Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ по повышению эксплуатационной топливной экономичности автомобильного дизеля
1.1. Характеристики и эксплуатационная топливная экономичность автомобильных дизелей
1.2. Снижение путевого расхода топлива двигателем внутреннего сгорания за счет применения системы рекуперации кинетической энергии автомобиля
1.3. Задачи исследования 20
Глава 2. Расчетое исследование оптимизации режимов автомобильного дизеля
2.1. Методики расчетно-теоретических исследований 21
2.2. Описание программы моделирования движения автомобиля в соответствии с заданным ездовым циклом
2.3. Блок ввода данных и предварительной подготовки расчета 28
2.4. Блок моделирования ездового цикла 31
2.5. Блок вывода основных расчетных показателей 36
Глава 3. Экспериментальная установка, методики обработки результатов
3.1. Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование
3.2. Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента
3.3. Методика оценки погрешностей измерений 65
Глава 4. Исследование резервов снижения эксплуатационного расхода топлива применением электромеханической трансмиссии
4.1. Повышение топливно-экономических показателей силовой установки, оборудованного электромеханической трансмиссией
4.2. Оптимальное управление мощностью двигателя автомобиля, оборудованного электромеханической трансмиссией и силовым аккумулятором
4.3. Особенности работы автомобильного двигателя при выполнении испытательных циклов EUDC и HWFET
Основные выводы по работе 99
Литература
- Снижение путевого расхода топлива двигателем внутреннего сгорания за счет применения системы рекуперации кинетической энергии автомобиля
- Описание программы моделирования движения автомобиля в соответствии с заданным ездовым циклом
- Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента
- Оптимальное управление мощностью двигателя автомобиля, оборудованного электромеханической трансмиссией и силовым аккумулятором
Введение к работе
Актуальность работы. Современные автомобильные двигатели
внутреннего сгорания (ДВС) достигли высокого уровня совершенства по
параметрам удельной топливной экономичности, мощности, минимизации
выбросов вредных веществ с отработавшими газами и другим
эксплуатационным характеристикам. Дальнейшие снижение
эксплуатационного расхода топлива возможно путем оптимизации режимов работы двигателя в составе транспортного средства. Наиболее радикальным решением является использование комбинированных силовых установок (КСУ), состоящих из ДВС, системы электродвигателей - электрогенераторов, силового аккумулятора электроэнергии и устройства управления КСУ. Однако такое комплексное техническое решение достаточно дорого, причем система заметно увеличивает массу автомобиля.
Актуальным, технически более простым и экономически более дешевым решением является, оцениваемое по эффективности применения для снижения путевого расхода топлива, поэтапное внедрение элементов КСУ на транспортном средстве (ТС), что также позволяет оптимизировать работу ДВС.
Тема работы связана с Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации» и направленностью научных работ кафедры.
Цель работы. Работа посвящена исследованию резервов повышения топливной экономичности силовой установки ТС, преимущественно за счет оптимизации режимов работы двигателя внутреннего сгорания, входящего в ее состав.
Исходя из поставленной цели, были определены задачи исследования.
Модернизация расчетной программы движения транспортного средства для оценки резервов улучшения эксплуатационной топливной экономичности двигателя легкового автомобиля, путем оптимизации режимов его работы, с учетом условий движения ТС.
Получение количественной оценки степени повышения топливной экономичности двигателя легкового автомобиля при применении на ТС бесступенчатой электромеханической трансмиссии, в том числе за счет выбора стратегии управления работой ДВС на двух частотных режимах.
Оценка резервов снижения путевого расхода топлива, за счет применения режима остановки двигателя (режим «Старт-Стоп») при движении накатом, торможении и вынужденных остановках транспортного средства при его комплектации электромеханической трансмиссией.
Оценка влияния малонагруженных режимов работы ДВС на эксплуатационную топливную экономичность ТС при движении за счет электромотора при движении транспортного средства на малых скоростях.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются автомобильные дизели, работающие в составе силовых установок легковых автомобилей при выполнении различных ездовых циклов. Решение поставленных задач в соответствии с поставленной целью диссертационной
работы осуществлялось с использованием методов теоретического анализа,
компьютерного моделирования и обобщения ранее проведенных
экспериментальных исследований, а также собственных расчетно-
аналитических и экспериментальных работ, на основе использования стандартизованных и специально разработанных методик исследований.
Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и
выводов, полученных соискателем, достаточно высока, так как в работе
применены современные экспериментально-расчетные методы исследования и
компьютерные программы. Достоверность результатов определяется
достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью
результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований,
отсутствием противоречий между результатами исследования и
фундаментальными законами физики и механики.
Научная новизна. В процессе выполнения работы был решен ряд обладающих новизной научных задач, основными из которых являются:
Автором лично усовершенствована методика оценки эксплуатационного расхода топлива ТС и модифицирована соответствующая компьютерная программа, учитывающая применение различных агрегатов комплексной силовой установки для условий выполнения различных стандартизированных международных ездовых циклов: NEDC, FTP-75, CJ08, WLTP и др. Подготовлены экспериментальные данные по стендовым испытаниям автомобильных дизелей с наддувом, типа 4ЧН 7,95/9,55 и 5ЧН 9,09/9,24 для использования в расчетной программе и проведен комплекс расчетных исследований. Автором изучены возможности двухрежимного управления дизеля по частоте вращения коленчатого вала с целью снижения расхода топлива, при использовании последовательной гибридной схемы привода, регулирования работы ДВС по алгоритму «Старт-Стоп» и исключения из рабочих режимов малонагруженных низкоэффективных зон за счет применения накопителя энергии.
Практическая ценность.
Научно-практическая значимость диссертации заключается в том, что с
помощью разработанных и представленных в ней методик и компьютерных
программ, еще на этапе проектирования новых, или при модернизации
существующих конструкций, можно оценить степень снижения
эксплуатационного расхода топлива при использовании тех или иных агрегатов транспортных КСУ. Экспериментально-расчетные модели могут применяться для ускорения поиска рациональных показателей управления дизелем при реализации рассмотренных технических решений. Полученные результаты применимы в двигателестроительной отрасли, а также в отраслях, связанных с эксплуатацией ТС.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования используются для выполнения госбюджетных работ кафедры, применяются в учебном процессе на кафедре теплотехники и тепловых двигателей РУДН, в том числе при подготовке бакалаврских и магистерских диссертаций.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены в 2012 – 2015 г.г. на XI международном симпозиуме «Интеллектуальные системы- 2014» 30 июня - 4 июля 2014 г., РУДН, Москва; молодёжной международной научно-практической конференции «Молодые ученые - альтернативной транспортной энергетике» 20-21 ноября 2014 г., Воронеж; 7th Annual Scientific Conference of Iranian Students in Russian Federation,12 April 2014. - Moscow, Russia, Gubkin Russian State University of oil and Gas; VIII международной научно-практической конференции «Инженерные системы- 2015» 20-22 апреля 2015 г., Москва, РУДН; 8th Annual Scientific Conference of Iranian Students in Russian Federation, 24-26 апреля 2015., Санкт-Петербург, СПбГУ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе 5 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 106 стр. машинного текста, включая 28 иллюстраций и 14 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.
Снижение путевого расхода топлива двигателем внутреннего сгорания за счет применения системы рекуперации кинетической энергии автомобиля
Видно, что новый цикл WLTC наиболее энергоемкий, что связано не столько с высокой максимальной скоростью в цикле, сколько с высокой динамической наружностью цикла - большим количествам участков с ускорением транспортного средства. В тоже время, для всех циклов характерно низкое значение потребной средней мощности, которое существенно меньше номинальной мощности исследуемых дизелей. В табл. 2 приведены расчетно-экспериментальные данные по расходу топлива GU:K- для трех испытательных циклов и двух исследуемых марок дизелей. Там же приводится условный расход топлива за цикл, рассчитываемый из условия выполнения работы цикла, но при условии работы дизеля на режиме максимальной топливной экономичности
Из табл. 1.2 видно, во что обходится потребителю избыточный рабочий объем двигателя и, соответственно, его работа на частичных нагрузках. Естественно, что хочется рекомендовать комплектацию транспортного средства двигателем с меньшим рабочим объемом, однако естественно, что водитель транспортного средства будет испытывать дискомфорт, если такой двигатель не будет обеспечивать желаемую динамику разгона автомобиля. Выходом из создавшегося по 16 ложения служит реализация концепции гибридной силовой установки, реализованной, например, в современном исполнении автомобиля Toyota Prius [6]. Расход топлива у модели Prius-3 PHV (ZVW35) массой 1525 кг, поступившей в продажу 2012 г., составляет 3,17 л/100 км [7] в новом японском испытательном цикле JC08, близким по своим параметрам к европейскому циклу NEDC, но с большим временем стоянки автомобиля. Однако такой автомобиль существенно дороже, автомобилей того же класса и у экспертов вызывает опасения проблема утилизации использованных аккумуляторов, как уже сейчас повышенное внимание экологов вызывает их производство.
Альтернативой является технология Fly Wheel KERS (системы рекуперации кинетической энергии - СРКЭ) по заявлению фирмы Вольво [8], позволяющая сократить расход топлива на 20% и обеспечить автомобилю дополнительный резерв мощности. Объясняется это тем, что работа системы основана на рекуперации энергии торможения с помощью легкого и компактного углепластикового маховика. Система обеспечивает не только значительную экономию топлива, но и обеспечивает дополнительную мощность – к примеру, оснащенный системой Fly Wheel KERS автомобиль с четырехцилиндровым двигателем сможет разгоняться с ускорением, характерным для машин с шестицилиндровым двигателем. Конструктивно Fly Wheel KERS устанавливается на задней оси и при торможении энергия используется для повышения частоты вращения маховика. Когда требуется, чтобы автомобиль ускорился, крутящий момент с маховика передается на задние колеса через специальный редуктор. Двигатель внутреннего сгорания, который передает крутящий момент на передние колеса, выключается, как только начинается процесс торможения. Энергия маховика может использоваться и для начала движения с места или для поддержания движения автомобиля, когда он достигает определенной скорости.
Типичный для гоночного автомобиля формулы F1 мотор-генератор системы KERS имеет массу около 5 кг при мощности в 60 кВт в течение примерно 7 секунд, что соответствует запасаемой энергии 420 кДж [9]. Мотор-генераторы системы KERS могут заменить, как штатный генератор переменного тока с выпрями 17 телем, так и стартер постоянного тока, а также могут быть использован запуска ДВС при работе в «Старт-Стопном» режиме.
На рис. 1.5 и рис. 1.6 приведены данные выполненных нами расчетно-экспериментальных исследований влияния рабочего объема двигателя на путевой расход топлива, в предположении сохранения эффективности рабочего процесса и механического КПД неизменном уровне.
Расчеты проведены для двух моделей дизелей с турбонаддувом и трех ездовых циклов. Из графиков видно, что уменьшение рабочего объема естественно ведет к снижению эксплуатационного расхода топлива. Темп снижения в абсолютных единицах на начальном участке характеристики примерно постоянен, как для различных дизелей, так и для различных циклов движения, и составляет около 5 г снижения расхода топлива за цикл на 1% уменьшения рабочего объема дизеля. Можно оценить влияние снижения рабочего объема двигателя на эксплуатационную топливную экономичность в относительных единицах, следующим образом где AG. - абсолютное снижение расхода топлива за цикл, г/цикл; cD - расход топлива при штатном рабочем объеме двигателя, г/цикл; А% - относительное снижение рабочего объема двигателя, %
В относительных единицах наибольшее влияние снижения рабочего объема сказывается в европейском ездовом цикле NEDC = 0,72…0,86, в несколько меньшей степени в американском FTP-15 к,:г_ = 0,56…0,66 и в наименьшей степени в международном WLTC К , = 0,46…0,55, причем меньшие значения коэффициента влияния, соответствуют двигателю с худшей топливной экономичностью ОМ617. Таким образом, чем «динамичнее» испытательный цикл, тем менее эффективно снижение рабочего объема, что воспринимается как логичное заключение - цикл требует более высокой средней мощности для его выполнения.
На рис. 1.5 и рис. 1.6 также приведены графики «невыполненной работы в цикле», смысл которой заключается в следующем. При уменьшении рабочего объема двигателя наступает момент, когда располагаемая мощность двигателя Ne расп, вычисляемая по внешней скоростной характеристике, становится меньше потребной мощности Ne потр, необходимой для движения по циклу на некоторых его участках, в соответствии с графиком изменения текущей скорости транспортного средства. В этом случае программно реализован алгоритм, в котором при недостаточной мощности двигателя Ne расп Ne потр, график движения транспортного средства, оговоренный протоколом ездового цикла, нарушается, и движение автомобиля определяется равенством Ne потр = Ne расп. Естественно, что при этом работа, совершаемая в цикле снижается на некоторую величину, значения которой и приведены на рис. 1.5 и рис. 1.6.
