Выбор концепции автомобиля с комбинированной энергетической установкой расширенных функциональных возможностей

Полный текст

Введение Состояние производства ведущими мировыми производителями автомобилей с комбинированными энергетическими установками (КЭУ), складывающееся в последние годы, подтверждает обоснованность выводов и оценки перспектив развития, изложенных в статье «Расширение функциональных возможностей - необходимый шаг в развитии конструкции гибридных автомобилей» [1], как позиция кафедры «Автомобили» МГТУ «МАМИ». Более того, с течением времени технические предложения кафедры представляются даже более актуальными и позволяют сформулировать более конкретные предложения по применению подобных комбинированных энергетических установок на автомобилях [2]. Цель исследования Целью исследования является выбор концепции автомобиля с комбинированной энергетической установкой расширенных функциональных возможностей. Результаты исследования и их обсуждение Основанием для актуализации предложений является технический потенциал, накопленный кафедрой в ходе выполнения НИР с 2005 г. по настоящее время. Многие идеи по расширению функциональных возможностей КЭУ исследованы авторами статьи, в частности, при выполнении НИР «Разработка методов оценки энергетических и экологических свойств комбинированных энергоустановок на основе теории оптимального управления» [3]. Анализ и систематизация этих идей позволила авторам представить предложения по реализации их при проектировании автомобилей с КЭУ расширенных функциональных возможностей. Целью предложений является формирование концепции, состава узлов и систем легкового автомобиля среднего класса с КЭУ, предназначенного для универсального использования - в характерных для города условиях движения с плотным транспортным потоком, на загородных и магистральных дорогах с усовершенствованным покрытием в условиях повышенных и высоких скоростей движения, на грунтовых дорогах умеренно размягченных и не разбитых глубокими колеями. Климатические условия использования автомобиля характеризуются наличием продолжительного зимнего периода, вероятностью периодической заснеженности дорог с участками «пятнистого» обледенения. Диапазон температур, влажности внешней среды и светового излучения - типовой для автомобилей общеклиматического исполнения. Направленность концепции - расширение функциональных возможностей автомобиля: обеспечение повышенного уровня экологичности при движении в условиях городского цикла в сочетании с возможностями повышения курсовой устойчивости при движении на высоких скоростях, повышения проходимости в сложных дорожных и климатических условиях. Предлагаемая концепция автомобиля с КЭУ расширенных функциональных возможностей предусматривает следующее. · Тип комбинированной энергетической установки - дифференциальный от ДВС с разделением потока мощности на привод колес и привод генератора, сочетающийся с дополнительным раздельным приводом задних колес от двух обратимых электрических машин (ОЭМ). · Состав комбинированной энергетической установки: o двигатель внутреннего сгорания (ДВС), бензиновый или дизельный; o дифференциальный планетарный механизм, ведущим звеном которого является водило, солнечная шестерня кинематически связана с генератором установки, а коронная шестерня - с механическим приводом ведущих колес автомобиля (по крайней мере одной ведущей оси), имеющим главную передачу и межколесный дифференциал; o две обратимые электрические машины, каждая из которых независимо кинематически связана с одним из колес определенной ведущей оси автомобиля; o блок аккумуляторных батарей, тип батарей: литий-ионные, в частности, могут быть литий-железофосфатные, литий-полимерные или более мощные литий-титанатные или модифицированные нано-титанатные; o преобразователь электрической энергии; o узлы системы управления и контрольные приборы КЭУ. · Привод колес. o вариант 1 - на заднюю ось, от ДВС в сочетании с управляемым индивидуальным приводом на каждое колесо задней оси от соответствующей ОЭМ (рис. 1); o вариант 2 - постоянный полный привод колес от ДВС в сочетании с управляемым