Reduction of vehicle exhaust gas toxicity due to brake energy recovery

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В последние 10 лет наблюдается значительный рост автомобильного парка, что приводит к выбросам значительного количества токсичных газов в атмосферу. Доля выбросов токсичных газов автотранспорта колеблется от 65 до 70% [1, 2].

Для снижения воздействия токсичных газов автотранспорта ведутся работы по внедрению электромобилей, однако они имеют целый ряд недостатков: ограниченный диапазон пробега, непродолжительный срок работы аккумуляторных элементов, большая их стоимость и отсутствие специальных станций для их зарядки. Применение водорода в качестве топлива в настоящее время является наиболее перспективным направлением. Однако хранение и использование водорода в качестве топлива пока еще не отработано для автотранспорта. В ближайшие 5 лет эта задача будет решена. В настоящее время разрабатываются и внедряются комбинированные установки с рекуператорами энергии на существующем автотранспорте. Но, к сожалению, автомобили, которые в основном используются на данный момент, продолжают отравлять окружающую среду токсичными выхлопными газами.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование рекуператора энергии торможения для снижения оксида углерода СО в отработавших газах автомобиля УАЗ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследование автомобиля УАЗ-3303 с рекуператором торможения проведено согласно ГОСТ 33670-2015 «Автомобильные транспортные средства единичные. Методы экспертизы и испытаний для проведения оценки соответствия» и ГОСТ 52033-2003 «Автомобили с бензиновым двигателем. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами».

По оценкам многих исследователей, в выхлопных газах находится от 250 до 1100 химических соединений. Наиболее токсичными для человека являются: СО – оксид углерода, NO – оксид азота, NO₂ – диоксид азота, С_хН_у – различные углеводороды, СО₂ – углекислый газ и целый ряд других соединений.

В работе нами будет рассмотрено количество оксида углерода (СО) в выхлопных газах автомобиля УАЗ с рекуператором энергии. Оксид углерода приводит к смертельному исходу при дозе свыше 1%.

Для снижения загрязняющих веществ в существующем автотранспортном парке наибольшее распространение получили использование комбинированных установок (КУ). Комбинированная установка с рекуператором энергии состоит из двигателя, рекуператора, бесступенчатой передачи, переключателя передач и колес транспортного средства.

Работа автомобилей с комбинированными рекуператорами энергии происходит в зависимости от торможения или колебаний остова автомобиля. Затем эта энергия запасается рекуператором и отдается при разгоне транспортного средства [3−6].

В таблице 1 приведены различные типы комбинированных установок.

 

Таблица 1. Типы комбинированных установок автотранспорта / Table 1. Types of combined unit vehicle

Автомобиль1	Масса2, кг	Мощность ДВС3	Тип аккумулятора4	Тип трансмиссии накопителя5
Электробус Daimler Benz OE 305	18 800	74 кВт, ЭД-150 кВт	Электрический, масса − 300 кг, емкость − 230 А*ч	Электрическая
Daihatsu	3350	63 кВт, ЭД-33 кВт	Электрический, масса − 42 кг, емкость− 135 А*ч	Электрическая
Гиробус MAN	16 000	100 кВт	Маховик, масса − 105кг, энергоемкость − 1,5 кВт*ч, 12 000 об/мин	Гидромеханическая
Гидробус MAN	16 000	100 кВт	Газогидравлический, масса − 450 кг, энергоемкось − 0,33 кВт*ч	Гидромеханическая

Notes: 1 – vehicle; 2 – mass; 3 – combustion engine power; 4 – type of a battery; 5 – type of battery transmission

 

Анализ различных комбинированных установок показал, что наиболее эффективными являются установки с газогидравлическими аккумуляторами, так как аккумуляторы с маховиком имеют большие габариты и повышенную массу и они практически не применяются.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для выявления влияния нагрузки двигателя на содержание оксида углерода (СО), диоксида азота (NO₂) и расход топлива (q_тв) были проведены специальные исследования. Двигателю автомобиля УАЗ создавали различную нагрузку на тормозном стенде с замером исследуемых параметров СО, NO₂ и q_тв, рис. 1. Вышеуказанные параметры определяли с помощью анализатора отработавших газов «Инфралайт-МК».

Анализ рис. 1 показывает, что при мощности двигателя 25−45 кВт количество оксида углерода (СО) находится в пределах 1−2%, а при увеличении мощности с 45 до 50 кВт за счет дополнительной подачи топлива значительно возрастает СО. По этой причине включение рекуператора позволит устранить недостаток существующих двигателей.

 

Рис. 1. Зависимость токсичности отработавших газов от нагрузки двигателя. / Fig. 1. Dependence of exhaust gases toxicity on engine load.

 

Нами разработана простая конструкция комбинированной установки с рекуператором торможения (пат. РФ № 2193977) [7]. Данные конструкции были изготовлены на базе автомобиля УАЗ на Воронежском механическом заводе и прошли опытное внедрение на санитарных автомобилях, работающих в городском цикле движения.

Рекуператор автомобиля УАЗ-3303 показан на рис. 2.

 

Рис. 2. Рекуператор автомобиля УАЗ. / Fig. 2. UAZ car recuperator.

 

Принцип работы рекуператора. При включении педали торможения 14 срабатывает электромагнит 5, который соединяет двигатель 8 и гидронасос (мотор) 4. При этом рабочая жидкость поступает из бака 1 в делитель потока 10 и далее в аккумулятор 3, где происходит его зарядка.

