TMM_Leonov (514470), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Повышение экономичности рекуперацией энергииПерспективным методом повышения экономичностимашин, работающих в неустановившихся режимах, является применение рекуперации. Под рекуперацией понимаетсяиспользование накопленной кинетической энергии машины и создание запаса энергии при торможении, а затем использовании её на полезные цели, например, при разгонемашины. Динамика цикла разгон-торможение была рассмотрена ранее.
Рассмотрим экономическую модель машины с рекуперацией энергии при торможении и определимвозможности повышения КПД гибридных машин с ДВС,работающих в наименее экономичном идеализированномцикле разгон-торможение. Принципиальная схема гибридного автомобиля с ДВС, выбранная для анализа экономичности цикла разгон-торможение, показана на рис.
1.19.Значительную часть времени современные машины работают с частым изменением скоростного и нагрузочногорежимов работы, с чередованием разгона, кратковременного установившегося режима и торможения. Наиболеенеблагоприятным во всех отношениях случаем являетсянеустановившийся цикл, состоящий из разгона и следующего за ним торможения. Часто предъявляются определенные требования не только к разгону машины, но и ковремени и пути торможения машины, а также к величинеускорений и нагрузок, с которыми он осуществляется.
Дляудовлетворения этих требований конструктору приходится проводить динамический расчет. В дополнение к немупри анализе экономичности цикла из приведенного к валуДВС суммарного момента выделим две составляющие: MS –часть суммарного момента, идущая на ускорение машиныи Mсопр – часть суммарного момента, расходуемая на преодоление полезного сопротивления.
При расчёте моментов7.5. Повышение экономичности рекуперацией энергии205примем допущение квазистационарности, считая, что затраченная работа в процессе разгона приближенно можетбыть оценена по параметрам установившегося движенияMсопр = (Mсопр)уст, поэтомуMS разг = Mдв Mсопр.Кинетическая энергия в конце разгона Тразг имеет максимальное значение в цикле разгон-торможение и равна величине запаса кинетической энергии в начале торможения2mvконω2Tразг = Tmax = J Σ пр кон =,22где JS пр, ωкон – значения приведенного момента инерции машины и скорости вращения звена приведения в конце разгона; m , Vкон – масса и скорость машины в конце разгона.Для упрощения выводов сделаем допущение, что разгони торможение машины осуществляются при моментах независящих от угловой координаты и скорости звена приведения. Работа, пошедшая на ускорение машины AS разг связанас запасом кинетической энергии в конце разгона ТразгϕразгTразг = AΣ разг =∫M Σ разг d ϕ = M Σ разг ,0где ϕразг – угол поворота, т.е.
путь, проходимый звеном приведения при разгоне. При постоянном значении моментовМдв , Мсопр и момента инерции JΣ движение является равномерноускоренным с постоянным угловым ускорениемMε разг = Σ разг .JΣВремя и путь разгона можно оценить как2τразг )(ωкон J Σ, ϕразг = ε разг.τразг =M Σ разг2Аналогичные расчёты можно провести при торможениимашины, оставляя прежние допущения и принимая суммарный момент при торможении в виде двух составляющих: тормозного момента Мторм, управляющего аккумулированием энергии торможения, и момента сил полезногосопротивления движениюMS торм = Mторм + Mсопр.206 Глава 7.
Повышение экономичности на неустановившемся режимеМожно определить параметры процесса торможения машины: время и путь, отсчитываемые от мгновения началаторможенияTω Jτторм = кон Σ , ϕторм = разг .Μ Σ тормΜ Σ торм.Модуль работы сил сопротивления за время торможения равен начальному запасу кинетической энергииTразг = (Aторм )цикл =ϕторм∫M Σ торм d ϕ = ϕторм (M торм + M сопр ).0Отсюда получим выражение для определения координаттак называемого момента переключения с разгона на торможениеMS разгjразг = (MS торм + Mсопр)jторм.В качестве примера моделирования экономичностирассмотрим метод рекуперации энергии при торможениигибридного автомобиля в цикле разгон-торможение.
КПДпредставляет критерий экономичности, по которому оценивается машина. Рассматривая экономичность неустановившегося цикла разгон-торможение, целесообразно проводить сравнение его с установившимся режимом движения,который наблюдается между ними.Однако нельзя считать, что вся работа на установившемся режиме является полезной. Поэтому имеет смысл учестьКПД работы машины на установившемся режиме работыηуст и сравнивать КПД неустановившегося цикла разгонторможение с его значениями(Aполезн)цикл = Mсопр(jразг + jторм)hуст.Торможение не требует работы двигателя, поэтому общая затраченная работа в цикле разгон-торможение равнаработе двигателей в период разгона(Aдв)цикл = jразг (MS дв + Mсопр) = MS разгjразг,где MS дв = SMдв – суммарный момент всех двигателей (ДВСи разгонных электродвигателей), работающих в процессеразгона параллельно.КПД цикла без рекуперации энергии торможения будетравен7.5.
Повышение экономичности рекуперацией энергии(ηцикл )без рекуп =207ηуст ϕторм 1 +,kизб ϕразг где kизб = MS разг/Mсопр – отношение суммарного моментав процессе разгона к моменту сопротивления на установившемся режиме движения.В дальнейшем мы будем сравнивать КПД циклов с различными величинами аккумулированной энергии при торможении и использования её в процессе разгона, за счётчего может быть повышен КПД цикла и снижены мощностьДВС в процессе разгона.
При расчёте предполагается, чточасть накопленной кинетической энергии машины при торможении может аккумулироваться и будет рекуперирована,т.е. возвращена обратно в виде работы в следующий циклразгонаTакк = kакк hакк Tразг ,где kакк = (Aрекуп)цикл/Tразг – коэффициент рекуперации, показывающий какая часть кинетической энергии машины возвращается в последующий цикл разгона2(Aрекуп)цикл = Tакк hтрансф = Mторм jторм(hтрансф)с потерями, которыеηоцениваются с помощью КПД трансформации энергии òðàí ñô при аккумулировании и рекуперации энергии.Рекуперированная энергия (A рекуп) цикл, возвращённаяв цикл в процессе разгона, может быть признана полезной,так как уменьшает расход топлива ДВС и повышает КПДцикла(hцикл)с рекуп = (hцикл)без рекуп + Dhрекуп,где Dhрекуп = Aрекуп/(Aзатр)цикл приращение КПД цикла разгонторможение за счёт рекуперации энергии. На величину аккумулируемой энергии при торможении Tакк должен бытьрассчитан накопитель энергии в виде электрического илимаховичного (см.
рис.1.20) аккумулятора. Необходимаямощность Waкк = Wэдв трансформирующих энергию устройств (электродвигателей, генераторов и аккумуляторов)может быть определена по величине аккумулируемой энергии и соответствующему времени разгона или торможения208 Глава 7. Повышение экономичности на неустановившемся режимеWакк =Tакк kаккTразг ηтрансф=.τразгτразгНа величину этой мощности Waкк может быть сниженаноминальная мощность ДВС без ущерба для динамическихкачеств машины(Wдвс)ном = (WS дв)ном - Wакк,где (WS дв)ном = (WS дв)разгwном - – суммарная номинальнаямощность двигателей, которая используется во время разгона машины; WS дв = Wдвс + Wэдв – суммарный момент ДВСи разгонного электродвигателя, который выбирается исходя из требуемых динамических качеств машины, определяемых временем разгона τразг до номинальной скоростимашиныω JM Σ дв = кон Σ + M сопр .τразгТаким образом, снижение номинальной мощности ДВСпри той же мощности сил сопротивления позволяет увеличить коэффициент загрузки его на установившемся режимеработы снизить расход топлива.
Оценка повышения экономичности ДВС Dge за счёт снижения номинальной мощности даёт ощутимый выигрыш в удельном расходе топливаg WΔg e = e ном эдв ,Wдвсгде ge ном – удельный расход топлива ДВС на номинальномрежиме, Wэдв – мощность разгонного электродвигателя.По разработанной математической модели были проведены расчёты циклового КПД в цикле движения разгон-торможение гибридного автомобиля, оснащённогоДВС и обратимыми электродвигателями, с параметрами:m = 800 кг, Vкон = 80 км/ч, (Wдвс)ном = 60 кВт.
При моделировании КПД обеспечивается сравнение циклов разгонторможение, одинаковых по динамичности с рекуперацией энергии и без неё при варьировании коэффициентаkторм = Mторм / Mдвс. Выбор kторм в качестве варьируемого параметра не обязателен, в качестве оптимизируемого параметрамогут быть выбраны и другие показатели машины. Путёммоделирования на ЭВМ была выявлена зависимость КПДнеустановившегося цикла (рис.
7.10) от режима торможе-2097.5. Повышение экономичности рекуперацией энергииηциклηуст 1,00,90,80,710,620,50,40,30,20,10kτ12345Рис. 7.10. КПД цикла разгон-торможение»:1 – с рекуперацией энергии; 2 – без рекуперации энергииния, определяемого вариацией коэффициента kторм при постоянном значении КПД установившегося движения hуст.Анализ проведенных расчётов показывает, что КПД цикла с рекуперацией энергии (кривая 1) почти вдвое выше,чем у цикла без рекуперации энергии (кривая 2). КПД цикла без рекуперации энергии повышается при увеличениивремени торможения за счёт использования накопленнойкинетической энергии на преодоления полезного сопротивления и становится максимальным при выбеге машиныkторм = 0. Аналогичная, но очень слабая зависимость имеетместо и при рекуперации энергии.
Можно даже считать сточностью до 5%, что КПД цикла без рекуперации энергииостаётся постоянным, независящим от режима торможенияпри резких торможениях (kторм ≥ 0,5). Следует отметить равенство КПД(hцикл)с рекуп = (hцикл)без рекупциклов разгон-торможение при kторм = 0. Этот факт свидетельствует о том, что рекуперации энергии в режиме выбега210 Глава 7. Повышение экономичности на неустановившемся режимемашины не происходит, но экономические показатели цикла с выбегом остаются высокими.Расчёты показывают, что применение рекуперации энергии повышает экономичность машин без ухудшения динамических качеств и без снижения производительности. Моделирование выявило возможность уменьшить расчётнуюноминальную мощность ДВС на 30% за счёт соответствующего увеличения мощности разгонных электродвигателейи за счёт этого снизить расчётный удельный расход топливаДВС на установившемся режиме движения на 13%.
Расчётная ёмкость рекуперирующих энергию устройств не превышает параметров обычных автомобильных аккумуляторов.Вопросы и задания для самоконтроля1. С чем связано влияние степени загрузки двигателяна его экономичность?2. Проведите анализ связи экономических и динамических показателей машины в цикле разгон-торможение.3. В чём заключается влияние разгружающих устройствна экономичность?4. Каковы особенности рекуперации энергии в циклеразгон-торможение?5. Кратко охарактеризуйте общие принципы повышенияэкономичности машин при работе на неустановившихся режимах..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
