автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение топливно-экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания в составе комбинированных энергетических установок автотранспортных средств

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное Государственное унитарное предприятие «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

На правах рукописи

ЛЕЖНБВ Лев Юрьевич

УЛУЧШЕНИЕ ТОПЛИВНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В СОСТАВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации ФГУП "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ"

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.Ф. Каменев

Официальные оппоненты

доктор технических паук, профессор С.В. Бахмутов

кандидат технических наук, профессор Б.Я. Черняк

Ведущая организация

ОАО "Заволжский Моторный Завод"

^ "М/кЛ 2005 г. в#

Защита диссертации состоится "Л " М^^СА 2005 г. в 77 часов на заседании диссертационного совета Д217.0 Й.01 в Государственном научном центре Российской Федерации ФГУП "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" по адресу: 125438 Москва, Автомоторная ул., 2.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГУП "НАМИ" по адресу: 125438 Москва, Автомоторная ул., 2.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря по адресу: 125438 Москва, Автомоторная ул., 2., ФГУП «НАМИ».

Автореферат разослан "

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, с.н.с

А.Г. Зубакин

1Ъ~77Т 1

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Истощение природных энергетических ресурсов и глобальное загрязнение окружающей среды вредными промышленными отходами, в большей мере связанное с постоянным ростом мирового автомобильного парка, делает актуальной проблему создания экологически безопасных с минимальным расходованием топлива автотранспортных средств.

Двигатели внутреннего сгорания традиционных транспортных средств практически 90% времени эксплуатируются на неустановившихся режимах работы. Кроме этого, движение автотранспорта в городских зонах с ограниченными пропускными возможностями магистралей обуславливает использование только незначительной части потенциальной мощности двигателей. Перечисленные факторы являются определяющими в снижении эффективности работы традиционных энергетических установок автотранспортных средств с точки зрения расходования топлива и выбросов вредных веществ.

Одним из решений этих проблем является разработка энергетических установок, способных обеспечивать работу ДВС на режимах его наибольшей эффективности. В настоящее время в ряде стран ведутся работы по созданию транспортных средств, использующих комбинированные энергетические установки (КЭУ), в состав которых входят ДВС и буферный накопитель энергии. Применение буферного накопителя энергии позволяет ДВС работать в независимости от режима движения автомобиля и тем самым обеспечить работу ДВС на его самых благоприятных режимах.

При значительной степени изученности такого типа энергоустановок, в настоящее время ещё далеко не раскрыты все потенциальные возможности таких схем. Ключевым звеном в работе по достижению максимальной эффективности комбинированной энергоустановки являются алгоритмы управления узлами и агрегатами КЭУ, в частности алгоритм управления ДВС, организация его работы в составе КЭУ и определение необходимых технических требований к ДВС. Данным вопросам в работе было уделено основное внимание, что обусловило актуальность темы диссертационных исследований.

Дель работы. Исследование способов улучшения тошшвно-экономических и экологических показателей автотранспортных средств с двигателями внутреннего сгорания за счет применения комбинированных энергетических установок.

Научную новизну работы составляют:

1. Методика определения зоны оптимальных режимных точек работы ДВС в составе КЭУ (зона ОРТ), при работе в которой обеспечивается минимизация расхода топлива с соблюдением рд^^^^таб^осы^вдедных веществ.

БИБЛИОТЕКА

<£ ш/ГтД/ j

2. Разработанная имитационная математическая модель КЭУ, ориентированная на отладку стратегии рационального управления энергоустановкой.

3. Разработанные законы и алгоритмы управления ДВС и агрегатами, входящими в состав КЭУ.

4. Теоретическое обоснование концепции выбора и модификации ДВС для его работы в составе КЭУ.

Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетно-аналитические и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике на специализированном моторном стенде фирмы "FROUDE" и на стенде с беговыми барабанами ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ".

Достоверность результатов обеспечена адекватностью математических моделей и экспериментальных исследований, как собственных, так и заимствованных из опубликованных работ. А также использованием современного оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов.

Практическую ценность представляют:

1. Разработанные законы и алгоритмы управления двигателем внутреннего сгорания и агрегатами КЭУ, позволяющие оптимально сочетать минимизацию массогабаритных показателей КЭУ, расхода топлива и выполнение заданных экологических норм.

2. Определенные в работе топливно-экономический и экологический эффекты от применения разработанных законов и алгоритмов управления ДВС в составе КЭУ.

3. Практические рекомендации по организации работы двигателя внутреннего сгорания в составе комбинированной энергетической установки.

4 Методика выбора ДВС для КЭУ с различными стратегиями управления.

5. Практические рекомендации по модификации и адаптации ДВС для КЭУ.

Реализация результатов работы. Материалы работы использованы при выполнении программы фундаментальных и поисковых исследований ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» по направлению: «Разработка научных основ создания перспективных экологических автотранспортных средств с комбинированной энергоустановкой на базе двигателя внутреннего сгорания, топливных элементов, перспективных источников тока» в рамках проведения работ по Государственным контрактам с Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации в 2001-2004 гг. Конкретные результаты диссертационной работы, также, нашли применение в проектно-конструкторской деятельности РКК «Энергия» при разработке раздела технического предложения по концепции автомобиля с энергоустановкой на основе КЭУ и топливных элементов. Материалы были переданы на ОАО

„ < f .I!1-- ■Л'т

«ЗМЗ» для изучения с целью дальнейшего использования в работах предприятия.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Научно-техническом Совете ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» в 20012004 гг., а также на следующих конференциях: <■ • XXXI Международная научно-техническая конференция

Ассоциации автомобильных инженеров РФ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» (г. Москва, % МГТУ «МАМИ», 2000 г.);

• Society of Automotive Engineers - SAE World Congress (США, г. Детройт, Кобо Центр, 2002 г.);

• XXXIX Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров РФ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 2002 г.);

• Международная научно-техническая конференция «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (г. Москва, МАДИ (ГТУ), 2003 г.);

• 5-ая Международная автомобильная конференция «Двигатели для российских автомобилей» (г. Москва, Конгресс-центр ЗАО «Экспоцентр», 2003 г.);

• 2-я международная специализированная выставка «Транспорт для городов, курортов и зон отдыха» (г. Москва ФГУП «НАМИ» 2002 г.)

• 7-ая Международная специализированная выставка «Экологически чистый транспорт» (г. Москва ФГУП «НАМИ» 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 104 источников. Результаты изложены на 134 страницах машинописного текста, иллюстрированного 12 таблицами и 47 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования.

В первой главе диссертации проведен анализ проблем экологии и топливной экономичности автотранспорта, рассмотрены вопросы нормирования экологических и энергетических показателей автотранспортных средств, проанализированы перспективные пути улучшения топливной экономичности и экологических показателей автомобилей.

Наиболее перспективным направлением снижения токсичности и расхода топлива признано использование в качестве энергоустановки

электрохимических генераторов (ЭХГ) на базе топливных элементов, а в качестве топлива - водород. Продукты сгорания водорода в ЭХГ не содержат вредных компонентов. КПД ЭХГ выше, чем у традиционных энергоустановок.

Однако, проведенный анализ по рассматриваемой проблеме, показывает, что для применения альтернативных высокоэкологичных топлив для АТС имеются следующие основные проблемы:

• большая масса и габариты агрегатов для хранения такого топлива или для его получения на борту автомобиля;

• значительные проблемы с организацией топливоснабжения энергетической установки из-за инерционности агрегатов получения водорода на борту АТС при резко переменных режимах работы, характерных для эксплуатации автомобиля.

Комплексное решение обеих проблем может быть обеспечено путем применения КЭУ. В таких схемах энергопитание системы обеспечивается одной установкой, а тяговый привод другой. В качестве приводного агрегата используется электродвигатель, а его энергопитание производится от силовой энергоустановки и буферного накопителя энергии. Такие схемы позволяют обеспечить стационарный или почти стационарный режим работы энергетических установок, и что важно, - в оптимальных режимах, это позволяет существенно повысить топливную экономичность. Кроме того, возможно обеспечение рекуперации энергии при торможении транспортного средства.

Учитывая, что только к 2020 - 2025 годам возможно создание инфраструктуры получения, хранения, транспортировки и заправки водородом массового автотранспорта, ведущие производители автотранспортных средств приняли поэтапную концепцию создания экологически чистого автомобиля. На первом этапе предусматривается создание автотранспортных средств с КЭУ на базе ДВС, питаемого традиционными видами топлива.