Как видно из графиков, наиболее критичен по параметру «невыполненной работы» самый динамичный цикл WLTC. Если именно его и принять за критериальный, то для дизеля с меньшим рабочим объемом Volkswagen TDI 1,9L предельным является 30% снижение рабочего объема, а для трех литрового дизеля OM617 40% снижение.
Однако, если использовать систему рекуперации кинетической энергии по типу Fly Wheel KERS, то в зависимости от уровня ее энергоемкости снижение рабочего объема может быть более значительным, без потери динамических качеств автомобиля. Так, приняв запас энергии в СРКЭ порядка 420 кДж, можно для дизеля Volkswagen TDI 1,9L снизить рабочий объем до примерно 52% от штатного и для дизеля OM617 до значений, порядка 46%. Это приведет к снижению расхода топлива в цикле WLTC для дизеля Volkswagen TDI 1,9L на 41% и для дизеля Mercedes Benz 300SD OM617 на 30%.
Описание программы моделирования движения автомобиля в соответствии с заданным ездовым циклом
Условия эксплуатации транспортных средств характеризуются весьма разнообразными режимами работы. На режимы работы их силовых агрегатов в условиях эксплуатации влияет большое число факторов различной значимости. Анализ показывает, что эти факторы формируются условиями, определяемыми: типом транспортного средства, характером работ им выполняемых, конкретными территориально-климатическими условиями зоны эксплуатации, временем года, требованиями охраны труда и защиты окружающей среды.
Дизель, установленный на транспортное средство универсального применения должен быть пригоден для эксплуатации в самых различных условиях эксплуатации и при различных скоростных и нагрузочных режимах.
Стендовые испытания двигателей проводятся для определения их мощности, экономичности, токсичности отработавших газов, безотказности работы и других эксплуатационных показателей. Испытания проводятся при контроле качества производства и ремонта двигателей, при определении технического уровня новых конструкций, для оценки и выбора регулировок систем двигателя, а также при изысканиях путей совершенствования отдельных процессов и конструкций вновь создаваемых и модернизируемых двигателей.
Объем и порядок проведения испытаний определяются рядом стандартов и инструкций, и в первую очередь стандартами СЭВ 765-77 "Двигатели автомобильные. Стендовые испытания", "Двигатели тракторные и комбайновые. Стендовые испытаний" и др. На основе этих стандартов разработан ряд государственных и отраслевых стандартов, определяющих правила проведения испытаний различного вида. Наиболее общими являются ГОСТ "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний", ГОСТ "Дизели тракторные и комбайновые. Виды и программы стендовых испытаний" и ГОСТ "Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний". Этими стандартами определяются условия снятия основных характеристик двигателей, методы определения важнейших величин и правила построения графиков.
В соответствии с указанными стандартами должны выполняться следующие общие условия:
1. Перед началом испытания двигатель должен быть прогрет до заданной температуры охлаждающей жидкости и масла, которая поддерживается в пределах, указанных заводом-изготовителем. При отсутствии таких указаний температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна быть в пределах 75...85С, а температура масла в картере двигателя 80...100С. испытания двигателя могут проводиться без термостата.
2. Показатели двигателя должны определяться при установившемся режиме работы: частота вращения коленчатого вала, крутящий момент, температура охлаждающей жидкости и масла должны быть постоянными. Эти и другие регистрируемые показатели должны представлять собой средние устойчивые значения, непрерывно наблюдаемые не менее одной минуты без каких-либо значительных изменений в течение этого времени.
Продолжительность измерения всех параметров при автоматическом управлении устройством для измерения частоты вращения и расхода топлива не менее 30 с и не менее 60 с при ручном управлении.
После прогрева двигателя в зависимости от снимаемой характеристики устанавливаются необходимая частота вращения коленчатого вала и положение дроссельной заслонки или рейки топливного насоса. После стабилизации теплового режима при заданном установившемся режиме работы двигателя производится замер показателей двигателя. После записи всех необходимых параметров двигатель переводится на следующий режим работы (следующая точка замера).
Количество точек замера должно быть не меньше шести, для того чтобы при построении характеристики выявить форму и характер кривой изменения параметров во всем диапазоне обследуемых режимов.
Условия определения и вид скоростных характеристик дизеля отличаются от скоростных характеристик карбюраторных двигателей. Эти отличия связаны, в частности, с тем, что все дизели оборудуются регуляторами частоты вращения, которые выполняют следующие функции: 1. Ограничивают максимальную частоту вращения. 2. Обеспечивают повышение устойчивости работы (под устойчивостью понимается способность двигателя сохранять частоту вращения при изменении внешней нагрузки). 3. Облегчают труд водителя. Вид скоростных характеристик зависит от типа используемого регулятора частоты вращения.
