ЭД - НЭ; на стоянке при работающем ДВС, если разряжен НЭ, подзарядка по
Математические модели характерных режимов работы автомобиля с комбинированной энергетической установкой и механической трансмиссией
Вывод систем дифференциальных уравнений работы КЭУ с механической трансмиссией для каждого режима работы проведем при помощи уравнения Лагранжа второго рода [71, 142]: где T - кинетическая энергия автомобиля; П - потенциальная энергия автомобиля; Ф - диссипативная функция, характеризующая уменьшение энергии с течением времени; QK- обобщенная сила, соответствующая к-ой обобщенной координате qK; qK - скорость обобщенной координаты. Кинетическая энергия автомобиля:
В соответствии с выбранной схемой динамической модели работы автомобиля с КЭСУ, изображенной на рис.3.3, в общем случае три степени свободы, однозначно определяющих ее состояние
В соответствии со схемой рис. 3.3 значение кинетической энергии Т включает следующие составляющие: Г е1 = 0.5Jde\ фдв\ - кинетическаяэнергия вращающихся деталей ДВС; Г б2 = 0.5 Jde2 Фдв2 кинетическая энергия вращающихся деталей ЭД; Т„ = 0.5Jped фре$ - кинетическаяКинетическая энергия не зависит от обобщенных координат.Следовательно, У — 0.Тип редуктора принципиального значения при формальном построении системы дифференциальных уравнений не имеет. Суммарная кинетическая энергия КЭУ, представленная на рис. 3.3, равна сумме кинетических энергииприведенных масс с моментами инерции j\e, Jd{ и Jped, т.е.где фдві, Фдв2, Фред - углы поворота соответственно вала ДВС, вала ЭД ивыходного вала согласующего редуктора, а фдв\, фдв2 и Фред -соответствующие им угловые скорости.
При передаче крутящего момента от ДВС (приведенная масса с моментом инерции Ідеї) к СР (приведенная масса с моментом инерции 1ред) происходит закручивание соответствующих деталей трансмиссии автомобиля на некоторый угол. Поэтому соответствующая потенциальная энергия этого участка вычисляется по формуле:Щу =супередаточное отношение данного участка КЭСУ. Для второго участка КЭСУ потенциальная энергия где і д2 - передаточное отношение участка трансмиссии от ЭД до СР. Суммарная потенциальная энергия КЭУ:П1КЭу=П?+П? (3.4)
В качестве диссипативной функции учета уменьшения энергии КЭУ с течением времени возьмем энергию, связанную с силами демпфирования этих Обобщенные силы 2к(к=1...3), действующие на приведенные массы динамической модели, зависят от режимов работы автомобиля. При трогании автомобиля исполнительные органы остаются неподвижными, т.к. крутящий момент на выходном валу трансмиссии меньше суммарного сопротивления исполнительных органов Мсопр. Передача в коробке передач включена, муфтасцепления буксует, детали трансмиссии закручиваются на некоторый угол.
Для определенности считаем, что все затраты на привод вспомогательного оборудования автомобиля, равные некоторому крутящему моменту Мвсп, осуществляются от ДВС. Пусть потери, затрачиваемые на преодоление сил трения на первом и втором упруго-демпфирующих участках КЭУ, равны крутящим моментам соответственно Мсу1 и Мсу . При данныхдопущениях на массу с моментом инерции тдві действует обобщенная силаМІв1 = МІв-Мвсп-Мс , (3.6)а на массу с моментом инерции Jd{ действует обобщенная силаМ],г = - Л/ ,. (3.7)
Приведенная масса с моментом инерции Jped испытывает на себесиловое воздействие {(рм,фм,ф ) со стороны механической частиавтомобиля. Перечень сил, входящих в (фм Фм Ф )» и их числовыезначения зависят от конструктивных особенностей элементов, соединяющих КЭУ с механической частью автомобиля.
