148491 (Автомобілі з гібридною трансміссією і комбінованою енергетичною установкою)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

1. Аналіз покращення паливно-економічних й екологічних показників автотранспортних засобів

1.1 Проблеми екології й паливної економічності автотранспорту

1.2 Перспективні шляхи покращення паливної економічності й екологічних показників автомобілів

1.2.1 Послідовна схема

1.2.2 Паралельна схема

1.3 Висновки, постановка мети і задач роботи

2. Опис дослідної комбінованої енергетичної установки

2.1 Короткий опис і характеристика основних складових автомобіля з КЕУ

2.1.1 Двигун внутрішнього згоряння

2.1.2 Механізм розподілу потужності

2.1.3 Генератор

2.1.4 Електродвигун

2.1.5 Інвертор

2.1.6 Батарея

3. Дослідження механічних, електричних і експлуатаційних характеристик комбінованої енергетичної установки

3.1 Дослідження робочих характеристик транспортного засобу

3.1.1 Дослідження робочих характеристик

3.1.2 Дослідження, що характеризують роботу підвищувального конвертера транспортного засобу

3.1.3 Ділянки їздового циклу, що характеризують роботу конвертера

3.2 Робочі характеристики підсистем і дослідження їх ефективності

3.2.1 Дослідження електродвигуна, при блокуванні ротора

3.2.2 Вимірювання зворотної ЕРС

3.2.2.1 Випробування електродвигуна

3.2.2.2 Випробування генератора

3.2.3 Вимірювання втрат потужності в гібридній системі приводу

3.3 Випробування системи гібридного приводу за ефективністю основних елементів

3.3.1 Опис лабораторного обладнання

3.3.2 Загальний план випробувань і перевірки результатів

3.3.3 Випробування системи електродвигун-інвертор і карти їх ефективності

3.3.4 Випробування підвищувального конвертера і карти його ефективності

4. Дослідження характеристик комбінованої енергетичної установки

4.1 Місця розташування термопар

4.2 Опис лабораторної установки

4.3 Опис джерела для живлення навантажувального електродвигуна

4.4 Теплові дослідження КЕУ

5. Основні результати і висновки

5.1 Отримані результати і спостереження

5.2 Висновки щодо важливості дослідження

Список використаних джерел

Додатки

ВСТУП

Вичерпання природних енергетичних ресурсів і глобальне забруднення навколишнього середовища шкідливими промисловими відходами, у великій мірі пов'язане з постійним ростом світового автомобільного парку, робить актуальною проблему створення екологічно безпечних з мінімальною витратою енергії автотранспортних засобів. Запаси нафти, по оцінках американських фахівців, можуть бути вичерпані вже до 2020 року. Це підтверджується стабільним ростом цін на нафту й все більше прагнення заміни її на газоподібні й інші альтернативні джерела енергії.

Основна частка світового автомобільного парку концентрується у великих містах і промислових мегаполісах, що веде до екологічної напруженості й , як наслідок, до екологічних катаклізмів, наприклад, у вигляді фотохімічного «смогу». Двигуни внутрішнього згоряння традиційних транспортних засобів практично 90% часу експлуатуються на несталих режимах роботи, крім цього, рух автотранспорту в міських зонах з обмеженими пропускними можливостями спричиняє використання тільки незначної частини потенційної потужності двигунів. Сучасні автотранспортні засоби використовують потужність, що складає близько 30‑ 50% від номінальної. При гальмуванні втрачається від 15 до 60% кінетичної енергії, переданої автомобілю двигуном. Якщо цю енергію акумулювати й потім використати в режимах руху з перевантаженням, то можна заощадити до 30% палива. Перераховані фактори є визначальними в зниженні ефективності роботи традиційних енергетичних установок автотранспортних засобів з погляду витрати палива й викидів шкідливих речовин.

Тому необхідність у створенні автотранспортних засобів, що використають альтернативні енергоустановки, стає усе більше актуальною.

Найбільш перспективними, безсумнівно, є енергоустановки, що використовують у якості палива водень, запаси якого в природі невичерпні й при його згорянні не утворюють шкідливі викиди. Однак тільки до 2020-2025 років буде реально створена інфраструктура одержання, зберігання, транспортування й заправлення воднем масового автотранспорту. У зв'язку із цим провідні виробники автотранспортних засобів прийняли концепцію створення екологічно чистого автомобіля у дві стадії. На першій стадії передбачається створення автотранспортних засобів (АТЗ) з комбінованою енергетичною установкою (КЕУ), що включає двигун внутрішнього згоряння, з перспективою переходу його живлення на водень або синтез-газ, і на другій стадії АТЗ із електрохімічним генератором (ЕХГ) на базі паливних елементів «водень-повітря».

Комбінована енергетична установка здатна забезпечити роботу ДВЗ на режимах його найбільшої ефективності. У цей час у ряді країн ведуться роботи зі створення транспортних засобів, що використовують КЕУ, до складу яких входять ДВЗ і буферний накопичувач енергії. Застосування буферного накопичувача енергії дозволяє забезпечити роботу ДВЗ у незалежності від режиму руху автомобіля й тим самим забезпечити роботу ДВЗ на його самих сприятливих режимах. Даний напрямок одержав останнім часом досить бурхливий розвиток і поступово завойовує автомобільний ринок.

Проте при значному ступені вивченості такого типу енергоустановок, у цей час ще далеко не розкриті всі потенційні можливості таких схем. Ключовою ланкою в роботі з досягнення максимальної ефективності комбінованої енергоустановки є алгоритми керування вузлами й агрегатами КЕУ, зокрема алгоритм керування ДВЗ, організація його роботи в складі КЕУ й визначення необхідних технічних вимог до ДВЗ. Ці питання на сьогоднішній день є актуальними й до кінця не вирішеними.

1. АНАЛІЗ ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНО-ЕКОНОМІЧНИХ Й ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

1.1 Проблеми екології й паливної економічності автотранспорту

Автомобільний транспорт у Україні й за кордоном є основним забруднювачем навколишнього середовища. Вплив автотранспорту на навколишнє середовище багатосторонній, він містить у собі енергетичні забруднення, такі як шум, вібрація, електромагнітні випромінювання, й матеріальні (газоподібні, рідкі й тверді).

Викинуті в атмосферу гази, що містять шкідливі речовини, роблять згубний вплив не тільки на природу, але й на здоров'я людей. Компоненти, що входять до складу відпрацьованих газів автомобілів, викликають зниження процесу утворення гемоглобіну в крові й постачання організму киснем, викликають роздратування органів дихання, сприяють зміні нервової системи.

Середня тривалість життя українців — всьго лише 67 років (для порівняння: французи живуть у середньому 79,2 роки, а японці — 80,9 років). Ця невтішна для нас статистика пояснюється тим, що повітря, яким ми дихаємо, дуже забруднене. Причому близько половини отруйних речовин потрапляє в атмосферу з випускних труб автомобілів.

У разі повного згоряння вуглеводнів кінцевими продуктами є вуглекислий газ (СО₂) і водна пара. Однак у будь-якому вуглеводневому паливі міститься безліч домішок, що аж ніяк не покращують властивості відпрацьованих газів. Усього до складу викидів газів автомобілів входить більш ніж 200 різних хімічних речовин. Повного їхнього згорання досягти технічно неможливо.

Особливостями роботи автомобільних двигунів є перемінні навантаження, тобто періодичні зміни режиму роботи: марний хід, розгін, помірний рух і гальмування. Найвища концентрація оксиду вуглецю (СО) у відпрацьованих газах спостерігається під час роботи двигуна на марному ході і в разі підвищених навантажень. Коли двигун працює на марному ході, вміст оксиду вуглецю у випускних газах може вдвічі перевищувати показник ніж при сталому режимі. Але, разом з тим, коли автомобіль пришвидшується і рухається зі сталою швидкістю, у відпрацьованих газах відзначаються найбільші концентрації оксидів азоту. Склад викидів дизельних двигунів відрізняється від бензинових. У дизельному відбувається повніше згоряння палива. При цьому утворюється менше оксиду вуглецю і незгорілих вуглеводнів. Але, разом з цим, за рахунок надлишку повітря, в дизелі утворюється більша кількість оксидів азоту. Крім того, дизельні двигуни характеризуються ще й підвищеною димністю. Важливою особливістю викидів дизельних автомобілів є вміст канцерогенних поліциклічних ароматичних вуглеводнів, серед яких найбільш шкідливим є бензапірен. Останній, так само як і свинець, належить до забруднюючих речовин першого класу небезпеки. Під час згоряння 1 кг бензину може виділятися більш 500 м³ забруднюючих речовин, і близько 50 м³ - при згорянні 1 кг дизельного палива.

До найбільш небезпечних забруднювачів повітряного басейну міста належать важкі метали, бо вони здатні непомітно накопичуватися в організмі людини. До складу відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння входять сотні шкідливих компонентів. Всі шкідливі речовини, що викидаються двигуном, можна розділити по впливові на навколишнє середовище на три групи: нейтральні, неотруйні і отруйні. До нейтральних, які не порушують фізичних властивостей атмосфери, можна віднести азот, тому що в процесі виконання робочого циклу кількість азоту, що відбирається з атмосфери й повертається в неї, практично не змінюється. Відпрацьовані гази містять, крім того, незначну кількість водню, а також кисень, який по тих або інших причинах не брав участь у реакції.