Наибольший интерес представляет внешняя скоростная характеристика, определяемая при положении рычага управления, в котором обеспечивается наибольшее натяжение пружины регулятора. На рис. 3.1 приведено изменение ряда показателей дизеля в функции частоты вращения по внешней скоростной характеристике и ее регуляторной ветви. Собственно внешней скоростной характеристикой называется зависимость от частоты вращения показателей дизеля (энергетических - эффективной мощности Ne, крутящего момента Mк, среднего эффективного давления ре и экономических - часового Gт и удельного эффективного gе расходов топлива в диапазоне от минимальной рабочей частоты вращения nmin до максимальной рабочей частоты nmax.
Методика получения и обработки результатов методом планируемого эксперимента
Показатели двигателя зависят от атмосферных условий (давления, температуры и влажности воздуха). Так, при уменьшении температуры и увеличении давления увеличивается плотность, а, следовательно, и масса заряда, поступившего в цилиндр, что приводит к повышению мощности двигателя. Кроме того, атмосферные условия оказывают влияние на протекание рабочих процессов двигателя. Для того чтобы иметь возможность сопоставлять результаты испытаний, проведенных в разное время и. следовательно, при разных атмосферных условиях и для сравнения результатов испытаний с данными технических характеристик двигателей, мощностные показатели двигателя принято приводить к стандартным атмосферным условиям согласно стандарту СЭВ 765-77 "Двигатели автомобильные. Стендовые испытания".
При испытаниях двигателей с искровым зажиганием, работающих при полном открытии дроссельной заслонки, и дизелей, работающих при полной подаче топлива, мощность, крутящий момент и среднее эффективное давление приводят к стандартным атмосферным условиям: барометрическое давление 100 кПа (1000 Мбар или 750 мм рт. ст.), температура воздуха 298 К (или 25С ).
При испытаниях дизелей (без наддува), работающих при полной подаче топлива, для приведения к стандартным атмосферным условиям замеренную величину крутящего момента (мощности) умножают на коэффициент Kd , определяемый по формуле:
Поправочный коэффициент используют в пределах 0,96...1,06. Если поправочный коэффициент Kd выходит за эти пределы иди если цикловая подача топлива, замеренная в процессе испытаний, меньше 50 мм3 на литр рабочего объема или больше 75 мм3 на литр рабочего объема, то значение Kd, данные об атмосферных условиях и величина цикловой подачи топлива в ммэ/л должны быть специально указаны в протоколе и на графике.
Отыскание зависимостей, аппроксимирующих статические характеристики, учитывающих реальные показатели дизеля из-за большого числа влияющих факторов осуществляется с помощью ЭВМ [42], для чего была использована разработанная профессором РУДН Гусаковым СВ. программа РLANEX.
При экспериментальных исследованиях достоверные выводы могут быть сделаны только в том случае, если изменение регистрируемого параметра (или результата обработки нескольких регистрируемых параметров) превышает погрешности регистрации этого параметра (или погрешности результата обработки нескольких регистрируемых параметров). Рассмотрим пример, приведенный на рис. 3.6. Рис. 3.6 Определение погрешности
Допустим, реально интересующая нас температура Т изменяется по приведенному на графике закону. Ее регистрацию мы осуществляем термометром с погрешностью + 0,5С. При этом, если регистрация температуры проводилась на временном отрезке At, сделать какие-то выводы о характере ее изменения мы будем не в состоянии. Требуется или увеличить время контроля над температурой при заданной погрешности термометра, или повысить точность регистрирующего прибора.
Измерение любой физической величины выполняется с некоторой погрешностью. Погрешности измерений принято разделять на: - грубые, связанные с субъективными ошибками измерений; - систематические, связанные с несовершенством средств измерений; - случайные, связанные с различными дестабилизирующими воздействиями, неучитываемыми факторами, трением в измерительных механизмах приборов, неточностями считывания показаний и т.п.
Грубые ошибки устраняются путем повышения квалификации испытателей, систематические - поверкой приборов и оборудования. Таким образом, основная задача состоит в оценке и снижении случайных погрешностей измерений.
