Исследовательская работа о гибридных двигателях

                                                   Содержание

1.      Введение.   ………………………………………………………. 2

2.      Общие сведения о гибридных двигателях……………………...2-3

3.      Схемы взаимодействия электромотора и ДВС………………….3

3.1.             Последовательная схема………………………………….3

3.2.            Параллельная схема………………………………………..3-4

3.3.            Последовательно-параллельная схема…………………....4

 4.    Анализ гибридной силовой установки «Сплит» на примере

         автомобиля  «TOYOTA PRIUS»…………………………………4-7

7.     Заключение…………………………………………………………7-8

8.     Библиографический список……………………………………….9

9.    Приложения………………………………………………………...10-13

1.      Введение

На сегодняшний день существует множество силовых установок использующихся в технике. Примером такой установки является работа  двигателя внутреннего сгорания в паре с генератором и электродвигателем. [1] Такая установка называется гибридом, это значит, что для привода колес используется более одного источника энергии. В данном случае эта энергия, освобождаемая при сгорании топлива и электроэнергия вырабатываемая генератором переменного тока, а он в свою очередь работает за счет двигателя. Выработанная электроэнергия накапливается в конденсаторных батареях, с них и получает энергию электродвигатель. [2]

Цели работы: Исследование работы двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя в паре.

Задачи: 1. Найти необходимый материал в литературе, Интернет - сети, изучить и проанализировать его.  2. Провести исследования работы двигателя внутреннего сгорания вместе с электродвигателем.  3.  Провести анализ гибридной установки «Сплит» и исследования на примере автомобиля «TOYOTA PRIUS»

Методы:      анализ и синтез литературы, проектирование, моделирование.

Актуальность: Использование гибридных двигателей  идея не новая, но очень актуальна по двум причинам 1) экономия топлива, 2) экологичность.

        Был проведен анализ работы двигателя внутреннего сгорания в паре с генератором переменного тока. Было выяснено, что с генератора можно снимать достаточное количество электроэнергии для нужд автомобиля и даже для электромотора, который можно установить на авто.

2.      Общие сведения о гибридных двигателях.

      Гибридный двигатель — это система из электрического и бензинового моторов. Во время работы могут действовать и бензиновый и электрический, как вместе, так и по отдельности. Этот процесс контролирует мощный компьютер, который запускает тот мотор, что сейчас должен работать. Таким образом, при поездке по трассам запускается бензиновый двигатель, так как аккумулятора в таком темпе надолго не хватит.                                                                 Если гибридный автомобиль двигается в городе, то здесь используется электродвигатель, а на подъеме или при большой нагрузке работают оба. Пока действует бензиновый двигатель, аккумулятор постепенно заряжается.    Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты. [5]   В этом случае были решены несколько задач:

1. снижены к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу, что положительно влияет на экологическую обстановку не только в городах, но и на Земле в целом;

 2. за счёт совмещения двух видов энергии снижаются затраты при эксплуатации;

3. недостатки электродвигателя (малая мощность) компенсируются преимуществами бензинового в сторону увеличения.

По сути, такие автомобили в скоростном режиме не отличаются от бензиновых.

3.      Схемы взаимодействия электромотора и ДВС

        На сегодняшний день современные машины оснащаются гибридными двигателями, построенными по одной из трех схем взаимодействия топливной и электрической составляющей, которые будут рассмотрены ниже.

3.1.         Последовательная схема

      Это наиболее простой вариант гибридного двигателя. Принцип его работы заключается в следующем: крутящий момент от ДВС в данном случае передается исключительно генератору, который вырабатывает электричество и заряжает аккумуляторы. (Приложение 1) Автомобиль при этом движется только на электротяге.  [5]   

Плюсы системы	Минусы системы
Низкие обороты – максимальный КПД	Потери энергии
Не нужен мощный двигатель	Большой размер, вес аккумуляторной батареи
Передвижение с выключенным двигателем	Высокая стоимость аккумуляторной батареи
Не нужны сцепление и коробка передач

3.2.         Параллельная схема

       Принцип работы «параллельного» гибридного двигателя полностью отличается от вышеописанного. Автомобили с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, ездят с использованием и ДВС, и электромотора. (Приложение 2)  В зависимости от режима езды блок управления распределяет крутящий момент, поступающий от обоих элементов гибрида. Основную работу выполняет двигатель внутреннего сгорания, электромотор же подключается, когда нужна дополнительная мощность (при трогании с места, ускорении), при торможении и замедлении он работает как генератор.    