В режиме разгона (в завершающей его стадии необходим дополнительный запас энергии) включают на 2/3 хода акселератор 13, который открывает в делителе потока 10 канал для прохода рабочей жидкости из аккумулятора 3 к гидронасосу 4, который в данном случае будет работать как гидромотор. В результате чего раздаточный механизм 6 получает дополнительно вращательный момент на ведущие колеса 9.

Результаты сравнительных исследований автомобиля УАЗ показали, что на повышенной IV передаче при скорости движения 18−25 м/с минимум выбросов СО, а на низших передачах он значительно возрастает, рис. 3. При разгоне автомобиля с рекуператором также наблюдается минимум выбросов СО при скорости движения 18−25 м/с. Однако за счет рекуператора энергии происходит снижение оксида углерода на 16%, рис. 3. Кроме того, за счет дополнительной подачи мощности рекуператором на ведущие колеса возрастает ускорение автомобиля, а следовательно, уменьшается время разгона на 30−35%.

 

Рис. 3. Зависимость изменения оксида углерода (СО) при движении от номера включенной передачи и при разгоне автомобиля. / Fig. 3. Dependence of the change in carbon monoxide (CO) on the number of the gear switched on when moving and when accelerating the car.

 

На рис. 4 и 5 приведены результаты исследований автомобиля в городском цикле движения (ГЦД).

 

Рис. 4. Зависимость изменения расхода топлива в ГЦД. / Fig. 4. Dependence of the change in fuel consumption in the urban traffic cycle (UTC).

 

Рис. 5. Зависимость изменения оксида углерода в ГЦД. / Fig. 5. Dependence of carbon monoxide change in the urban traffic cycle (UTC).

 

При движении в городском цикле (4 км) расход топлива, соответственно, снижается на 0,1 литра, а оксид углерода − на 31 г (рис. 4 и 5).

На рис. 6 представлена сравнительная характеристика разгона серийного и опытного автомобилей УАЗ-3303 (с полной нагрузкой). Скоростные свойства автомобиля с рекуператором энергии торможения при разгоне до скорости 25 м/с сокращаются на 30−35%.

 

Рис. 6. Характеристика разгона автомобиля УАЗ по времени (a) и по пути (b). / Fig. 6. UAZ time (a) and distance (b) acceleration characteristics.

 

Рекуперация энергии торможения на 15% сни- жает расход бензина и, соответственно, оксида уг- лерода на 16%, в городском цикле движения. В пересчете на 100 км пути автомобиль с рекуператором в среднем расходовал бензина до 15 л/100 км, а в серийном исполнении этот показатель составил до 17,5 л/100 км пути (таблица 2). Экономия топлива в данном случае достигается за счет сокращения времени работы базового двигателя на неэффективных режимах разгона. В связи с этим в перспективе возможна замена двигателя внутреннего сгорания на менее мощный с сохранением динамических характеристик автомобиля.

 

Таблица 2. Сравнительные характеристики серийного автомобиля УАЗ-3303 и с комбинированной установкой. / Table 2. Comparative parameters of the UAZ-3303 production vehicle and UAZ-3303 with a combined unit.

Автомобили1	Расход топлива2	Выбросы СО3	На 100 км пути4
	Gt, л	GСО, гр	G, л/100 км	GСО, г/100 км
УАЗ-3303	0, 70	202,0	17,5	5050
УАЗ-3303 с комбинированной установкой	0,60	171,0	15	4275

Notes: 1 – vehicle; 2 – fuel consumption: 3 – CO₂ emissions; 4 – fuel consumption per 100 kilometers

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований рекуператора на базе автомобиля УАЗ-3303 в городском цикле движения показали, что за счет повышения ускорения уменьшаются путь и время разгона до 30−35%. Автомобиль с рекуператором в среднем расходовал бензин до 15 л/100 км, а в серийном исполнении – до 17,5 л/100 км пути. За счет рекуператора снижены на 16% выбросы СО.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. О.И. Поливаев – был инициатором данного исследования, отвечал за проведение патентоного анализа, разработку и изготовление объекта исследований, проводил исследование, а также написал текст рукописи; А.Н. Ларионов – занимался редактированием текста рукописи и обработкой результатов исследований; Д.Б. Болотов – осуществлял поиск публикаций по теме статьи и участвовал в проведении исследования. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии всех видов источников финансирования при проведении исследования. Исследования проведены на собственные средства авторов.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contribution. O.I. Polivaev initiated the present research, analysed the registered patents, developed and made a research object, carried out the research, wrote the manuscript. A.N. Larionov processed the research data, edited the manuscript. D.B. Bolotov contributed to analysis of research topic publications, carried out the research. All authors certify that they meet the ICMJE international criteria for authorship.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. Authors state that this research was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Oleg I. Polivaev

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: Polivaevoi@icloud.com
ORCID iD: 0000-0002-3610-6339
SPIN-code: 1423-0193

Doctor of Engineering Sciences, Professor

Russian Federation, 1, Mitchurina street, Voronezh, 394087

Alexey N. Larionov

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: larionovan@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3656-3812
SPIN-code: 3950-7191

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

Russian Federation, 1, Mitchurina street, Voronezh, 394087

Dmitry B. Bolotov

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: BDB1998@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-3925-1419

Master’s Degree

Russian Federation, 1, Mitchurina street, Voronezh, 394087

References

Supplementary files