До неотруйних компонентів відпрацьованих газів відносять компоненти, що роблять непрямий негативний вплив на властивості атмосфери. Ці компоненти є причиною екологічних катастроф, таких як утворення фотохімічного "смогу", "парникового ефекту", "озонових дір". До них можна віднести двоокис вуглецю, кисневмісні вуглеводні, метан.

До отруйних речовин відносять оксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні, у тому числі ароматичного ряду, різного типу кислоти, сполуки свинцю, сірки й дисперсні частки. Ці речовини роблять прямий негативний вплив на організм людини й навколишнє середовище. Найнебезпечніші поліциклічні ароматичні вуглеводні, що володіють канцерогенною активністю.

Збільшення парку автомобілів приводить до росту споживання палив нафтового походження, що приводить до вичерпання невідновних запасів вуглеводневої сировини. Подальше вдосконалювання традиційних схем автотранспортних засобів (далі АТЗ) на основі двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на вуглеводневих паливах, уже не може забезпечити перспективні нормативні екологічні вимоги, що практично виключають викид шкідливих речовин енергетичною установкою транспортного засобу, а також значне скорочення витрати палива. Необхідні нові рішення й конструкції, які дозволять забезпечити необхідну чистоту й паливну економічність.

1.2 Перспективні шляхи покращення паливної економічності й екологічних показників автомобілів

Найбільш перспективним напрямком визнане використання, як енергоустановки, паливних елементів, а як паливо – водень. Водень має надзвичайно високу енергоємність (майже в три рази більше, ніж у традиційних нафтових палив), унікальні кінетичні характеристики. Крім цього, продукти згоряння водню не містять шкідливих компонентів. Існує кілька варіантів використання водню на борті автомобіля. У першу чергу слід зазначити можливість якісного регулювання паливоповітряної суміші в дуже широких межах (аж до значень коефіцієнта надлишку повітря 3...4), що відкриває перспективи істотного покращення економічності двигуна. Використання водню як добавки до традиційного нафтового палива також може бути розглянутим. І, нарешті, використання водню як сировини для електрохімічного перетворення енергії в паливному елементі, може забезпечити самі строгі перспективні норми по викиду шкідливих речовин.

Основними проблемами для застосування альтернативних - високоекологічних водневовмісних видів палива для транспорту є:

• велика маса й габарити агрегатів для зберігання палива (таблиця 1.1) або для його одержання на борті автомобіля;

• великі труднощі з організацією паливопостачання енергетичної установки у зв'язку з інерційністю агрегатів одержання водню на борті автомобіля на різкоперемінних режимах роботи, характерних для автомобіля.

Слід зазначити, що основною проблемою, що виникає при одержанні водню на борті автомобіля, є проблема високих динамічних якостей системи одержання водню. Специфіка умов роботи силової установки автомобіля складається в необхідності забезпечення дуже швидкого збільшення або зменшення продуктивності джерела водню. Повільне наростання продуктивності, внаслідок теплової інерції системи одержання водню, погіршить керованість автомобіля і його динамічні якості, а повільне зменшення продуктивності спричиняє складні проблеми утилізації надлишкового водню.

Проблема динаміки може бути вирішена шляхом створення буферного накопичувача водню й організації стаціонарного (або повільно мінливого) режиму роботи джерела водню. Застосування на борті автомобіля систем із пристроями нагромадження водню або водневого синтез-газу є вкрай небажаним, через складність зберігання й великої вибухо- й пожежонебезпеки водню.

Таблиця. 1.1 – Порівняльні характеристики способів зберігання водню

Застосування буферних накопичувачів, але не водню, а електроенергії знімає ці проблеми. Транспортні засоби, обладнані енергоустановками із двома джерелами енергії, один із яких ДВЗ або електрохімічний генератор на основі паливних елементів, а другий буферний накопичувач електроенергії, відповідно до нових виправлень до Правил №83 ЄЕК ООН, зветься "Hybrid Electric Vehicle" (HEV) – АТЗ із КЕУ.

Шляхом комбінування енергопотоками двох джерел енергії можна забезпечити зниження витрати палива й викидів шкідливих речовин основного джерела енергії – ДВЗ, що використовує, як традиційне, так і водневе паливо. У випадку застосування замість ДВЗ – електрохімічного генератора в комбінованих енергетичних установках, може бути вирішене ще одне питання – це зменшення вартості енергоустановки за рахунок зменшення потужності електрохімічного генератора, що є найдорожчим, на даний момент часу компонентом.

При розгляді автомобілів з КЕУ необхідно мати на увазі не тільки велику різноманітність можливих сполучень різних типів двигунів і джерел енергії з різними видами електрохімічних акумуляторів, але й різноманітну структурну побудову комбінованого живлення із одних і тих же елементів.