Плюсы системы	Минусы системы
Аккумуляторная батарея с меньшей емкостью	Экономия топлива меньше
Потери энергии меньше	Низкая эффективность в городе
Простота конструкции	Большая эффективность на трассе

3.3.         Последовательно-параллельная схема

       Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. (Приложение 3) Благодаря этому автомобиль при трогании с места и на малых скоростях движется только на электрической тяге, ДВС только обеспечивает работу генератора (как при последовательной схеме). На высоких скоростях крутящий момент на ведущие колеса передается и от двигателя внутреннего сгорания. При повышенных нагрузках (например, при подъеме в гору), когда генератор не в силах обеспечить требуемый ток, электромотор получает дополнительное питание от аккумулятора (параллельная схема).       

Плюсы системы	Минусы системы
топливная экономичность	сложность конструкции
высокая экологичность	высокая стоимость

Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус.                   

4.      Анализ гибридной силовой установки «Сплит» на примере автомобиля

 «TOYOTA PRIUS»

         К достоинствам  системы «Сплит» следует отнести достаточно  высокий КПД при передаче  энергии от первичного двигателя к ведущим колесам и возможность работы  первичного двигателя на постоянном  режиме минимального расхода топлива, к недостаткам – усложнение механической части трансмиссии (установка дополнительной планетарной  передачи) и усложнение системы управления автомобилем.[8]

Toyota   Prius самый популярный  автомобиль с  ГСУ в мире  – начиная с 1997 года  выпущено более 360000 автомобилей. ГСУ данного автомобиля является  характерным образцом системы «Сплит».

Всего для Prius существует пять  режимов работы. [8]

Первый режим: Начало движения, при начале  движения автомобиля, используется только электрический мотор с высоким крутящим моментом питающийся исключительно от  батареи. ДВС пока  не работает.

Второй режим: Нормальное движение, в условиях  обычной езды   Prius  использует электромотор в комбинации  с двигателем внутреннего сгорания. Тем самым  добивается максимальный  КПД системы. Так  же ДВС используется для подзарядки главной батареи, по мере ее  разряда.

Третий режим: Экстренное ускорение, во время  режима "полного ускорения" система  использует для ускорения всю  мощь ДВС и электромотора. Даже  прекращается подзарядка основной батареи  автомобиля.

Четвертый режим: Торможение, при торможении  Hybrid  Synergy  Drive в автомобиле Prius отключает двигатель внутреннего сгорания, а сопротивление от тормозной  системы преобразуется в электрическую энергию,  которая передается в главную батарею автомобиля.

Пятый режим: зарядка. [10]

При остановке автомобиля ДВС автоматически  заглушается.

    В гибридной трансмиссии важную роль играет  планетарный механизм.  Он регулирует направление потоков  мощности.  Колеса через дифференциал и понижающую пару  шестерен жестко связаны с 30 - киловаттным синхронным мотор -  генератором переменного тока и одновременно с внешней шестерней планетарной  передачи. Обойма  шестерен – сателлитов (водило) напрямую соединена с коленчатым валом двигателя,  а  центральная (солнечная) шестерня – с отдельным  генератором. В зависимости  от обстановки,  каждое звено можно сделать неподвижным,  остановив ленточным тормозом по команде управляющего  контроллера.[8] (Приложение5)

Четырехцилиндровый  ДВС примененный в СУ имеет  рабочий объем 1,5 литра и  развивает мощность 43 кВт  при 4000 об/мин. В качестве  накопителя электроэнергии применена никель – металлогидридная  батарея из 40 банок  на 240 ампер – часов, разработанная совместно с компанией  Panasonic.  Общий вид и  структурная схема гибридной силовой установки  системы «Сплит» представлены на  рисунках 2 и 3. (Приложения 5 и 6)

Согласно результатам испытаний  автомобиль выбрасывает в  атмосферу в 12,5 раз меньше   монооксида  и в 4,7 раз  меньше углеводородов,  чем того требующий нормы  Евро – 3. [8]

     Для наглядности я сделал схему, которая позволит понять принцип работы гибридного привода. (Приложение 7) На самом деле, конструкция очень простая. Слева у нас находится бензиновый двигатель, который соединен с первым мотор - генератором. Справа у нас находится второй, тяговый мотор-генератор. Он соединен с инвертором, который в свою очередь соединяется с аккумуляторной батареей и первым мотор - генератором. По центру находится планетарная передача, которая суммирует потоки мощности слева и справа и передает момент на редуктор и главную передачу к колесам. Планетарная передача полностью заменяет коробку передач и работает по принципу бесступенчатого вариатора.       

     На старте работает только тяговый электродвигатель, при необходимости к нему автоматически подключается бензиновый мотор. Его запускает первый мотор-генератор, который делает это очень плавно и незаметно за счет регулирования скорости оборотов. Момент от бензинового двигателя передается на планетарную передачу, а также (!) на первый мотор-генератор, который работает в режиме генератора и выдает энергию на инвертор, который в свою очередь перенаправляет полученную энергию либо в аккумуляторую батарею для подзарядки, либо на тяговый электромотор, момент с которого через планетарную передачу передается на колеса. В результате получается замкнутый цикл, где главную роль играет тяговый электромотор, а бензиновый двигатель работает на подхвате. При торможении тяговый электромотор работает в режиме генератора и вся полученная энергия накапливается в аккумуляторе. Мощность бензинового двигателя 98 лс, а тягового электромотора 79 лс. В то же время, суммарная мощность гибридного привода составляет 136 лс. Потеря лошадиных сил обусловлена тем, что ток отдаваемый аккумуляторной батареей ограничен электроникой, и электромотор фактически работает на половину своей мощности. Зато, как показал эксперимент, степень заряженности аккумулятора абсолютно не влияет на динамические характеристики и время разгона до 100 км/ч.   В полностью электрическом режиме разгон происходит очень плавно, и двигаться можно со скоростью не более 50 км/ч. На полностью заряженной батарее можно проехать примерно 1-1,5 километра.

      Отдельного обзора заслуживает тормозная система. При нажатии на педаль тормоза в первую очередь гибридная силовая установка переключается в режим рекуперации энергии. Таким образом, большая часть энергии, которая на обычном автомобиле уходит на нагрев тормозных колодок и дисков, преобразуется в электричество, которое накапливается в аккумуляторе. При более сильном нажатии на педаль тормоза дополнительно начинает работать штатная тормозная система. В связи с этим существенно изменена схема работы антиблокировочной системы (ABS) и системы динамической стабилизации. ABS допускает интенсивное торможение с полной блокировкой колес и включится только после того, как автомобиль проскользит с заблокированными колесами некоторое расстояние. (Приложение 8).    Я провел небольшое исследование с целью выявить реальный расход топлива. При движении на круиз -контроле по относительно ровной трассе без перепадов высот, получились вот такие значения:

Скорость     км/ч	60	70	90	120	135
Расход топлива   1 л/100 км	3	3,5	4,5	6,5	7,5

     Разумеется, в таком режиме гибридная установка не работает так, как задумано и расход фактически определяется топливной экономичностью бензинового двигателя и коэффициентом лобового сопротивления (для скорости от 90 км/ч и выше). Любой современный турбодизель на трассе покажет сопоставимые цифры расхода.
      Испытания в городских пробках показали более интересные цифры. Если ездить спокойно со скоростью потока, стоять в пробках (не важно  каких — на остановках бензиновый двигатель отключается, поэтому можно хоть несколько часов стоять на месте с нулевым расходом топлива) и совершенно не задумываться об экономии топлива, получится расход 5,5-6 литров на 100 километров. Если ездить динамично, с частыми ускорениями, то получить средний расход более 7,5-8 литров на 100 километров будет крайне затруднительно. Самое главное — не забывать тормозить, чтобы подзаряжать аккумулятор.
   Будем считать, что средний годовой пробег типового автовладельца составляет 30 тысяч километров. Обычная машина сопоставимой мощности (бензиновый двигатель объемом 2 литра с АКПП) в смешанном цикле с преобладанием движения по городу в условиях пробок будет расходовать 10 литров на 100 км пути. Приус в аналогичных условиях покажет расход порядка 6 литров на 100 км. Если принять, что стоимость одного литра 95-го бензина равна 32 рублям, то годовая экономия при использовании Приуса составит всего 42 тысячи рублей.
Следует заметить, что в погоне за минимальным расходом следует также учитывать ветер, тип дорожного покрытия, температуру воздуха, а также давление в шинах. Все испытания проводились при температуре +5 градусов на зимних шипованных шинах с давлением 2,5 атм. Исследования и расчеты показали:  экономия топлива от 40% до 60%; низкий выброс выхлопных газов; возрастание ускорения  при разбеге; увеличение дальности пробега на одном и том же количестве топлива.