Исследования, посвященные данной проблеме, выполнены за последние годы рядом российских и зарубежных ученых. Данную проблему исследовали: C.B. Бахмутов, C.B. Гусаков, О.Н. Дидманидзе, М.М. Дижур, И.С. Ефремов, В.А. Звонов, С.А. Иванов, Д.В. Изосимов, A.A. Ипатов, В.Ф. Каменев, И.П. Ксеневич, Б.И. Петленко, В.Е. Розенфельд, В.В. Селифонов, А.Д. Степанов, В.М. Фомин, Б.Я. Черняк, С.Ю. Шугуров, A.A. Эйдинов, В.Е. Ютт, А.И. Яковлев, M. Berg, P. Chudi, R Krishnamachari, A. Malmquist, J. Maxwell, P. Papalambros, Y. Yinglin, и др.

Проведенный анализ позволил сформулировать следующий перечень

задач:

1. Выбор оптимальной схемы КЭУ для автотранспортного средства с точки зрения снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ двигателем внутреннего сгорания.

2. Разработка имитационной математической модели КЭУ, описывающей работу ДВС и основных её агрегатов, для проведения углубленных исследований и оптимизации режимов работы агрегатов КЭУ и всей энергоустановки в целом.

3. Определение оптимальных режимов работы ДВС, обеспечивающих минимизацию расхода топлива и выбросов вредных веществ.

4. Оптимизация и расчет параметров основных агрегатов КЭУ.

5. Определение с помощью разработанной имитационной модели оптимальных алгоритмов управления основными агрегатами КЭУ.

6. Разработка методики испытаний ДВС на стенде, позволяющей имитировать его работу в составе комбинированной энергетической установки на автомобиле при его движении по заданному ездовому циклу.

7. Выбор ДВС и определение путей его модификации для АТС с КЭУ

Во второй главе приведены материалы теоретических исследований комбинированных энергетических установок для автотранспортных средств, разработана имитационная математическая модель КЭУ, специально ориентированная на разработку алгоритмов управления, разработаны законы и алгоритмы управления ДВС и агрегатами КЭУ, обеспечивающие оптимизацию по основным параметрам энергоустановки : расходу топлива, выбросам вредных веществ, минимизации размера буферных накопителей энергии.

В первой части главы дан подробный анализ основных компонентов комбинированной энергетической установки, приведены их характеристики, введена необходимая терминология и определены компоненты, характеристики которых наиболее подходят для использования в КЭУ.

Во второй части представлена имитационная математическая модель, которая описывает поведение основных компонентов КЭУ последовательной структуры (рис. 1) при движении автомобиля по произвольному ездовому циклу. Модель включает в себя связанные между собой отдельные блоки-подмодели. Модель ДВС представляет собой зависимости, полученные экспериментальным путем на стационарном режиме его работы в виде :

м,ф_ со, сн, ж)х=а;др, Пдв).

Исходные данные представлены в виде многомерного массива. Работа двигателя в последовательной схеме комбинированной энергетической установки является стационарной или почти стационарной, что позволяет считать предложенную подмодель ДВС адекватной.

Математическая модель электрического генератора представляет собой зависимости значений КПД преобразования механической энергии в электрическую от параметров режима работы: 11 гс„= Г (М,ф_ген, п ^ ).

подмодель системы управления КЭУ

<PJ

подмодель ДВС М^, СО, СН, NO, = «ДР, Пд.)

orUG,

сбор информации

сз,%

и,

jfe/ни»

динамика ДГУ

,!„/ МЛИС~МГЕН

7dt=-

Мн.

- подмодель эл.

генератора

Пдб/тр ^ ген

N. Вт |

подмодель буферного накопителя

уо_о_I_о__

ези

100%

ездовой цикл

V, м/с -»

S,m

N, ВТ

подмодель тягового эл. привода

Л ЭЯ_ИОТОр ~ f (М^тэд, D дан )

S.m J V, м/с

подмодель водителя

ф акселератор —

динамика автомобиля

аК/ —__I

/<Ь тк.

Вычисление сопротивления движению АТС

гсопр

Рис.1. Структурная схема имитационной математической модели АТС с КЭУ В подпрограмме «динамика ДГУ (двигатель-генераторная установка)» вычисляются текущие значения частоты вращения (п) в зависимости от крутящего момента, развиваемого ДВС (Мдес), и тормозного момента создаваемого генератором (Мген).

dn/

?dt-

Мдж -Мгт J nrv

О) ;

где: Мдвс.Мген- крутящие моменты ДВС и генератора соответственно, Ддгу- момент инерции вращающихся частей ДГУ. Подпрограмма «буферный накопитель» выполняет вычисления для определения текущего значения степени заряженности аккумуляторных батарей.

v„„ fxдгу (/)■ а + JX, ^ (?)• й к,, К (')•di

СЗ(г)=СЗ„ +—^-5---1-?--юо% (2);

сз

...

где: СЗ© - текущая степень заряженности буферного аккумулятора электрической энергии, %;

С30 - начальная степень заряженности аккумулятора, %;

N-jajcK^. - мощность при рекуперации, поступающая от тягового электропривода, кВт;

СЗпих - количество энергии, соответствующее максимальной степени заряженности аккумуляторов, кВтч;

Л jap, Л разр - кпд буферных накопителей электроэнергии при заряде и разряде. Значения КПД зависят от степени заряженности аккумуляторов и от мощности заряда или разряда;

Значения tj зар> т] pa3pi были получены из опубликованных экспериментальных данных.

Имитационная подмодель «тяговый эл. привод» представляет собой, также как и модель «эл. генератор», зависимости КПД от параметров режимной точки, т.е: ц эл_мОТоР = f (Мкр_эл_мотор, п „ш'1 ), где М^ эл_м<пор -крутящий момент тягового электродвигателя.

В подпрограмме «динамика автомобиля» имитационной модели, вычисляется значения скорости и ускорения автомобиля в зависимости от выбора подпрограммой «водитель» положения педали «акселератор» или «тормоз» и действующих на автомобиль сил сопротивления движению.

Задача подпрограммы «водитель» - имитировать действия водителя, т.е. анализировать текущее значение пройденного пути автомобилем и сравнивать её с заданным значением, после этого выдавать команды на управление педалями «акселератор» и «тормоз». Делая допущение, что в работе не рассматривается поведение исследуемых систем в зависимости от психологических состояний водителя и дорожной ситуации, в качестве модели водителя был использован пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер (ПИД). ПИД-контроллер достаточно хорошо компенсирует ошибки, вызванные рассогласованием заданного и фактического путей, пройденных автомобилем, и для описанных задач может быть применим. Подмодель водителя описывается следующим выражением:

фахселератор = ^" ^"^ + " Jk)' (4);

где: ki, k2, k3 - коэффициенты ПИД-регулятора;

S3- заданное значение пройденного пути автомобилем S3=f Vm 3a5dt;

8Ф - фактическое значение пройденного пути автомобилем §ф=/ Vai ф^;

Математическая модель системы управления включает в себя подпрограмму управления ДВС, подпрограмму управления генератором, подпрограмму управления тяговым электроприводом.

Математическая модель системы управления ДВС и генератором работает в соответствии с разработанным алгоритмом.

Третья часть главы посвящена определению оптимальных режимов работы ДВС. Цель определения оптимальных режимов работы ДВС при любой схеме комбинированной силовой установки направлена на обеспечение требуемой для работы энергетической установки мощности при минимально возможных для этой мощности расхода топлива и выбросов вредных веществ. ДВС может развивать заданную мощность (не максимальную) при различных частотах вращения и различных значениях

крутящего момента. Задача состоит в том, чтобы выбрать такие значения этих параметров, которые обеспечивают минимум расхода топлива (&) и выбросов вредных веществ при заданной мощности.

Выбор оптимальных значений частоты вращения и крутящего момента двигателя производился с помощью многопараметровой характеристики двигателя (рис.2). Для каждой кривой мощности были определены все значения удельного расхода топлива, которые вычисляются как точки пересечения кривой заданной мощности с кривыми удельного расхода топлива. Далее для каждого значения мощности было определено минимальное значение Совокупность режимных точек, имеющих минимальные значения &на каждом значении мощности, представляет собой функцию М^е-Я^п). Данная функция есть место расположения оптимальных режимных точек (линия ОРТ&), обеспечивающих минимальный расход топлива при заданной мощности ДВС

На рис. 2, изображена кривая ОРТ§етш и область, обозначенная звездочками, в которой не превышает 5 % от минимального значения.

Если выбросы вредных веществ превышают допустимые значения, то линия ОРТ§ет;п должна быть скорректирована. Для корректировки ОРТ-линии в случае неудовлетворения нормам на выбросы вредных веществ, должна быть использована процедура мультиобъектной оптимизации.

Рис. 2. Многопараметровая характеристика по & (г/кВт-ч) двигателя ВАЗ-2112, с областью ОРТ

Четвертая часть второй главы посвящена определению алгоритмов управления двигатель-генераторной установкой (ДГУ). Задача регулирования ДГУ состоит в том, чтобы, имея заданное значение мощности, обеспечить работу агрегатов ДГУ в зоне оптимальных режимных точек, которые были определены на предыдущем этапе. ДГУ содержит два органа управления:

• в ДВС - орган управления подачей топлива (дроссель или рейка ТНВД);

• в генераторе - обмотка возбуждения.

Таким образом, имеется два органа управления и две регулируемых величины: частота вращения и нагрузка.

Целью управления является получение значений частоты вращения и нагрузки, соответствующих зоне ОРТ.

В работе было установлено, что в случае применения в ДГУ бензинового двигателя, последний должен регулироваться так, чтобы создавать заданный крутящий момент, а электрический генератор должен регулироваться так, чтобы обеспечивать заданную частоту вращения. В контуре управления должны присутствовать два ПИД-регулятора (ДВС и генератором) и обеспечиваться их одновременная работа.

В пятой части второй главы рассмотрен вопрос определения необходимой мощности, развиваемой ДВС в составе КЭУ в каждый момент времени при движении автомобиля по произвольному ездовому циклу.

Для определения оптимального алгоритма управления режимом работы ДВС были исследованы несколько известных вариантов стратегий управления. В первом варианте стратегии управления ДВС работает на одной режимной точке, принадлежащей зоне ОРТ, на мощности, соответствующей средней мощности, необходимой для движения по заданному ездовому циклу. В этом случае появляется возможность снизить мощность ДВС в несколько раз по сравнению с традиционной энергоустановкой и обеспечить его работу на стационарном и наиболее эффективном, выбранном заранее режиме. Такая стратегия управления требует очень точного расчета необходимой ёмкости буфера и оптимальна для случаев движения транспортного средства по заранее известному маршруту движения.

Другой вариант алгоритма работы ДВС в составе КЭУ осуществляется по принципу старт-стоп. В данном случае ДВС должен иметь большую мощность относительно ранее описанного варианта. На рис. 3 тонкими линиями с надписями «мин» и «макс» указаны соответственно нижняя и верхняя границы «коридора», в котором поддерживается заданное значение степени заряженности аккумуляторов (СЗ). При достижении верхней границы заряда, следуя данному алгоритму, ДВС выключается и находится в выключенном состоянии до тех пор, пока степень заряженности аккумуляторов не достигнет нижней границы коридора. Как только степень заряженности достигает нижней границы, двигатель снова включается и

работает до тех пор, пока СЗ не достигнет верхней границы, затем последовательность повторяется.

При такой стратегии управления исключается возможность перезаряда буферного накопителя, в некоторой степени снижается вероятность разряда, а также снижается величина необходимой емкости буферного накопителя.

Недостатком стратегии является наличие режимов пуска и останова ДВС и, как следствие, ухудшение токсичности, связанное с нестабильностью температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов и нестабильностью процесса смесеобразования. Кроме того, при работе КЭУ, может создаться ситуация, при которой, одновременно с выключением двигателя, наступит момент интенсивного разгона. Вследствие этого на интенсивном разгоне, где необходима постоянная подзарядка накопителей электроэнергии, основной источник энергии будет выключен и как следствие - недостаточность энергии для окончания цикла. На рис. 3 этот момент совпал с моментом начала движения по загородному скоростному участку.

Перечисленные выше недостатки исследованных стратегий управления обусловили целесообразность разработки улучшенного (оптимального) алгоритма управления мощностью, вырабатываемой ДГУ.

Рис. 3. Результаты моделирования движения транспортного средства, алгоритм «старт-стоп»

Для разработки указанного алгоритма управления были сформулированы дели регулирования:

1. Уменьшение вероятности разряда буферного накопителя электроэнергии и минимизация случаев выключения силовой установки при

I полностью заряженном накопителе энергии.

2. Обеспечение плавности изменения мощности ДВС для

» стабилизации режимов его работы в режиме, наиболее близком к

стационарному.

В работе было определено, что вероятность достижения максимального или минимального уровня заряда буферного накопителя энергии зависит от двух факторов: степени флуктуации процесса СЗ накопителя энергии и величины среднего уровня СЗ. Если рассматривать случайный процесс, характерный для реального движения транспортного средства, то мерой степени флуктуации процесса является среднее квадратическое значение

процесса (о): *

где : СЗ - центрированное значение процесса СЗ (у которого мат. ожидание Мо=0);

Д з - дисперсия процесса СЗ. Для случайных процессов нормального распределения вероятность не превышения уровня ±Зо составляет 0,9974.

Среднее значение случайного процесса есть его математическое ожидание:

МСЗ=^)СЗШ (б);

* о

Для того, чтобы выполнить требование 1 необходимо уменьшить величину сга и обеспечить Ма на уровне 50% от максимальной степени заряженности. Однако целесообразно величину Ма поддерживать на максимально возможном уровне так как, с практической точки зрения, разряд буферного накопителя энергии (С3=0) является крайне нежелательным явлением, приводящим к снижению скорости движения автомобиля, в то время как достижение уровня максимального заряда (С3=100%) приводит лишь к выключению ДГУ. Отсюда следует, что вероятность достижения уровня С3=0 должна быть минимально возможной, а вероятность

достижения уровня С3=100% может быть больше. Выполнение этого условия может быть достигнуто путем смещения среднего уровня заряда СЗ к уровню С3=100%. Если 30 < 50% СЗ^ (рис. 4(6)), то СЗ должно быть равно 100%СЗ - ЗС , если ЗС > 50% СЗтах (рис. 4(в)), то средний уровень должен быть 0% +ЗСТ.

Было показано, что, изменяя среднюю величину мощности ДГУ, можно управлять средним уровнем степени заряда буферного накопителя энергии и поддерживать её на заданном уровне. Функцию управления средним уровнем степени заряда и поддержания его на заданной величине можно осуществить с помощью алгоритма ПИД регулирования.

Плавность изменения мощности ДВС (требование (2)) при управлении по алгоритму ПИД-регулятора зависит от плавности изменения уставки регулирования и плавности изменения фактического значения регулируемой величины. В данном случае обе эти величины определяются путем усреднения исходных значений на интервале времени Т (5),(6). В работе показано, что плавность изменения регулируемой величины зависит от интервала усреднения Т. Анализ данных зависимостей показывает, что чем больше величина Т, тем более плавно происходит изменение величины С3(/).

Таким образом, выбор интервала Т является компромиссом между обеспечением необходимой плавности изменения управляющего воздействия ПИД-регулятора и, соответственно, мощности ДВС и быстротой реакции изменения зарядной мощности. Очевидно, что если Т=0, то текущая мощность ДГУ должна быть равна (с учетом КПД) мощности на колесах. В этом случае нет необходимости в аккумуляторе энергии. При увеличении интервала усреднения в результате более плавного изменения мощности ДГУ будет требоваться увеличение емкости буферного накопителя электрической энергии.

В качестве параметра, характеризующего допустимую скорость изменения мощности ДГУ (Ау, может служить максимальная величина

производной этого процесса - Экспериментальными исследованиями

в работе было установлено, что при изменении мощности ДВС по линии-ОРТ от нуля до максимального значения в течение от 20 секунд и более показатели работы двигателя, полученные в этом динамическом режиме, практически не отличаются от параметров работы двигателя в статическом режиме в соответствующих режимных точках.

Например, для двигателя ВАЗ-2112 допустимая величина производной мощности составит 3,5 кВт/с, таким образом, при интервале усреднения Т=20 с, скорость изменения мощности двигателя не превысит заданных 3,5 кВт/с.

На рис.4 (а) показана схема алгоритма определения и управления мощностью ДВС в зависимости от процесса степени заряда буферного накопителя электроэнергии.

определение фактического значения степени зараженности, СЗф

определение среднего квадратического значения: определение фактического текущего значения средней степени заряда: 1 г=0

1 ,Осз

определение уставки текущего значения средней степени заряда: если ЗОсз < 50% СЗщах то СЗ(/)= СЗ^ - ЗСТсз если ЗСсз > 50% СЗтах то С3(г)= СЗ^ +3асз сз^Х п и д регулятор

Рис.4(а). Структурная схема алгоритма управления мощностью ДВС

%,сз

%,сз

°0 20 40 60 80 100 °0 20 40 60 80 100

время, с

время, с

Рис.4(б),(в). Иллюстрация алгоритма управления мощностью ДВС

В третьей главе описаны использованные в работе методы и оборудование для проведения исследований процессов, происходящих в комбинированной энергоустановке в целом и в отдельных ее элементах.