индивидуальным приводом на каждое колесо задней оси от соответствующей ОЭМ (рис. 2); o вариант 3 - подключаемый привод передних колес от ДВС в сочетании с управляемой фрикционной муфтой (рис. 3). Рис. 1. Схема автомобиля с КЭУ при приводе на заднюю ось Рис. 2. Схема автомобиля с КЭУ с постоянным полным приводом Рис. 3. Схема автомобиля с КЭУ с подключаемым посредством управляемой фрикционной муфты приводом передней оси · Компоновочное положение агрегата «ДВС - дифференциальный механизм - генератор» - над осью передних колес, продольное. · Компоновочное положение двух ОЭМ привода задних колес - поперечное, с двух сторон от редуктора ведущего моста, в едином блоке, устанавливаемом на несущей системе автомобиля на упругих опорах и связанном с ведущими колесами шарнирными валами. Конструкция такого агрегата разработана сотрудниками МАМИ [2]. Технические особенности исполнения КЭУ могут быть следующими: · в качестве аналога агрегата «ДВС - дифференциальный планетарный механизм - генератор» предлагается двухпоточная схема, например, автомобиля «Тойота Приус», однако из состава агрегата исключается вторая электрическая машина, взамен которой устанавливаются две ОЭМ в составе единого с редуктором заднего моста агрегата в соответствии с патентом РФ № 2473432 [4]; · должен быть проработан и обоснован выбор типа ОЭМ (по оборотности) из двух вариантов: малооборотные без редуктора - максимальные обороты ≈1500…1800 мин-1, или с встроенным редуктором (планетарного типа) с максимальными оборотами на выходе редуктора ≈ 1500…1800 мин-1; · тип охлаждения ОЭМ - жидкостный (на основе использования объема масла редуктора ведущего моста и планетарных редукторов ОЭМ). Основные технические характеристики и особенности исполнения автомобиля. · Базовым для исполнения предлагается автомобиль среднего класса, преимущественно с кузовом универсал, с приводом на заднюю ось. · Модификациями по типу кузова могут быть приняты автомобили «Пикап» и «Фургон». · Модификация по типу привода - полный привод колес. Тип полного привода - дифференциальный или подключаемый посредством управляемой фрикционной муфты может быть уточнен в процессе эскизного проектирования. · Масса снаряженного автомобиля (базового исполнения) с КЭУ - ≈ 2000…3000 кг. · Характеристики генератора и ОЭМ могут быть установлены в ходе эскизного проектирования на основе моделирования типовых для автомобиля с КЭУ режимов движения. · Максимальная скорость, динамические и топливно-экономические характеристики автомобиля уточняются в ходе эскизного проектирования с учетом выбора оптимальных режимов КЭУ. · Передняя и задняя подвески - независимые. · Тормозная система - 2-х контурная, при этом при служебном (не экстренном) торможении каждый контур сочетается с опережающим действием торможения посредством ОЭМ задней оси в режиме рекуперации. · Рулевое управление - с электрическим усилителем. · Система охлаждения ДВС - с автономным подогревателем охлаждающей жидкости (с целью поддержания необходимого теплового режима охлаждающей жидкости на любом режиме работы КЭУ). · Система кондиционирования в автомобиле - на основе совмещения с системой охлаждения ДВС, привод насоса кондиционера - от электродвигателя. Режимы движения, реализуемые КЭУ. КЭУ обеспечивает известные режимы движения, свойственные традиционной дифференциальной схеме передачи энергии в КЭУ [5], при этом задачи второй электромашины выполняют две ОЭМ в приводе задней оси, которые позволяют расширить функции установки: · трогание с места и спокойный разгон с невысокими ускорениями на тяге двух ОЭМ; · интенсивный разгон. Тяга обеспечивается двумя потоками - одним механическим, от ДВС коронной шестерней дифференциального планетарного механизма к редуктору ведущего моста, и вторым - с использованием энергии генератора, приводимого солнечной шестерней планетарного механизма. Генератор, в свою очередь, питает две ОЭМ, передающие крутящий момент на соответствующие валы привода колес задней оси. При необходимости к питанию ОЭМ подключаются аккумуляторные батареи. В зависимости от состояния опорных поверхностей под колесами автомобиля реализуется при