5.      Заключение

       В представленном проекте проводится исследование работы гибридного двигателя, анализ гибридной силовой установки «Сплит». В результате проделанной работы, можно сделать выводы:

 1) Экономная эксплуатация. Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность. Экономия была достигнута, в том числе: 1) использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма; 2) работой двигателя в оптимальном режиме (например, работа по циклу Миллера [5]); 3) его полной остановкой вместо работы на холостом ходу; 4)применением рекуперативного торможения с зарядкой аккумулятора (что попутно снижает износ тормозных колодок).  Экономия топлива достигает 60% по сравнению с обычными автомобилями с дизельными двигателями, а ускорение  во время начала движения увеличилось на 50%.            

 2)  Экологическая чистота.   Основные причины, стоящие за разработкой гибридной силовой установки – уменьшения количества выбросов в атмосферу, что очень актуально именно для городского транспорта.  Эта система позволяет снизить выброс сажи и углеводородов  на 90%, оксидов азота – на 50%. Экологическая чистота гибридных автомобилей обусловлена, с одной стороны, снижением расхода углеводородного топлива; дополнительно её повышает полное отключение двигателя внутреннего сгорания при остановке автомобиля — в частности, в пробках. С другой стороны, применение батарей меньшей, чем в электромобилях, ёмкости — и, соответственно, размеров, — снижает остроту проблемы утилизации использованных аккумуляторов.

           Комбинированные энергоустановки  с ДВС – наиболее реальный путь достижения высоких показателей ТС в самом ближайшем будущем. При этом удается обеспечить большую дальность пробега и сохранить существующую инфраструктуру заправки.

Библиографический список

1.      Двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. 2002 г.

2.      И.П. Ксиневич, А.А. Ипатов, Д.Б. Изосимов «Технология гибридных автомобилей, состояние и пути развития отечественной автомобильной техники с комбинированными энергоустановками». Мобильная техника, 2003.

3.      Д.Б. Изосимов, О. Г. Клочков «Приводная техника», № 5, 6. (1997)

4.      Б.Н. Белоусов, С. Д. Попов «Колесные транспортные средства большой грузоподъемности. Конструкция. Теория. Расчет.» МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2006

5.      https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0

6.      Мобильная техника, 1-4, 2004.

7.      Н.Ф. Темербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов «Вестник казанского технического университета», 13,11, 243-246 (2010)

8.      1. Бахмутов С.В., Карунин А.Л., Круташов А.В., Ломакин В.В., Селифонов В.В., Карпухин К.Е., Баулина Е.Е., Урюков Ю.В. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками: Учебное пособие. – М.: МГТУ «МАМИ», 2007 – 71 с.

9.      2. http://spokoino.ru/articles/ustroistvo_avto/vov_chto_takoe_avtogibridi/  

10.  3. http://prius-toyota.narod.ru/hybrid-prius.html

11.  CyberLeninka.ru›article…gibridnoy…na…toyota-prius

Приложение 1

Последовательная схема

Приложение 2

Параллельная схема

Приложение 3

Последовательно-параллельная схема

Приложение 4

Принципиальная  схема ГСУ системы «Сплит»

Приложение 5

Структурная схема силовой установки  Сплит

1- двигатель;  2-генератор; 3-электромотор; 4-солнечная  шестерня;  5-водило (ДВС);  6-сателлиты;  7-планетарная шестерня (электромотор, колеса).

Приложение 6

Общий вид силовой установки

1-двигатель; 2-маховик; 3-генератор; 4-планетарная передача; 5 - электромотор; 6-цепная передача к трансмиссии

Приложение 7

Работа гибридного привода. 

Бензиновый двигатель; 1-мотор-генератор; 2-тяговый мотор-генератор; инвентор; аккумуляторная батарея; в центре – планетарная передача; редуктор

        Приложение 8

Рекуперация