Диссертационные исследования проводились на моторных стендах, на специализированном имитационном комплексе и на автомобиле на стенде с беговыми барабанами.

Комбинированная энергетическая установка представляет собой достаточно сложный комплекс систем и агрегатов, который изменяется в зависимости от требований, поставленных разработчиком при создании такого типа транспортного средства, что обусловило необходимость создания специального стенда и методологии исследований и доводки отдельных элементов силового агрегата и гибридного АТС в целом, используя современные технологии. Основными этапами данной методологии явились разработка имитационной компьютерной модели КЭУ, с помощью которой еще до окончательной стадии проектирования, в отсутствие макетного образца энергоустановки можно оценить эффективность разработок и получить результаты эксперимента, что позволяет значительно сократить время и финансовые расходы в период работы над проектом. Следует отметить, что моделирование проводится с использованием компьютерных средств графического программирования. Визуализация облегчает разработчику понимание сложной системы функционирования, что также сокращает по времени процесс проектирования. После проведения компьютерного эксперимента разработчик имеет алгоритм управления КЭУ в достаточной степени готовности. Далее разработанный алгоритм, с помощью того же программного обеспечения, где проводилась его разработка, загружается в устройство связи с объектом, что позволяет сразу после разработки

алгоритма осуществлять управление агрегатами КЭУ на стенде или на автомобиле. На следующем этапе работы проводится доводка работы всех элементов КЭУ и доводка разработанного алгоритма на стенде, специально оборудованном для совместного испытания всех агрегатов КЭУ.

В работе были сделаны рекомендации по применению программных средств для разработки алгоритмов управления, моделирования и проведения испытаний комбинированных энергетических установок.

Для испытания ДВС в составе комбинированной энергетической установки была разработана компьютерная программа управления экспериментом, позволяющая воспроизводить на имитационном моторном стенде (рис.5) режимы движения ЛТС с КЭУ в любых возможных установившихся и неустановившихся условиях эксплуатации, в том числе, по «ездовым циклам» международных Правил ЕЭК ООН.

Структурная схема оборудования для испытаний и ВоВоВки агрегатоб комбинированной энергетической установки айтамоВипя ¡КЭУ)

Компьютер К

общее управление сбор и ' обработка бсеи информации

1одель абтомобиля Mi-dV/dtJtt va*? (4/i/vmi

s\

Нагружающее устройство /Стенд FROUDEj

Рис. 5. Структурная схема имитационного стендового комплекса

Разработанная программа управления предусматривает способ управления, осуществляющий моделирование нагрузки на выходном валу комбинированной энергоустановки путем обеспечения поддержания скорости вращения выходного вала, которая вычисляется по следующей зависимости:

сом = j J(М(<)-*,©,(')- k2a>ï(t))dt (g) ;

где: ю i - значение угловой скорости, вычисленной на предыдущем шаге; ю1+] - значение угловой скорости на новом шаге; к(, к2 - коэффициенты,

описывающие сопротивление движению (выбирались с использованием опубликованных данных работ д.т.н., профессора В. А. Петрушова).

В работе была рассмотрена методика проведения испытаний транспортных средств с комбинированной энергетической установкой в соответствии с новой поправкой к Правилам №83 ЕЭК ООН. Испытания должны проводится на экспериментальном стенде с беговыми барабанами, описание стенда и его принципиальная схема приведены в пятой части третьей главы.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследовании работы ДВС в составе комбинированной энергетической установки последовательной схемы.

Целью проведения экспериментальных исследований явились:

• получение исходных характеристик исследуемого ДВС с целью определения оптимальных режимов его работы;

• экспериментальная оценка разработанных алгоритмов управления ДВС и электрическим генератором при выводе ДГУ на заданный оптимальный режим. Подбор параметров ПИД-регулятора для исследуемого ДВС;

• экспериментальная оценка эффективности применения на автотранспортном средстве комбинированной энергетической установки по параметрам топливной экономичности и выбросам вредных веществ.

Для выбора оптимальных значений частоты вращения и крутящего момента двигателя, обеспечивающих минимум расхода топлива и выбросов вредных веществ, были получены многопараметровые характеристики двигателя. На рис 6-8 показаны результаты обработки экспериментальных данных по токсичности двигателя ВАЗ-2112 с распределенным впрыском топлива, измеренных после нейтрализатора отработавших газов ОАО "АВТОВАЗАГРЕГАТ" 21100-1206010.

Мк] Нм

и

вращения двигателя 2112

Рис.6. Значения выбросов СО (г/кВт-ч), после трехкомпонентного нейтрализатора ОГ, в зависимости от крутящего момента

частоты вала

ВАЗ-

я

п, мин

Рис.7. Значения выбросов СН (г/кВт-ч), после трехкомпонентного нейтрализатора ОГ, в зависимости от крутящего момента и частоты вращения вала двигателя ВАЗ-2112

Рис.8. Значения выбросов N0* (г/кВт-ч), после трехкомпонентного нейтрализатора ОГ в зависимости от крутящего момента и частоты вращения вала двигателя ВАЗ-2112

Для двигателя ВАЗ-2112 была воспроизведена его работа в составе комбинированной энергетической установки при движении микроавтобуса «ГАЗель» по ездовому циклу Правил №83 ЕЭК ООН. Имитация работы

заключалась в следующем: во второй главе, в ходе компьютерного имитационного моделирования расчетным путем была получена функция изменения мощности ДГУ в процессе движения автомобиля «ГАЗель» с последовательной схемой КЭУ по ездовому циклу (без учета рекуперации при торможении). Эта зависимость (рис.9) воспроизводилась на имитационном стенде с оценкой фактического расхода топлива, выбросов **

вредных веществ и качества регулирования. В роли генератора использовался индукторный тормоз имитационного стенда, описанный в третьей главе. "

В результате испытаний были получены данные, приведенные в таблице 1.

Рис. 9. Диаграмма изменения мощности ДВС и мощности необходимой для движения АТС

___ _Таблица 1.

"ГАЗель"-3221 (ДВС-ЗМЗ-406 впрыск + нейтрализатор) "ГАЗель" с КЭУ (ДВС-ВАЗ-2112 впрыск + нейтрализатор) Нормы ЕВРО-3

Расход топлива, л/100 км 19,3 13,9 (-28 %) -

СО, г/км 1,4 0,96 2,3

СН, г/км 0,157 0,03 од

N0*, г/км 0,382 0,04 0,15

В пятой главе предложена концепция выбора и модификации ДВС для автомобиля с комбинированной энергоустановкой. Результаты проведенных работ показали необходимость использования ДВС, специально предназначенного или адаптированного для работы в составе комбинированной энергетической установки. Специально адаптированный ДВС, работающий в составе последовательной схемы КЭУ, позволит получить больший экономический и экологический эффекты по сравнению с использованием в КЭУ традиционных ДВС. В этой главе рассматривается выбор двигателей для КЭУ как традиционных конструкций, так и возможные пути адаптации и модификации двигателя для его работы в составе КЭУ.

Для стандартных двигателей был рассмотрен их выбор применительно к разработанной стратегии управления (квазистационарная работа ДВС) и для режима работы старт-стоп. В режиме работы старт-стоп ДВС работает на одной, заранее вычисленной мощности. На рис. 10 показаны возможные варианты характеристик различных двигателей и кривая требуемой мощности Мг.

п, мин'1

Рис. 10. Выбор ДВС для стационарной работы

Из трех двигателей, имеющих одинаковую токсичность, двигатель Д) имеет минимум удельного расхода топлива (&) на требуемой мощности. Двигатели Дг и Дз имеют минимум & на мощности, отличной от Таким образом двигатель Д, является наиболее подходящим для данного автомобиля с КЭУ. Если выбор ведется только из Дг и Дз и на требуемой мощности они имеют одинаковые показатели по ge, то двигатель Дг является более приемлемым по сравнению с Дз, т.к. Дз имеет большую максимальную мощность и крутящий момент и поэтому можно ожидать, что двигатель Дз

будет иметь большие массогабаритные параметры, по сравнению с двигателем Д.

При квазистационарном режиме работы ДВС в составе КЭУ мощность двигателя плавно изменяется в узком диапазоне. Условием оптимальной работы двигателя в данном случае является режим работы, соответствующий его работе в режимных точках, расположенных в зоне ОРТ (глава 2). Критерием оценки для выбора того или иного двигателя должна служить величина суммарного расхода топлива и выбросов вредных веществ при движении автомобиля по заданному ездовому циклу. Для получения этих величин необходимо провести имитационное моделирование движения автомобиля, введя в разработанную математическую модель автомобиля с КЭУ (глава 2) конкретные характеристики ДВС (многопараметровые характеристики по & и выбросам вредных веществ) (рис. 11).

^ Цм О г/рйт.11

^ 1600 3000 2SM 5ЯМ 5600 «¿0 4600 5000 5500 8000 " ш е

п, МИН '

Рис. 11. Выбор ДВС для плавно изменяющегося режима его работы в КЭУ

Целью мероприятий по модификации ДВС является достижение минимально возможных показателей двигателя по расходу топлива и выбросам вредных веществ в заданной режимной точке или в узком диапазоне работы в ущерб другим режимам, путем всех возможных изменений в конструкции ДВС и его регулировок. Стабильность работы ДВС в КЭУ позволяет отказаться от многих дорогостоящих систем, необходимых для оптимальной организации работы двигателя на нестационарных режимах, применяемых на современных двигателях, таких как:

- изменяемые фазы газораспределения;

- изменяемая длина впускного трубопровода;

- сложные алгоритмы управления и динамические коррекции топливоподачи, реализуемые в микропроцессорных системах управления.

Большим резервом в повышении топливной экономичности в современных ДВС является организация рабочего процесса двигателя с увеличенной степенью расширения рабочего тела. Эти способы реализуются в циклах Аткинсона и Миллера. Применение данных циклов на традиционных ДВС требует сложной системы изменения фаз газораспределения. Поскольку работа ДВС в системе КЭУ не требует значительного изменения мощности, отпадает необходимость в изменении фаз газораспределения, что снимает проблему применения ДВС с циклом Аткинсона или Миллера на автомобиле. Одним из способов улучшения характеристик современных ДВС является использование газодинамических явлений во впускном тракте двигателя. За счет резонансных явлений удается повысить коэффициент наполнения двигателя при определенной частоте вращения коленчатого вала. На других частотах вращения, отличных от резонансной частоты, происходит уменьшение коэффициента наполнения. В традиционных двигателях для уменьшения указанного отрицательного эффекта применяется переменная величина резонирующих объемов впускного тракта, что осуществляется различными устройствами в виде воздушных заслонок и т.п., что является очевидным фактором усложнения двигателя и его удорожания. Отрицательный эффект «антинаддува» в двигателях в КЭУ может с успехом использоваться для реализации рабочего процесса, аналогично циклу Аткинсона. В этом случае нет необходимости изменять объем воздушных резонаторов, что, соответственно, упрощает конструкцию двигателя. Объединение рабочего процесса двигателя с повышенным расширением рабочего тела с настроенным впускным трубопроводом может расширить зону работы двигателя на режиме плавно изменяемой мощности за счет разнесения частот вращения, на которых эффективно применение газодинамических явлений, и частот вращения, на которых эффективно применение фаз газораспределения по циклу Аткинсона. Другим способом улучшения топливной экономичности ДВС и снижения выбросов вредных веществ является организация вихревого движения заряда в камере сгорания двигателя. Это осуществляется за счет специальных форм впускного трубопровода или камеры сгорания. Во всех случаях интенсивность вихревого движения заряда зависит от скорости потока смеси и частоты вращения двигателя. При малой скорости расслоение не достаточно, а при большой скорости оно избыточно. Оба фактора приводят к ухудшению эффекта от расслоения смеси. Работа ДВС на стационарном режиме позволяет подобрать оптимальную скорость вихря и, соответственно, оптимальное расслоение заряда, что обеспечивает наибольшие эффекты по получению топливной экономичности и выбросам вредных веществ.

Основные результаты и выводы.

1. Наивысшая топливная экономичность автотранспортного средства с ДВС может быть обеспечена за счет организации работы ДВС на режиме постоянной мощности в точке минимального удельного расхода топлива на многопараметровой характеристике. Такой режим работы ДВС в естественных эксплуатационных условиях работы автомобиля может бьггь осуществлен с помощью тягового электропривода с буферным накопителем электроэнергии, который обеспечивает независимость текущей мощности и режима работы ДВС от мощности, необходимой для движения автомобиля.

2. Для каждого значения мощности, развиваемой ДВС может бьггь определена режимная точка, обеспечивающая минимум расхода топлива. Совокупность оптимальных режимных точек (OPTgemm) на многопараметровой характеристике двигателя во всем диапазоне изменения мощности ДВС, есть линия ОРТ§етш. Работа ДВС по линии ОРТ§етш в КЭУ является необходимым условием минимизации расхода топлива. В случае несоответствия суммарных выбросов вредных веществ установленным нормам, параметры линии ОРТ§етт должны быть скорректированы.

3. Из различных схем КЭУ последовательная схема лучшим образом обеспечивает работу ДВС в заданной оптимальной режимной зоне вне зависимости от параметров частоты вращения и нагрузки на колесах транспортного средства в условиях его городской эксплуатации.

4. Разработана компьютерная имитационная модель, описывающая работу автомобиля и агрегатов КЭУ при движении по любому заданному ездовому циклу (например, ездовой цикл Правил №83 ЕЭК ООН).

5. С помощью разработанной методики моделирования, используя вероятностный подход к исследованию, и оценки анализируемых процессов, получены оптимальные значения основных параметров агрегатов КЭУ:

- необходимая мощность и оптимальные характеристики ДВС и электрогенератора;

- необходимая ёмкость буферного накопителя электроэнергии, параметры мощности заряда и разряда;

- мощность и параметры тягового преобразователя и электродвигателя. Конкретные расчеты выполнены для автомобиля «Газель» ГАЭ-3221.

6. Результаты имитационного моделирования позволили определить оптимальные алгоритмы управления КЭУ для автомобиля класса «Газель» на базе бензинового двигателя ВАЗ-2112 рабочим объемом 1,5 л. Реализация данного алгоритма управления (без учета рекуперации энергии при торможении) позволила получить сокращение расхода топлива по сравнению с традиционным автомобилем «ГАЗель» на базе двигателя ЗМЗ-406, рабочим объемом 2,4 л., с системой электронного впрыска топлива и системой нейтрализации отработавших газов на 28 %, обеспечение норм не ниже ЕВРО-4 и минимизацию требуемой емкости буферного накопителя электроэнергии.

7. Разработана методика испытаний ДВС на стенде, позволяющая имитировать нагружение двигателя и энергоустановки, соответствующие нагружению при движении транспортного средства в реальных дорожных условиях. Это позволяет провести испытания и оценить эффективность применения выбранных алгоритмов управления КЭУ, эффективность работы

с узлов и агрегатов КЭУ с точки зрения расхода топлива и выбросов вредных

веществ.

8. ДВС для традиционных транспортных средств с неудовлетворительными показателями по токсичности и расходу топлива могут быть без усложнения их конструкции использованы в составе КЭУ и, при этом, обеспечивать удовлетворение значительно более высоким требованиям по токсичности и топливной экономичности, за счет организации работы ДВС в КЭУ по разработанным алгоритмам, в узком интервале режимных точек с низкой скоростью изменения мощности.

9. Разработанные методы расчета, имитационного моделирования и отработки КЭУ с ДВС успешно могут применяться при создании КЭУ на базе водородной энергоустановки с получением водорода на борту АТС.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Эйдинов A.A., Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ. / Автомобильная промышленность, 2002 г., №11.

2. Каменев В.Ф., Эйдинов A.A. Лежнев Л.Ю. Автотранспортные средства с комбинированной энергетической установкой и электромобили, терминология, анализ и методы оценки. / Тезисы докладов XXXIX международная научно-техническая конференция ААИ, 2002 г.

3. Lezhnev L.Y, Buckland J., Kolmanovsky I. Boosted Gasoline Direct Injection Engines: Comparison of Throttle and VGT Controllers for Homogeneous Charge Operation. / SAE Technical Paper № 2002-01-0709, 2002 r.

4. Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Гибридный автомобиль: проблемы и решения./ Тезисы докладов научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса». Москва, МАДИ (ГТУ), 2003 г.

5. Лежнев Л.Ю., Минкин И.М. АТС с комбинированной энергетической установкой. / Автомобильная промышленность, 2003 г., №11.- с. 15.

t 6. Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю., Хрипач H.A. Применение водорода в

качестве топлива для энергетической установки автомобиля. / Тезисы докладов 5-ой международной автомобильной конференции «Двигатели для российских автомобилей». 2003 г.

7. Lezhnev L.Y, Buckland J., Kolmanovsky I. Coordinated control of electronic throttle and variable geometry turbocharger in boosted stoichiometric spark ignition engines. / United States Patent № 6,672,060 2004 r.

Принято к исполнению 14/02/2005 Исполнено 15/02/2005

Заказ №618 Тираж. ЮОэкз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 (095) 318-40-68 www autoreferat.ru

-3 013

РНБ Русский фонд

2006-4 13777

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ УЛУЧШЕНИЯ ТОПЛИВНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ.

1.1 Проблемы экологии и топливной экономичности автотранспорта.

1.2 Нормирование экологических и энергетических показателей автотранспортных средств.

1.3 Перспективные пути улучшения топливной экономичности и экологических показателей автомобилей.

1.4 Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ.

2.1 Структуризация автотранспортных средств с комбинированными энергетическими установками.

2.2 Структурная схема и описание имитационной математической модели комбинированной энергоустановки в составе автотранспортного средства.

2.3 Определение оптимальных режимов работы ДВС.

2.4 Определение способа управления агрегатами двигатель -генераторной установки.

2.5 Определение мощности двигатель - генераторной установки в процессе движения транспортного средства.

2.5.1 Определение факторов, влияющих на величину среднего значения степени зарядки буферного накопителя.

2.5.2 Определение алгоритма управления двигатель - генераторной установкой.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Основные направления исследований.

3.2 Методология исследований и доводки комбинированной энергоустановки.

3.2.1 Выбор программных средств для разработки алгоритмов управления, моделирования и проведения испытаний комбинированных энергетических установок.

3.3. Оборудование для исследования КЭУ на имитационном стендовом комплексе и методы исследований.

3.4. Оборудование, аппаратура и методы проведения исследований комбинированной энергетической установки в составе АТС на стенде с беговыми барабанами.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДВС В СОСТАВЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ КЭУ С РАЗРАБОТАННОЙ СТРАТЕГИЕЙ УПРАВЛЕНИЯ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И

ЭКОЛОГИЧНОСТИ.

Глава 5. МЕТОДИКА ВЫБОРА И МОДИФИКАЦИИ ДВС ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ.

5.1 Общие положения.

5.2 Выбор двигателя внутреннего сгорания для комбинированной энергетической установки последовательной структуры с различными стратегиями управления.

5.3 Адаптация ДВС для работы в последовательной схеме комбинированной энергетической установки.

5.4 Модификация ДВС для работы в последовательной схеме комбинированной энергетической установки.

Истощение природных энергетических ресурсов и глобальное загрязнение окружающей среды вредными промышленными отходами, в большой мере связанное с постоянным ростом мирового автомобильного парка, делает актуальной проблему создания экологически безопасных с минимальным расходом энергии автотранспортных средств. Запасы нефти, по оценкам американских специалистов, могут быть исчерпаны уже к 2020 году. Это подтверждается стабильным ростом цен на нефть и все большее стремление замены ее на газообразные и другие альтернативные источники энергии.

Основная доля мирового автомобильного парка концентрируется в крупных городах и промышленных мегаполисах, что ведет к экологической напряженности и, как следствие, к экологическим катаклизмам, например, в виде фотохимического «смога». Двигатели внутреннего сгорания традиционных транспортных средств практически 90% времени эксплуатируются на неустановившихся режимах работы, кроме этого, движение автотранспорта в городских зонах с ограниченными пропускными возможностями магистралей обуславливает использование только незначительной части потенциальной мощности двигателей. Перечисленные факторы являются определяющими в снижении эффективности работы традиционных энергетических установок автотранспортных средств с точки зрения расходования топлива и выбросов вредных веществ.

Поэтому необходимость в создании автотранспортных средств, использующих альтернативные энергоустановки, становится все более актуальной. Наиболее перспективными, несомненно, являются энергоустановки, использующие в качестве топлива водород, запасы которого в природе неисчерпаемы и при его сгорании не образуются вредные выбросы. Однако только к 2020 - 2025 годам будет реально создана инфраструктура получения, хранения, транспортировки и заправки водородом массового автотранспорта. В связи с этим ведущие производители автотранспортных средств приняли двухстадийную концепцию создания экологически чистого автомобиля. На первой стадии предусматривается создание автотранспортных средств (АТС) с комбинированной энергетической установкой (КЭУ), включающей двигатель внутреннего сгорания, с перспективой перевода его питания на водород или синтез-газ, и на второй стадии АТС с электрохимическим генератором (ЭХГ) на базе топливных элементов «водород - воздух».

Комбинированная энергетическая установка способна обеспечить работу ДВС на режимах его наибольшей эффективности. В настоящее время в ряде стран ведутся работы по созданию транспортных средств, использующих КЭУ, в состав которых входят ДВС и буферный накопитель энергии. Применение буферного накопителя энергии позволяет обеспечить работу ДВС в независимости от режима движения автомобиля и тем самым обеспечить работу ДВС на его самых благоприятных режимах.

При значительной степени изученности такого типа энергоустановок, в настоящее время ещё далеко не раскрыты все потенциальные возможности таких схем. Ключевым звеном в работе по достижению максимальной эффективности комбинированной энергоустановки являются алгоритмы управления узлами и агрегатами КЭУ, в частности алгоритм управления ДВС, организация его работы в составе КЭУ и определение необходимых технических требований к ДВС. Эти вопросы являются на сегодняшний день актуальными и до конца не решенными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Наивысшая топливная экономичность автотранспортного средства с ДВС может быть обеспечена за счет организации работы ДВС на режиме постоянной мощности в точке минимального удельного расхода топлива на многопараметровой характеристике. Такой режим работы ДВС в естественных эксплуатационных условиях работы автомобиля может быть осуществлен с помощью тягового электропривода с буферным накопителем электроэнергии, который обеспечивает независимость текущей мощности и режима работы ДВС от мощности, необходимой для движения автомобиля.

2. Для каждого значения мощности, развиваемой ДВС может быть определена режимная точка, обеспечивающая минимум расхода топлива. Совокупность оптимальных режимных точек (OPTge) на многопараметровой характеристике двигателя во всем диапазоне изменения мощности ДВС, есть линия OPTge. Работа ДВС по линии OPTge в КЭУ является необходимым условием минимизации расхода топлива. В случае несоответствия суммарных выбросов вредных веществ установленным нормам, параметры линии OPTge должны быть скорректированы.

3. Из различных схем КЭУ последовательная схема лучшим образом обеспечивает работу ДВС в заданной оптимальной режимной зоне вне зависимости от параметров частоты вращения и нагрузки на колесах транспортного средства в условиях его городской эксплуатации.

4. Разработана компьютерная имитационная модель, описывающая работу автомобиля и агрегатов КЭУ при движении по любому заданному ездовому циклу (например, ездовой цикл Правил №83 ЕЭК ООН).

5. С помощью разработанной методики моделирования, используя вероятностный подход к исследованию, и оценки анализируемых процессов, получены оптимальные значения основных параметров агрегатов КЭУ:

- необходимая мощность и оптимальные характеристики ДВС и электрогенератора;

- необходимая ёмкость буферного накопителя электроэнергии, параметры мощности заряда и разряда; мощность и параметры тягового преобразователя и электродвигателя. Конкретные расчеты выполнены для автомобиля «Газель» ГАЗ-Э221.

6. Результаты имитационного моделирования позволили определить оптимальные алгоритмы управления КЭУ для автомобиля класса «Газель» на базе бензинового двигателя ВАЗ-2112 рабочим объемом 1,5 л. Реализация данного алгоритма управления (без учета рекуперации энергии при торможении) позволила получить сокращение расхода топлива по сравнению с традиционным автомобилем «ГАЗель» на базе двигателя ЗМЗ-406, рабочим объемом 2,4 л., с системой электронного впрыска топлива и системой нейтрализации отработавших газов на 28 %, обеспечение норм не ниже ЕВРО-4 и минимизацию требуемой емкости буферного накопителя электроэнергии.

7. Разработана методика испытаний ДВС на стенде, позволяющая имитировать нагружение двигателя и энергоустановки, соответствующие нагружению при движении транспортного средства в реальных дорожных условиях. Это позволяет провести испытания и оценить эффективность применения выбранных алгоритмов управления КЭУ, эффективность работы узлов и агрегатов КЭУ с точки зрения расхода топлива и выбросов вредных веществ.

8. ДВС для традиционных транспортных средств с неудовлетворительными показателями по токсичности и расходу топлива могут быть без усложнения их конструкции использованы в составе КЭУ и, при этом, обеспечивать удовлетворение значительно более высоким требованиям по токсичности и топливной экономичности, за счет организации работы ДВС в КЭУ по разработанным алгоритмам, в узком интервале режимных точек с низкой скоростью изменения мощности.