необходимости несимметричная тяга в приводе задних колес: · движение с установившейся скоростью. Тяга осуществляется двумя потоками, но без использования пиковых режимов ОЭМ и без подключения аккумуляторов. При необходимости реализуется несимметричная тяга в приводе задних колес для поддержания заданного курса; · движение в «ползучем» режиме со скоростью 4…5 км/ч. Тяга обеспечивается двумя ОЭМ, при необходимости включается ДВС и осуществляется зарядка аккумуляторов от генератора. Курсовая устойчивость автомобиля поддерживается созданием несимметричной тяги режимами работы ОЭМ в различных вариантах, а именно: а) снижением тяги колеса соответствующей стороны автомобиля переводом ОЭМ в режим рекуперации; б) увеличением тяги колеса соответствующей стороны автомобиля переводом ОЭМ в режим увеличения крутящего момента; в) совместной коррекцией посредством ОЭМ двух сторон автомобиля - одной в режиме снижения тяги колеса, другой - в режиме увеличения тяги. Обеспечение повышенной динамики движения и проходимости в условиях низкого сцепления колес с опорной поверхностью (при движении на загрязненных, заснеженных и обледенелых дорогах): а) в ситуации начала буксования колеса задней оси система управления снижает тягу этого колеса переводом соответствующей ОЭМ в режим рекуперации; б) в ситуации, когда снижение суммарной тяги нежелательно, или даже возникает необходимость увеличения тяги, что диктуется увеличением нажатия на педаль подачи топлива, осуществляется увеличение тяги на небуксующем колесе переводом соответствующей ОЭМ в режим увеличения крутящего момента. Торможение автомобиля. Управляемое умеренное замедление автомобиля, а также поддержание заданной скорости движения на уклоне-спуске дороги осуществляется переводом двух ОЭМ в режим генератора (рекуперации). Торможение с малых и средних скоростей движения осуществляется тормозными механизмами колес совместно с ОЭМ в режиме рекуперации. (Возможность экстренного торможения с высоких скоростей совместным действием тормозных механизмов колес и ОЭМ в режиме рекуперации требует специального исследования.) Дополнительные режимы зарядки аккумуляторных батарей. При торможении автомобиля, при поддержании заданной скорости движения на уклоне-спуске дороги осуществляется переводом двух ОЭМ в приводе задних колес в режим рекуперации. Заключение Приведенные примеры позволяют сделать вывод о том, что применение на автомобилях КЭУ расширенных функциональных возможностей, может в значительной степени улучшить его эксплуатационные свойства, не ограничиваясь решением проблем экологичности при эксплуатации в мегаполисах, в то время как при движении на магистралях с высокими скоростями, при движении на грунтовых дорогах, эффект использования автомобиля с КЭУ уже не оправдывает его более высокой стоимости. Ситуация, однако, может быть изменена, если расширить функции автомобиля с КЭУ в направлениях как повышения курсовой устойчивости на магистралях, так и повышения проходимости при движении в сложных дорожных условиях. Значение этих направлений расширения функций особенно возрастает в связи с характерными для большинства регионов России климатическими условиями - продолжительным зимним периодом, заснеженными дорогами, порой с участками обледенения. Сочетание традиционного привода от ДВС с раздельным приводом колес от ОЭМ, запатентованное сотрудниками кафедры "Автомобили" [4, 6, 7], позволяет решить перечисленные задачи на более высоком техническом уровне, с большей энергетической эффективностью, чем известные решения ряда ведущих автомобильных производителей, основанные на использовании лишь механических устройств с электронным управлением. Настоящая статья может являться техническим предложением для создания автомобилей с КЭУ расширенных функциональных возможностей специалистам автомобильных предприятий.

Об авторах

Е. Е Баулина

Московский политехнический университет

Email: baulina@mami.ru
к.т.н.

А. В Круташов

Московский политехнический университет

к.т.н.

В. В Серебряков

Московский политехнический университет

Email: vvs@mami.ru
к.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы