автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Решение проблемы обеспечения комплексной безопасности автомобилей средствами современных систем электрооборудования

государственный научный центр российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским автомобильный и автомоторный институт (ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»)

На правах рукописи

Э ИДИ НО В Анатолий Алексеевич

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ СРЕДСТВАМИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОО^БШ^УД0«7ЛП

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт" (ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»)

Официальные оппоненты:

- Ютг Владимир Евсеевич - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ;

- Лозенко Валерий Константинович - доктор технических наук, профессор;

Овсянников Евгений Михайлович - доктор технических наук, ст. научн. сотрудник.

Ведущее предприятие: Федеральное государственное предприятие Научно-исследовательский институт автомобильной электроники и электрооборудования (ФГУП НИИАЭ)

Защита диссертации в виде научного доклада состоится 21 апреля 2006 г. в 10.00 ч., на заседании Диссертационного совета Д 212.126.05 при Московском автомобильно-дорожном институте (Государственный технический университет) по адресу: 123829, ГСПА-47, Ленинградский проспект, дом 64.

Диссертация в виде науч. _ локлада разослана 20 марта 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н., доцент

Михайлова Н.В.

Общая характеристика работы Актуальность работы

Комплексная (активная, пассивная и экологическая) безопасность автотранспортных средств (АТС) является приоритетным направлением развития мирового и отечественного автомобилестроения XXI столетия. Это положение отражено в «Концепции развития автомобильной промышленности России», одобренной Распоряжением Правительства Российской Федерации № 978-рот 16.07.02 г.

Активная, пассивная и экологическая безопасность АТС предусматривает выполнение комплекса фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований по автомобильному электрооборудованию, в том числе по разработке и внедрению экологически чистых автомобилей на базе электронных и микропроцессорных систем управления, перспективных систем электропривода, электромобилей и автотранспортных средств (АТС) с комбинированными энергоустановками (КЭУ) с минимальным воздействием на человека и окружающую среду по полному жизненному циклу, с повышением безопасности движения АТС.

В настоящей работе рассматриваются вопросы технико-экономической эффективности обеспечения комплексной (активной, пассивной и экологической) безопасности АТС средствами современных систем электрооборудования.

В мировом автомобилестроении разработаны программы по гармоническому развитию систем «энергетика - экономика - природа - общество», принимается комплекс мер с отказом от потребительского отношения к энергоресурсам, от пренебрежения к экологическим последствиям безумного перерасхода энергоресурсов (программы PNGV а затем «Freedom Саг» - в США; программа «Prometeus» - Европа; IVHS - Япония; «Oil-1» и «Oil-2» - в Европе и др.), а также ряд программ, направленных на повышение безопасности дорожного движения АТС.

В Российской Федерации «Концепция развития автомобильной промышленности России» определила этапность соответствия АТС перспективным требованиям по уровню токсичности и безопасности. Принят ряд директивных документов, например, запрет на производство и ввоз автомобилей и автобусов с дизельными двигателями, не соответствующими требованиям ЕВРО-1 и др.

Госстандартом России введено прямое действие Правил ЕЭК ООН, в том числе и определяющих требования к активной, пассивной и экологической безопасности АТС. Принят Федеральный закон «О техническом регулировании», в развитие которого разрабатываются технические регламенты по экологичности и безопасности АТС. Основные направления повышения активной, пассивной и экологической безопасности автомобилей средствами современного электрооборудования приведены в таблице 1.

Основные направления но повышению комплексной безопасности АТС сюедствами систем

Комплексная безопасность АТС

X

Активная безопасность

- Электронные системы управления агрегатами шасси (тормоза, подвеска, рулевой механизм);

- электронные системы управления ходовой части и движением АТС (поддержание постоянной скорости, система предупреждения столкновений и система сохранения дистанции; оптимизация маршрута, определение местонахожден ия и др.);

- осветительные и светосигнальные приборы АТС;

- системы оптимизации условий эксплуатации АТС (определение осевых нагрузок, контроль положения и массы груза и др.).