По значениям кинетической (3.3) и потенциальной (3.4) энергии, диссипативной функции (3.5) и введенным обобщенным силам (3.6) и (3.7), сучетом силовой связи {(рм,фм,ф ) между обобщенными координатамисоединяемых элементов частей автомобиля уравнение Лагранжа (3.1) позволяет записать систему дифференциальных уравнений, описывающую работу КЭУ, в следующем виде:
Обоснование наиболее рационального алгоритма управления выбранными ДВС и электродвигателем
После выбора или разработки ДВС и ЭД экспериментальные исследования позволяют построить семейства скоростных и нагрузочных характеристик для ДВС, а расчетно-экспериментальные исследования по управлению ЭД позволяют определить семейство скоростных характеристик для ЭД. Управлять работой КЭУ должна пускорегулирующая аппаратура (электронный блок) [140]. При этом программа управления зависит от требований к показателям экологичности, экономичности и тягово-скоростных свойств, проектируемого автомобиля. Для реализации наиболее рациональных режимов работы КЭУ были проведены расчетные исследования. При этом в качестве основных требований к системе управления КЭУ были требования экологии и топливной экономичности. Объектом исследования был автомобиль ИЖ-21261 и КЭУ, в состав которой входила ЭД постоянного тока ПТ-125-12 (напряжение питания якоря 120 В при токе якоря не более 120 А, крутящий момент 49 Н м). В качестве ТД брались ДВС ВАЗ-2106 и маломощный двигатель ВАЗ-1 111 (номинальная мощность 22 кВт, максимальный крутящий момент 44.1 Н м). В соответствии с проведенными исследованиями желательно, чтобы система управления реализовывала следующие режимы движения: автомобиль движется на АКБ при малых скоростях; автомобиль движется на ДВС на квазиустановившихся режимах и при движении на высоких частотах вращения вала ДВС (электрическая часть энергетической установки отключена); автомобиль движется на ДВС на квазиустановившихся режимах и параллельно идет зарядка аккумуляторных батарей (ЭД работает в режиме генератора); разгон автомобиля на ДВС и ЭД; рекуперация энергии при торможении и замедлении (ЭД работает в режиме генератора); стоянка автомобиля. Анализ расчетных исследований позволил разработать наиболее рациональную логику работы пускорегулирующей аппаратуры для выбранной КЭУ, которую желательно реализовать в электронном блоке управления. При этом в рассматриваемых режимах движения исследуемого автомобиля должны выполняться следующие условия: - при замедлении, торможении и при движении накатом с ускорением J -0.2 м/с подача топлива в ДВС прекращается. Значение J, равное 0.2 м/с , соответствует началу устойчивого восприятия организмом человека л продольных ускорений, т.е. при ускорениях по модулю более 0.2 м/с человек однозначно может сделать вывод, что автомобиль движется с ускорением (замедлением) [31]; - при движении с низкими скоростями (для ИЖ-21261, оборудованного рассматриваемыми ДВС ВАЗ-1111 и ЭД ШЧ25-12, скорость движения менее 20 км/ч) подача топлива в ДВС также должна быть перекрыта, что позволит исключить работу ДВС на этих неэкономичных и токсичных режимах. При введении в конструкцию автоматического сцепления, ДВС вообще нужно отключать. Отметим, что с точки зрения токсичности желательно отключать ДВС при движении со скоростями до 30 - 40 км/ч, однако для автомобиля ИЖ 21261 существенно ухудшится динамика разгона. Например, при отключении ДВС до частоты вращения коленчатого вала в рад/с, равной 157 (13 км/ч), 209.33 (17 км/ч), 261.67 (21.3 км/ч) и 308.77 (25 км/ч), время разгона до скорости 60 км/ч ухудшается с 10.785 с соответственно до 10.912 с (1.18 %), 11.226 с (4.09 %), 11.950 с (10.80 %) и 12.766 с (18.37 %). Для автомобиля ИЖ 21261, оборудованного энергетической установкой ВАЗ-2106 и ПТ-125-12, время разгона до скорости 60 км/ч ухудшается с 5.006 с соответственно до 5.229 с (4.45 %), 5.684 с (13.54 %), 6.604 с (31.92 %) и 7.728 с (54.37 %), т.е. предельное значение скорости, равное 20 км/ч, увеличивать также нецелесообразно; - ЭД имеет высокий крутящий момент при малых частотах вращения вала, что может приводить к нарушению сцепления шин ведущих колес с полотном дороги. Например, для ИЖ-21261 максимальный крутящий момент, подводимый к ведущим колесам, должен быть для коэффициентов сцепления шин с полотном дороги, равных 0.9 и 0.8, не более соответственно 158.25 Н м и 138.16 Н м. Поэтому для рационального использования энергии АКБ следует ограничить крутящий момент, поступающий от ЭД, для эксплуатации автомобиля на реальных дорогах значением 130 Н м; - при движении на квазиустановившихся режимах на высоких скоростях (более 20 км/ч) должна идти зарядка накопителя электрической энергией. Необходимость начала и окончания зарядки в данных режимах движения должна контролироваться системой управления в зависимости от степени заряженности накопителей электрической энергии; - в рассматриваемых КЭСУ целесообразно отключать ЭД при частоте вращения его вала более 434 рад/с, т.к. количество энергии, подводимой от ЭД, резко уменьшается при движении на более высоких частотах вращения вала. Более того, это отключение ЭД практически не влияет на скоростные свойства (при этом экономится электрическая энергия накопителя), а частота вращения коленчатого вала двигателя, равная 434 рад/с, соответствует скорости движения исследуемого автомобиля на второй передаче, равной 60 км/ч, т.е. сохраняется
Хорошая динамика движения в городе (время разгона до 60 км/ч автомобиля с энергетической установкой, состоящей из двигателей ВАЗ-1111 и ПТ-125-12, ухудшится с 10.785 до 11.053 с, т.е. всего на 0.268 с). При оборудовании автомобиля ИЖ-21261 второй энергетической установкой (ВАЗ-2106 + ПТ-125-12) время разгона до 60 км/ч ухудшится с 5.006 до 5.050 с; разгон автомобиля желательно осуществлять при работе рассматриваемого типа ДВС на режимах наивысшей топливной эффективности, т.е. примерно при 85 - 90 % открытии дроссельной заслонки; - на остановках система управления должна отключать ЭД (ДВС будет отключен раньше в начале процесса торможения-замедления). Вспомогательное оборудование при этом должно работать от накопителя электрической энергии; - при торможении, замедлении (Ug 85 - 90 %, J - 0.2 м/с ) и при движении накатом с ускорением (Ug = 0 %, J 0.2 м/с ) должна включаться система рекуперации энергии. При этом ДВС не работает, т.к. нет подачи топлива, и он отключен автоматическим сцеплением от ЭД. Анализ расчетных исследований по выбору наиболее рационального способа управления рассматриваемыми энергетическими установками позволил сформулировать требования к рабочему состоянию ДВС и ЭД в зависимости от контролируемых параметров в процессе движения автомобиля. В качестве определяющих параметров взяты: частота вращения вала КЭСУ, значение угла открытия дроссельной заслонки, скорость движения и ускорение автомобиля. Эти требования к работе ДВС и ЭД в зависимости от контролируемых параметров представлены в табл. 4.5. В качестве предельного угла открытия дроссельной заслонки взят угол, равный 90 %, т.е. считаем, что дальнейшее увеличение открытия дроссельной заслонки приводит к неэкономичным режимам работы ДВС. Система управления ЭМП, которая моделирует реальные условия движения автомобиля, в общем случае обеспечивает следующие характерные режимы работы. Подробную информацию можно получить в [128]: 1. Пуск ДВС и работа его на холостом ходу. При повороте ключа зажигания через пускорегулирующую аппаратуру подается питание на ЭД от параллельно включенных блоков накопителя энергии. ЭД "раскручивает" ДВС до его запуска. После запуска ДВС и выхода его на режим холостого хода ЭД по своей естественной электромеханической характеристике переходит в такой режим, когда он не потребляет электрической энергии от накопителя и не создает крутящего момента на выходном валу, т.е. находится на границе между генераторным и двигательным режимами работы и стабилизирует частоту вращения коленчатого вала на заданном уровне. Если частота вращения коленчатого вала возрастет, ЭД перейдет в генераторный режим и начнет отдавать энергию в накопитель, тормозя ДВС. 2. Трогание с места и разгон. Открывая дроссельную заслонку кар бюратора ДВС на заданный угол, водитель желает получить требуемую скорость движения автомобиля. В этот период передается суммарный кру тящий момент на ведущие колеса от обоих двигателей. Пускорегулирующая аппаратура в соответствии с сигналами от электронного блока управления устанавливает необходимое напряжение питания на ЭД и задает его электромеханическую характеристику, в соответствии с которой ЭД меняет вращающий момент на своем выходном валу при разгоне. Электромеха ническая и механическая характеристики ЭД задаются таким образом, чтобы при скорости движения автомобиля, соответствующей заданному водителем углу открытия дроссельной заслонки или близкой к ней, определяемой мощностью ДВС и сопротивлением движению, ЭД переходит в такой режим работы, при котором он не создает вращающего момента или переходит в генераторный режим для зарядки НЭ. Таким образом, если условия движения (сопротивление движению) позволяют двигаться автомобилю на ДВС с заданной скоростью или выше, то будет происходить подзарядка накопителя с некоторым расходом мощности ДВС или за счет внешних сил, совпадающих с направлением движения автомобиля. 3. Движение на подъем, при встречном ветре или при других условиях, создающих дополнительную силу сопротивления движению, когда скорость автомобиля будет ниже определенной программно для заданного водителем угла открытия дроссельной заслонки, ДВС и ЭД продолжают работать в тяговом режиме, когда идет расход топлива и запасенной в накопителе электроэнергии.