Допустим, что проводится п измерений величины Т, в результате чего получаются результаты Т\, Т2, Тъ, ... ,ГП. По этим результатам требуется найти величину Г, наиболее близкую к реальной величине Т. из математической статистики известно, что такой величиной будет такая для которой сумма квадратов отклонений будет минимальной: {fJ2 +{f2f +{f3f +... + {fnf - min. (3.17)
Это условие выполняется для величины f определяемой как среднее арифметическое всех результатов измерений: f _Т1+Т2+Т3+... + Т п Математическая статистика определяет величину наиболее вероятной абсолютной ошибки (погрешности) получения среднего арифметического результатов п измерений, как рг =+0,6745. (Г - TJ2 + (Г - T2f + (Г - T3f +... + (Г - TJ п-{п-1) С увеличением числа замеров точность растет, (абсолютная ошибка уменьшается) однако, с ростом п темп снижения замедляется и увеличение числа замеров на режиме свыше 5 нецелесообразно. Осреднив непосредственные результаты измерений и вычислив их отклонения от среднего арифметического можно определить наиболее вероятное изменение измеряемой величины Т = Т±Рт. (3.20) Точность измерений также можно характеризовать относительной погрешностью 8Т= . (3.21) Т Как правило, любой измерительный прибор характеризуется пределом допускаемой основной погрешности, которая может быть как абсолютной, так и относительной. Предел относительной основной погрешности прибора в процентах называется классом точности прибора. Подразумевается, что такую относительную погрешность прибор имеет при регистрации максимального значения измеряемой величины Гш max по шкале прибора. Найти абсолютную погрешность измерительного прибора по его классу К можно по зависимости РГ=±— ттлях- (3.22) т 100 штах Во многих случаях интересующие исследователя величины не поддаются непосредственному измерению, а получаются путем вычислений по результатам измерений других величин (например, удельный эффективный расход топлива, коэффициент избытка воздуха и т.п.). В таких случаях погрешность исследуемых величин возрастает. Зная среднеарифметические значения регистрируемых величин, например, А, С, и абсолютные погрешности измерительных приборов: рА, рС, Рг можно рассчитать абсолютную и относительную погрешность различных связывающих их функций Z, приведенных в таблице. Анализ более сложных функций может быть произведен по частям с использованием элементарных зависимостей из таблицы.
Оптимальное управление мощностью двигателя автомобиля, оборудованного электромеханической трансмиссией и силовым аккумулятором
Стратегия управления силовой установкой автомобиля выбрана следующей. имеется две частоты вращения ДВС: основная, соответствующая минимальному расходу топлива щ = 1400 мин1 и повышенная п2 = 2200 мин1, на которую двигатель переходит в случае недостатка располагаемой мощности. После начала движения автомобиля в цикле разгон и движение с постоянной скоростью осуществляется за счет электромотора электромеханической трансмиссии, если скорость автомобиля не превышает Vдвс. Если в соответствии с параметрами ездового цикла требуется большая скорость, то запускается ДВС и если емкость аккумулятора меньше максимальной, то двигатель переходит в точку минимального расхода топлива по универсальной характеристике (иь Pe ge_mm). Часть мощности двигателя тратится на обеспечение движения автомобиля по требуемому закону изменения скорости, а избыточная мощность двигателя идет на зарядку аккумулятора. Если от двигателя требуется мощность большая, чем обеспечиваемая средним эффективным давлением Ре ge_min, то подзарядка аккумулятора прекращается, и вся мощность, развиваемая двигателем идет на преодоление сил сопротивления движению, при этом, при недостатке мощности, возможен переход на повышенную частоту п2. При полностью заряженной батарее и превышении скорости Удвс двигатель работает в соответствующей нагрузочной зоне с Ре Pe ge_min.
На рис. 4 показан график изменения энергии аккумулятора при начальном его заряде в 100 кДж и скорости запуска ДВС Vдвс = 30 км/час при движении по циклу. из приведенных графиков видно, что для европейского цикла NEDC аккумулятор полностью заряжается примерно к половине времени выполнения цикла.
В табл. 4.7 приводится путевой расход топлива при работе электромеханической трансмиссии без аккумулятора, с практически разряженным аккумулятором (Еакк = 100 кДж) и с полностью заряженным аккумулятором (Еакк = 1500 кДж).
При работе с разряженным аккумулятором баланса нет, так как часть энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания идет на первичную зарядку аккумулятора. Для японского цикла полного заряда не происходит (сплошная линия на рис. 4.8б), однако при начале цикла с полностью заряженным аккумулятором его емкость в конце цикла остается полной.
Характер изменения энергии аккумулятора для американского цикла (рис. 4в) подобен европейскому циклу (рис. 4.8а). В табл. 4.7 также приведены расчетно-экспериментальные путевые расходы топлива при включении системы «Старт-Стоп» и ранее рассчитанные (табл. 4.1) минимальные расходы топлива двигателем транспортного средства, при его условной работе с максимальной экономичностью (ge min = 197 г/(кВт-ч)) на протяжении всего цикла движения. Видно, что резервы снижения путевого расхода топлива значительно использованы путем применения описанных мероприятий. Рис. 4.8. График изменения энергии аккумулятора (сплошная линия начальный заряд Eакк = 100 кДж; пунктир – полный заряд Eакк = 1500 кДж) в циклах: а). - NEDC; б). - JC-08; в). - FTP-75
Дальнейшее снижение путевого расхода топлива возможно за счет рекуперации энергии торможения, а также параллельной работы поршневого двигателя и электромотора на высоких нагрузках.
Для оценки расхода топлива автомобильным двигателем в условиях эксплуатации используются ездовые циклы - специальные процедуры испытаний, разработанные экспертами из стран Европейского Союза, Японии и США на основе руководящих принципов экологической безопасности ЕЭК ООН в области транспортных средств. Для исключения влияния погодных условий, рельефа местности и качества покрытия на результаты, испытания проводят в специализированных лабораториях, на стенде с беговыми барабанами, обеспечивающими на 90
грузку двигателя автомобиля. Ездовой цикл имитирует движение автомобиля в городе и на магистралях, характерных для той или иной местности. Процедура тестирования жестко оговаривает условия испытаний: текущую скорость движения автомобиля, выбор передачи в коробке перемены передач, общий вес автомобиля (с том числе дополнительного оборудования, грузов и пассажиров), качество топлива, температуру окружающей среды, тип шин, давление в них и многие другие параметры.
Среди большого количества стандартизированных ездовых циклов есть процедуры EUDC (Extra Urban Driving Cycle) и HWFET (HighWay Fuel Ecоnоmy Test), которые имитируют движение автомобиля по автомагистрали. Европейский цикл EUDC является частью испытательного цикла NEDC (New Eurоpean Driving Cycle) и представляет собой отрезок пути расстоянием в 7 км, который транспортное средство должно проехать за 400 с. Максимальная скорость в цикле составляет 120 км/ч. Американский цикл HWFET задает максимальную скорость движения 96,5 км/ч, имея продолжительность 765 с - почти в два раза больше аналогичной европейской загородной фазы цикла NEDC, и предполагает на четверть бльшую среднюю скорость.
Для проведения исследований режимов работы двигателя, используем компьютерную программу, позволяющую рассчитывать мощность, требуемую от двигателя транспортного средства для движения в соответствии с задаваемым ездовым циклом. Для оценки расхода топлива двигателем автомобиля в программу вводятся данные по ДВС в виде топливной карты (цикловая подача топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя) или экспериментально полученной универсальной характеристики удельного эффективного расхода топлива в функции частоты и нагрузки двигателя.
Ездовой цикл можно характеризовать продолжительностью по времени, максимальной и средней скоростями движения автомобиля, количеством и длительностью остановок и другими параметрами. С энергетической точки зрения, такой оценкой может служить работа Ацикл, совершаемая двигателем транспортного средства при выполнении движения транспортного в цикле, и требуемая для этого средняя мощность силовой установки Ne ср. К сожалению, выполнить движение в полном соответствии с условиями ездового цикла невозможно, располагая двигателем мощностью Ne ср при классической механической трансмиссии автомобиля. В ездовом цикле имеются участки, на которых потребная мощность двигателя максимальна, и они и определяют номинальную мощность двигателя транспортного средства. Постоянное недоиспользование номинальной мощности двигателя внутреннего сгорания на легковом автомобиле является причиной повышенного эксплуатационного расхода топлива и служит постоянным поводом для поиска решений по оптимизации режимов работы ДВС. исследуются методы регулирования мощности отключением цилиндров [1], применение модульных силовых установок [2], использование электрических трансмиссий и электромеханических комбинированных (гибридных) силовых установок [3]. Вновь возник интерес и к механическому аккумулятору энергии - маховику (система KERS - kinetic energy recоvery systems) [4].