9. Разработанные методы расчета, имитационного моделирования и отработки КЭУ с ДВС успешно могут применяться при создании КЭУ на базе водородной энергоустановки с получением водорода на борту АТС.

1. Автомобильный справочник. Пер. с англ. М.: Изд. «За рулём», 1999. - 896 с.

2. Выбросы парниковых газов энергетическим комплексом России на период до 2020 года. М.: Энергоиздат, 2001. - 53 с.

3. Гибридные автомобили и их компоненты (обзор материалов зарубежной печати) // Мобильная техника. 2003. № 1 С. 35-40.

4. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-81. Введ. 01.01.82. - М., 1981.

5. Двигатели автомобильные. Основные термины и определения. ОСТ 37.001.295 84. - Введ. 01.01.85. -М., 1984.

6. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Учеб./ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, А.Ю. Труш и др.; Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1995. -256 с.

7. Двигатели внутреннего сгорания. В 4 т. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1980 - 85 гг.

8. Проблемы и методы обеспечения экологической безопасности автотранспортного комплекса Московского региона. М.: МАДИ, 1998 г.

9. Рост автомобильного парка города, ожидаемые последствия. Оценка проблемы и пути решения: аналитический доклад. М.: РЭФИА, 1995 г.

10. Снижение токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Доклады участников симпозиума специалистов стран-членов СЭВ в декабре 1978 г. в Суздале. М., 1981. - 354 с.

11. Технико-экономическое обоснование внедрения электромобилей в г. Москва. М.: ГНЦ НАМИ, 1997 г.

12. Топливная экономичность автотранспортных средств. Номенклатура показателей и методы испытаний. ГОСТ 20306-85. Введ. 01.01.86. - М., 1985.

13. Экологические проблемы больших городов: инженерные решения. -М.: МНЭПУ, 1997 г.

14. Экология Москвы. Экологическая программа столицы. М.: Олимп. 1996 г.

15. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский О.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных решений М.: Наука, 1971 г.

16. Азимов У.Б. Автомобиль на топливных элементах с позиции конструктора. Автомобильная промышленность. №6,2003 г.

17. Аль-Масуд Тауфик, Прохоров В.А., Петленко А.Б., Гурьянов Д.И. Электропривод индивидуального транспортного средства особо малого класса//Научно-техн. Прогресс в автомобилестроении/Тез. докл. Научно-техн. Конф. М.:МАМИ,1994 г.

18. Архипкин Н.И. Основные направления обеспечения экологической безопасности автотракторного комплекса Москвы и региона. М.: Прима-Пресс-М, 1999 г.

19. Белоусов Б.Н., Куприянов А.А., Лексин К.Г., Попов С.Д., Шеломков С.А. Алгоритм управления мотор-колесами АТС. Автомобильная промышленность №4,2003 г.

20. Богачев Ю.П., Изосимов Д.В. Электропривод нетрадиционных транспортных средств. Приводная техника №2,1998 г.

21. Бочин JI.A. Охрана воздушного бассейна. М.: Прима-Пресс-М, 1999 г.

22. Геллер С.В. Энергосиловая установка с рекуперативным контуром. Автомобильная промышленность. №9, 2002 г.

23. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и транспорт. М.: Транспорт. 1987 г.

24. Гречихин Л.И. Двигатели внутреннего сгорания: Физические основы технической диагностики и оптимизации управления. Минск: Наука и техника, 1995.-270 с.

25. Гультяев А.К. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. -СПб.: Корона принт, 1999. 288 с.

26. Гурьянов Д.И., Шахов В.Д., Петленко А.Б., Федоренко Е.Н. Полноприводный электромобиль с раздельным управлением // Электротехнические системы автотранспортных средств и их робототизированных производств / Сб. научн. тр. М.: МАМИ, 1997 г.

27. Дмитриевский А.В., Шатров Е.В. Топливная экономичность бензиновых двигателей. М.: Машиностроение, 1985. - 208 с.

28. Зарубин B.C. Математическое моделирование в технике. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 496 с.

29. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенёв В.Ф. Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. М.: НАМИ, 2001. - 248 с.

30. Звонов В.А., Черных В.И., Балакин В.К. Метанол как топливо для транспортных двигателей. Харьков: Основа, 1990. - 150 с.

31. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет электрооборудования подвижного состава городского электрического транспорта. М.: Высшая школа. 1976 г.

32. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет троллейбусов. -М.: Высшая школа. 1981 г.

33. Ивлев С.Н. Электромобили ВАЗ. Автомобильная промышленность. №3, 2000 г.

34. Изосимов Д.Б., Кулаков Е.Б., Сагаловский В.И., Эйдинов А.А. Пути создания электромобилей. М., 1997 г.

35. Каменев В.Ф. Метод оценки эффективности рабочего процесса на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования. // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз. сб. научн. тр. МАМИ. — М., 1995. — с. 189-195.

36. Каменев В.Ф., Куров Б.А. Российское и международное нормирование вредных выбросов автотранспортных средств. // Автомобильная промышленность, 1993, № 12.-е. 30-33.

37. Каменев В.Ф., Кутенёв В.Ф. Водород экологически чистое топливо для автомобилей // Международный симпозиум «Альтернативная энергетика для автотранспортных средств, 1995. - с. 47 - 52.

38. Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Гибридный автомобиль: проблемы и решения./ Тезисы докладов научно-технической конференции «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса». Москва, МАДИ (ГТУ), 2003 г.

39. Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю., Хрипач Н.А. Применение водорода в качестве топлива для энергетической установки автомобиля. / Тезисы докладов 5-ой международной автомобильной конференции «Двигатели для российских автомобилей». 2003 г.

40. Каменев В.Ф., Эйдинов А.А. Лежнев Л.Ю. Автотранспортные средства с комбинированной энергетической установкой и электромобили, терминология, анализ и методы оценки. / Тезисы докладов XXXIX международная научно-техническая конференция ААИ, 2002 г.

41. Козловский А.Б., Дижур М.М. (с участием Эйдинова А.А.), -Электромобиль и экология городов. Автомобильная промышленность, № 4, 1992 г.

42. Кондрашкин А.С., Филькин Н.М., Сальников В.Ю. Методика оптимизации параметров энергосиловой установки автомобиля. Автомобильная промышленность. №4,2002 г.

43. Ксеневич И.П., Ипатов А.А., Изосимов Д.Б. Технологии гибридных автомобилей: состояние и направления развития. Мобильная техника. №3, 2003 г.

44. Кузнецов Е.С., Маршалкин Г.И. Проблемы и методы обеспечения экологической безопасности автотранспортного комплекса Московского регион. М.: МАДИ. 1998 г.

45. Кутенёв В.Ф., Каменев В.Ф. Вредные выбросы автомобильных двигателей, нормирование и методы измерений. М.: МАМИ, 1999. - 68 с.

46. Кутенёв В.Ф., Свиридов Ю.Б. Экологические проблемы автомобильного двигателя и путь оптимального их решения // Двигателестроение, 1990, №10. с. 55 - 62.

47. Лежнев Л.Ю. Минкин И.М. АТС с комбинированной энергетической установкой. Автомобильная промышленность. № 11, 2003.

48. Логачев В.Н. Электропривод электромобиля с комбинированной энергоустановкой и его эффективность. Дисс. М.: МАДИ, 1982 г.

49. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. 1996 г.

50. Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Патент РФ №2132110.

51. Морев А.И., Ерохов В.И., Бекетов Б.А. Газобаллонные автомобили: Справочник. -М.: Транспорт, 1992. 175 с.

52. Некрасов В.Г. Каким быть ДВС для комбинированной силовой установки? Автомобильная промышленность. № 2, 2003 г.

53. Некрасов В.Г. Топливная экономичность автомобиля с комбинированным силовым агрегатом. Автомобильная промышленность. № 12,2000 г.

54. Петленко А.Б. Инвалидная коляска с раздельным электроприводом колес и комбинированной энергоустановкой. М.: МАМИ, 1997 г.

55. Петленко Б.И. Математическое моделирование электромобиля с комбинированной энергоустановкой. // Электричество, №11,1991 г.

56. Погребняк Е.В., Белоусов А.Р., Кузнецов Б.В., Пахомов Д.Л. Автомобильная промышленность России: состояние и перспективы. М.: Альпина Паблишер, 2002. - 252 с.

57. Поляк Д.Г., Эйдинов А.А., Козловский А.Б. Электромобили. Проблемы, поиски, решения. Автомобильная промышленность, № 5, 1997г.

58. Рыбаков А.А. Универсальная система «энергомодуль + мотор-колесо». Автомобильная промышленность. №12,2000 г.

59. Сурин Е.И., Шугуров С.Ю. О выборе параметров комбинированной энергетической системы электромобиля с последовательной структурой // Депонировано ВИНИТИ, № 863-В99 от 19.03.99 г.

60. Титков А.И. Об АТС с комбинированными энергоустановками. Автомобильная промышленность. №3, 2004 г.

61. Фасхиев Х.А. Экономика АТС с комбинированными силовыми установками. Автомобильная промышленность №5,2003 г.

62. Эйдинов А.А., Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ. / Автомобильная промышленность, 2002 г., № 11.

63. Ютт В.Е., Сурин Е.И., Логачев В.Н. Исследование структуры и стратегии управления автомобилем с КЭУ. Суздаль, докл. межд. Научно-практ. Семинара, 1993 г.

64. John Schutz. "Altra ego". Electric&Hybrid Vehicles Technology'97. U.K.&Internetional Press. 1997.69. "Japan EVS-13 round-up". Electric&Hybrid Vehicles Technology'96. U.K.&Internetional Press. 1996.

65. Abthoff P.A., Kramer J.S. Последовательный гибрид Мерседес-Бенц С-класса. EVS-13. 1997 г.

66. King R.D., Koegl R.A., Salasoo L., Haefner K.B. Гибридная электрическая тяговая система автобуса. Доклад на конференции EVS-14.

67. Bagot Nick. "Toyota Prius Hybrid (THS car)". Electric&Hybrid Vehicles Technology'97. U.K.&Internetional Press. 1997.

68. Van de Weijer Carlo J., Schmal D, TNO Road vehicles Research Institute, Niederlands. Гибридные системы автобусов. Доклад на конференции EVS-14.

69. Elinsbo J., Sweden. «Автобус с гибридной системой». Electric&Hybrid Vehicles Technology'96. U.K.&Internetional Press. 1996.

70. Elner J., Daimler Benz. "Power by Daimler Benz Ballard". Electric&Hybrid Vehicles Technology'97. U.K.&Internetional Press. 1997.

71. Shabbir A., Rajev D., Kumar R., Kuempelt M, ANL. "Gasoline tohydrogen". Electric&Hybrid Vehicles Technology'97. U.K.&Internetional Press. 1997.

72. Conley J., Clay В., Waters R., Toh-Nagy Cs., Taylor S., Smith. J, Atkinson С M. West Virginia University. The development of a fourth-generation hybrid electric vehicle at West Virginia Univ. SAE Paper 2001-010682.

73. Grabowski, Anthony G., Jaura, Arun K. Ford Motor Co. Ford's PRODIGY hybrid electric vehicle powertrain weight reduction actions. SAE Paper 2001-01-0878.

74. Lin, Chan-Chiao, Filipi, Zoran, Wang, Yongsheng, Louca, Loucas, Peng, Huei, Assanis, Dennis, Stein, Jeffrey. Integrated, feed-forward hybrid electric vehicle simulation in SIMULINK and its use for power management studies. SAE Paper 2001-01-1334.

75. Petrushov V.A. Coast Down Method in Time-Distance Variables/ SAE Paper 970408

76. Henein, Naeim A., Taraza, Dinu, Chalhoub, Nabil, Lai, Ming-Chai, Bryzik, Walter. Exploration of the contribution of the start/stop transients in HEV operation and emissions. SAE Paper 2000-01-3086.

77. He, Xiaoling,; Hodgson, Jeffrey. Hybrid electric vehicle simulation and evaluation for UT-HEV. SAE Paper 2000-01-3105.

78. Martin, Kimberly J., Szary, Patrick J., Strizki, Michael, Maher, Ali. Fabrication and testing of a hybrid electric vehicle utilizing a Proton Exchange Membrane (РЕМ) fuel cell. SAE Paper 2000-01-1552.

79. Satoshi Aoyagi, Yusuke Hasegawa, Takahiro Yonekura and Hiroyuki Abe. Energy efficiency improvement of series hybrid vehicle. JSAE Review, Volume 22, Issue 3, July 2001, Pages 259-264.

80. Koichi Fukuo, Akira Fujimura, Masaaki Saito, Kazuhiko Tsunoda and Shiro Takiguchi. Development of the ultra-low-fuel-consumption hybrid car -INSIGHT. JSAE Review, Volume 22, Issue 1, January 2001, Pages 95-103.

81. Robert F. Nelson. Power requirements for batteries in hybrid electric vehicles. Journal of Power Sources, Volume 91, Issue 1, November 2000, Pages 2-26.

82. Toshihiko Nakata. Analysis of the impact of hybrid vehicles on energy systems in Japan. Transportation Research Part D: Transport and Environment, Volume 5, Issue 5, September 2000, Pages 373-383.

83. Willett Kempton and Torn Kubo. Electric-drive vehicles for peak power in Japan. Energy Policy, Volume 28, Issue 1,1 January 2000, Pages 9-18.

84. Routex, Jean Yves, Gay-Desharnais, Sebastien, Ehsani, Mark. Modeling of Hybrid Electric Vehicles using gyrator theory: Application to design. IEEE

85. Vehicular Technology Conference, Volume 5, Issue 52ND, 2000, Pages 20902094.

86. Yang, Yinglin, Parten, Micheal, Berg, Jordan, Maxwell, Tim. Modeling and control of a hybrid electric vehicle. IEEE Vehicular Technology Conference, Volume 5, Issue 52ND, 2000, Pages 2095-2100.

87. Jan Andersson, Roger Axelsson and Bengt Jacobson. Route adaptation of control strategies for a hybrid city bus. JSAE Review, Volume 20, Issue 4, October 1999, Pages 531-536.

88. Akihiro Kimura, Tetsuya Abe and Shoichi Sasaki. Drive force control of a parallel-series hybrid system. JSAE Review, Volume 20, Issue 3, July 1999, Pages 337-341.

89. Nobuo Iwai. Analysis on fuel economy and advanced systems of hybrid vehicles, JSAE Review, Volume 20, Issue 1, January 1999, Pages 3-11.

90. David Coup. Toyota's Approach to Alternative Technology Vehicles: The Power of Diversification Strategies, Corporate Environmental Strategy, Volume 6, Issue 3, 1999, Pages 258-269.

91. Yi-Fu Yang. Measurement of the maximum charge and discharge powers of a nickel/metal hydride battery for hybrid electric vehicles, Journal of Power Sources, Volume 75, Issue 1, 1 September 1998, Pages 19-27

92. Takeo Kiuchi, Satosh Taguchi, Katsunor Nakaya, Shigekazu Fueta and Kenji Fukuda Electric generation control system for hybrid vehicle, Journal of Power Sources, Volume 70, Issue 1, 30 January 1998, Pages 156-157.

93. Wolf Boll, orzer Guml unther Knuml and Leopold Mikulic. Apparatus for monitoring and controlling charging of a battery for a hybrid or electric vehicle, Journal of Power Sources, Volume 70, Issue 1, 30 January 1998, Pages 161-162.

94. Eiji Yamada and Yasutomo Kawabata. Development of test system for motor of hybrid electrical vehicle, JSAE Review, Volume 18, Issue 4, October 1997, Pages 393-399

95. B. Sjoblom and J. Rehn The volvo high speed generation hybrid drive and associated combustion system, Energy Conversion and Management, Volume 38, Issues 10-13, 7 September 1997, Pages 1225-1235

96. Krishnamachari, R.S.; Papalambros, P.Y. Optimal design of a hybrid electric powertrain system, Mechanics of Structures and Machines, Volume 25, Issue 3, August 1997, Pages 267-286

97. Lezhnev L.Y, Buckland J., Kolmanovsky I. Boosted Gasoline Direct Injection Engines: Comparison of Throttle and VGT Controllers for Homogeneous Charge Operation. / SAE Technical Paper № 2002-01-0709, 2002 r.

98. Lezhnev L.Y, Buckland J., Kolmanovsky I. Coordinated control of electronic throttle and variable geometry turbocharger in boosted stoichiometric spark ignition engines. / United States Patent № 6,672,060 2004 r.

99. Shinichiro Kitada. Electric hybrid vehicle, Journal of Cleaner Production, Volume 5, Issues 1-2, 1997, Page 176

100. P. Chudi and A. Malmquist. Hybrid drive for low-emission trucks and buses, Fuel and Energy Abstracts, Volume 37, Issue 6, November 1996, Page 452