Пассивная безопасность Экологическая безопасность

Информационно-контрольно-

диагностическая система ИКДС (оперативная, дополнительная и внешняя информация); управление ремнями безопасности с преднатягом; air-bag (подушка безопасности); управление комфортом и системами персонализации (микроклимат, подогрев сидений,управление установкой рулевого колеса, сидений и т.п.); система оценки физиологического состояния водителя и пр.

_L

- Электромобили (ЭМ) с решением проблем экологии при выработке электроэнергии и при изготовлении тяговых источников тока, ЭХГ и др.;

- КЭУ (на базе ДВС);

- КЭУ (на базе ЭХГ и тяговых источников тока);

- адаптивная система управления силовым агрегатом (ДВС и трансмиссия как для дизелей, бензиновых ДВС, так и для ДВС на альтернативных топливах);

- моторный комплект систем электрооборудования (системы электропуска, зажигания и др.).

Ниже рассмотрен ряд современных систем электрооборудования, в разработке которых соискатель принимал непосредственное участие как руководитель работ или как участник.

Приоритетное внимание было уделено системам электрооборудования, непосредственно связанным с решением проблемы экологической безопасности АТС.

Основные направления развития энергетических установок и альтернативных видов топлива для АТС с низкими и сверхнизкими выбросами вредных веществ приведены на рис.1.

Анализ материалов (рис. 1 и таблица 2) подтверждает необходимость концентрации усилий на разработке энергоустановок:

• в ближайшей перспективе КЭУ на базе ДВС и систем электропривода;

• в далекой перспективе КЭУ на базе электрохимического генератора «водород -воздух» или на базе перспективных источников тока.

Дизтопливо

Диметилэфир

Виды Бензин

топлива Пропан-бутан

Метан

Водород

Метанол

Двигатели внутреннего сгорания Дизельные

Бензиновые

Газовые

Водородные

Сужение области разработок

Автомобиль С ДВС

Автомобиль с КЭУ

Автомобильные бортовые электрохимические генераторы на основе топливных элементов Щелочные

Мембранные

Другие

разработок

Навесные системы снижения токсичности Нейтрализаторы для дизельных двигателей

Сажевые фильтры

Нейтрализаторы для газовых двигателей

Новые системы рециркуляции

Сужение области разработок

Электромобиль41 с КЭУ на базе ^ЭХГ^

Генераторы Переменного тока Сужение области рнряботга-------

Постоянного тока

Автомобильные тяговые Постоянного тока сужение ооласта

электродвигатели Переменного тока разработок________

Накопители энергии Механические накопители энергии в режиме рекуперации Маховичные и другие

Электрические конденсаторы Тяговые конденсаторы

Стартерные конденсаторы

Ионисторы и другие

Электрические аккумуляторы Тяговые

Стартерные

Электромобиль* ^ с КЭУ на ТЭ (водород^ на борту)

Сужение области разработок

Системы хранения топлива на борту автомобиля Автомобильные криогенные баки для природного газа и водорода Баки с экранно-вакуумной изоляцией

Баки с пенно-вакуумной изоляцией

Арматура криогенных баков

Баки с погруженными насосами

Баллоны сверхвысокого давления Стальные баллоны

Баллоны из композитных материалов

Сужение области разработок

Рис. 1. Схема развития установок и альтернативных видов топлива для автотранспорта с низкими и сверхнизкими выбросами вредных веществ

Коэффициент полезного действия различных энергоустановок с учетом затрат на производство топлива

Эффект. К.П. Дизтоп-ливо Бензин Прир. газ комприм. Прир. газ сжижен. Водород комприм. Водород сжижен. Электроэнергия

ДВС дизельный 0,270 0,169

ДВС бензиновый 0,230 0,135

ДВС газовый 0.230 0,203 0,208 0,119 0,114

КЭУ (ДВС диз. + электродвиг. 0,290 0,181

КЭУ (ДВС беге. + электродвиг. 0,240 0.141

КЭУ (ДВС газов. + электродвиг. 0,240 0,212 0,217 0,124 0,119

Электромобиль 0,710 0,180

ЭХГнаТЭ 0,480 0,424 0,433 0,248 0,238

к.п.д. производства топлив

Добыча 0,98 0,98 0,98 0,98

Переработка 0,65 0,61

Транспортировка 0,98 0,98 0,98 0,98 0.97 0,96 0,94

Электролиз 0,75 0,72

Конверсия 0,78 0,78 0,32

Сжатие или пре -образование 0,92 0,91 0,75

Ожижение 0,94 0,92

Суммарн. к.п.д. по лучения то пл. 0.624 0,586 0,884 0,903 0,516 0,496 0,226

Автомобиль с ЭХГ на топливных элементах (на сжиж. природа, газе) — 0,433

Автомобиль с КЭУ на сжиженном природном газе — 0,217

Автомобиль с газовым ДВС (на сжиж. природн. газе) — 0,208

Электромобиль —0,160

Цели и задачи работы

Целью работы является разработка и определение направлений повышения технико-экономической эффективности, практических методов оценки, экспериментально-теоретическое обоснование и совершенствование систем автомобильного электрооборудования, обеспечивающего комплексную (активную, пассивную и экологическую) безопасность АТС в соответствии с перспективными международными требованиями по экологии, топливной экономичности и безопасности.

В соответствии с поставленной целью основные задачи работы заключаются в следующем:

1. Исследования взаимосвязей основных параметров, разработка концепции и основных направлений развития систем автомобильного электрооборудования, включающих управление системы электропривода: (комбинированных энергоустановок (КЭУ) на базе ДВС, электрохимических генераторов, а также на базе перспективных источников тока; электромобилей и автопоездов с электроприводом периодического и постоянного действия).

2. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, разработка методик, математических моделей и расчет систем электрооборудования, комбинированных энергоустановок (КЭУ); электромобилей и автомобилей с КЭУ, а также автопоездов с электроприводом периодического действия на постоянном и переменном токе, с целью оптимизации параметров систем автомобильного электрооборудования и оценки их эффективности по активной, пассивной и экологической безопасности АТС.

3. Разработка и внедрение систем автомобильного электрооборудования, обеспечивающих и способствующих решению проблемы комплексной (активной, пассивной и экологической) безопасности АТС (необслуживаемые аккумуляторные батареи, бесконтактные электронные системы зажигания, электронные системы управления сцеплением, коробкой передач, подвеской; информационно-контрольно-диагиосгическне системы (бортовые системы контроля; системы встроенных датчиков и контрольных точек; централизованная система распределения электроэнергии и др.).

4. Разработка и внедрение директивных и нормативных документов по системе автомобильного электрооборудования.

Объекты исследования

По автомобильному электрооборудованию были исследованы: более 80 моделей зарубежных легковых и грузовых автомобилей, а также автобусов; системы электропуска для автомобилей ВАЗ с дизелем и для автомобилей «КамАЗ» (в том числе электропусковая система (ЭПС) с емкостными накопителями энергии); бортовые системы контроля (БСК) для автомобилей ВАЗ, «Москвич»; системы встроенных датчиков и контрольных точек для автомобилей (СВДиКТ) ВАЗ, «Москвич» и МАЗ; централизованная система распределения электроэнергии для автомобилей МАЗ; необслуживаемые аккумуляторные батареи для автомобилей ВАЗ, «Москвич»; бесконтактная электронная система зажигания с датчиком Холла для автомобилей ВАЗ; электронная система управления сцеплением для автомобилей СеАЗ; полнокомплектные системы электрооборудования для автомобилей, разрабатываемых в НАМИ (КАЗ-4540, магистральные автопоезда «Русь» и «Тайфун», концепт-кары «Дебют» и «Компакт» и др.).

По автомобилям с электроприводом периодического действия, электромобилям и автомобилям с комбинированными энергетическими установками (КЭУ) были разработаны и исследованы: система электропривода периодического действия - БелАЗ-5Э1Т; МоАЗ-546Г; КЭКТ-932; электромобили: УАЗ-252Э; НАМИ-189Э; НАМИ-РАФ-3806; ЛАЗ-696Э; «Москвич-401Э»; АТС с КЭУ: ВАЗ-2109 с КЭУ на базе ЭХГ алюминий-воздух; «Газель-3302» с КЭУ на базе ДВС и др.

Методы исследования

Исследования выполнялись с применением теоретических и экспериментальных методов, основанных на достижениях теории автоматического регулирования; численных методов и математического моделирования; теории систем электропривода, электрических машин, а также методов комплексного исследования эффективности мероприятий для снижения вредных выбросов и повышения топливной экономичности и безопасности АТС.

При экспериментальных исследованиях использовались специально разработанные стационарные [50] и переносные измерительные комплексы, устанавливаемые на автомобили и автопоезда с электроприводом; на электромобили и автомобили с КЭУ. Использовались методы расчета и обработки результатов экспериментальных и эксплуатационных испытаний с помощью ЭВМ.

Научная новизна

Разработана научная концепция создания комплексных электротехнических средств, а также взаимосвязанных научных, технических и технологических решений, направленных на создание и модернизацию систем электрооборудования для обеспечения комплексной безопасности автотранспортных средств (АТС).

Были разработаны:

► раздел систем электрооборудования в «Концепции развития автомобильной промышленности России»;

► методика расчета характеристик систем электропривода полуприцепа периодического действия на постоянном и переменном токе для двухзвенных автопоездов с гидромеханической (и механической) передачей тягача как один из вариантов параллельной схемы КЭУ [43, 44, 48];

► методика определения собственных частот крутильных колебаний мотор-колес автомобилей с электроприводом [45];

► методика расчета и создание универсального стенда для исследований и испытаний систем электропривода переменного и постоянного тока АТС с мотор-колесами, а также номограмма для определения параметров систем [50];

► методика расчета с использованием математических моделей для исследования и оценки эффективности электромобилей с различными химическими источниками тока и их комбинациями (КЭУ) и также автомобилей с КЭУ на базе ДВС;

► алгоритмы для электронных систем управления агрегатами АТС (сцепление, коробка передач, бесконтактная электронная система зажигания, подвеска, бортовые системы контроля, телевизионная установка заднего вида; локальные мультиплексные системы связи и др.) [19,26,32];

► схемотехнические решения при создании централизованной системы энергоснабжения грузового автомобиля (блок реле и предохранителей) со средствами автоматической защиты; концепция архитектуры построения электрической и электронной системы АТС [63];

► комплекс стендов и методик исследований агрегатов и систем автомобильного электрооборудования [50].

Достоверность научных положений и рекомендаций и основных выводов подтверждена результатами вычислительных экспериментов, стендовых и натурных испытаний разработанных систем. Расхождения с натурными образцами и моделями при эксперименте составили: (6-7%) при вычислительных экспериментах; (10-12%) при стендовых, (8-13%) при натурных испытаниях. Разработанные и внедренные бортовые системы электрооборудования подвергнуты модернизации (технической и параметрической).

Практическая ценность и реализация результатов работы

Результаты комплекса теоретических и экспериментальных исследований систем автомобильного электрооборудования, проведенных соискателем, позволили разработать: ■ разделы по развитию автомобильного электрооборудования: в проекте федеральной целевой программы «Развития автомобильной промышленности России на период до 2005 года», выполненной на основе Постановления Правительства Российской Федерации (№ 286 от 15 марта 1999 г.); - в «Основных направлениях развития

автопрома России за период до 2005 г.»; одобренных Постановлением Правительства РФ от 15. 03.99 г. № 286, в «Концепции развития автомобильной промышленности России», одобренной Распоряжением Правительства РФ № 976-р от 16.07.2002 г.;

■ сформулировать предложения по организации разработки и производства в Московском регионе изделий автотракторного электрооборудования (АТС) и автоэлектроники (АЭ) �