Введение
Автомобили с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) и электромобили – являются основными объектами реализации технических решений, в связи с этим анализ информации о существующих тенденциях в развитии данного вида транспорта, а также техническом уровне производимых автотранспортных средств (АТС), является необходимым условием выбора оптимального направления исследований.
Обзор HondaInsight II
HondaInsight II (Япония) автомобиль второго поколения создан на базе нового автомобиля Fit/Jazz с 1,34-литровым 8-клапанным ДВС L13A. Со степенью сжатия 10,8 данный ДВС развивает 88 л.с. при 5800 мин-1, максимальный крутящий момент – 121 Н∙м.
Рис. 1 HondaInsight II
ДВС автомобиля HondaInsight II работает в составе комбинированного силового агрегата IMA (IntegratedMotorAssist). Последний включает в себя выполненный в единой конструкции с маховиком бесконтактный стартер-генератор на основе синхронной электрической машины: максимальная мощность электродвигателя-генератора – 10 кВт при 1500 мин-1; максимальный крутящий момент – 79 Н∙м (от 0 мин-1). Общая мощность энергетической установки IMA – 98 л.с., тогда как суммарный крутящий момент достигает 167 Н∙м (при 1000 мин-1). Общий вид гибридной силовой установки АТС HondaInsight II и ее основных агрегатов изображен на рис.2 и 3.
Рис. 2. ДВС автомобиля HondaInsight II с силовым агрегатом IMA
Рис. 3. Синхронный электродвигатель-генераторAC55 автомобиля HondaInsight II
Силовой агрегат автомобиля HondaInsight II сопряжен с бесступенчатым вариатором. Таким образом, HondaInsight II – так называемый «частичный гибрид» (в отличие от «полных» – типа Prius японской фирмы Toyota), силовой агрегат которой работает по параллельной схеме. Термин «частичный гибрид» – означает, что в автомобиле не предусмотрен режим движения только за счет электрической тяги, при этом тяговый электродвигатель-генератор (ЭДГ) лишь «помогает» ДВС при разгоне. Поэтому данный автомобиль невозможно модифицировать по перспективной схеме plug-in (с зарядом батареи от сети).
Свою роль в снижении расхода топлива играет инновационный газораспределительный механизм ДВС L13A – под обозначением VCM (VariableCylinderManagement). Механизм с двухрежимным изменением фаз газораспределения с электронным управлением допускает деактивацию впускных и выпускных клапанов. Тем самым при замедлении автомобиля (в режиме рекуперации) цилиндры выводятся из рабочего процесса, при этом резко уменьшаются так называемые насосные потери [5,10].
Обзор EscaladeHybrid
Автомобиль американского концерна GeneralMotors марки EscaladeHybrid оснащен инновационным гибридным силовым агрегатом, способным работать в двух режимах. Обеспечивают высокие показатели топливной экономичности при движении как в городе, так и по автомагистрали, при сохранении всех функциональных возможностей в части маневренности и проходимости автомобиля. В городских условиях современная гибридная система позволяет АТС Escalade трогаться с места и двигаться на низкой скорости исключительно за счет ЭДГ. В случае необходимости дополнительной мощности система организует совместную работу ЭДГ и ДВС.
Рис. 4. EscaladeHybrid
Трансмиссия с электронным управлением (ElectronicallyVariableTransmission – EVT) автомобиля EscaladeHybrid управляет переключением передач в обоих режимах. В первом режиме она работает как обычный вариатор (CVT), постоянно регулируя передаточные числа для достижения наивысшей энергетической эффективности. На повышенных скоростях система EVT способна выбрать одно из четырех фиксированных передаточных чисел и работать как традиционная автоматическая коробка передач. EVT использует систему оптимизации гибридной силовой установки HybridOptimizationSystem, которая автоматически выбирает оптимальный режим движения – режим только электрической тяги, режим традиционного автомобиля или гибридный режим.
Так же, как и другие гибридные АТС, например, Toyota Prius, Escalade Hybrid способен генерировать энергию во время движения. При движении накатом и при торможении электрическая энергия накапливается в 300-вольтовом никелевом аккумуляторе, который у Cadillac получил название Energy Storage System (система хранения энергии).
В EscaladeHybrid используется система активного управления подачей топлива Active Fuel Management, которая отключает часть цилиндров ДВС, когда требуется меньшая мощность, например, при равномерном движении по шоссе [5].
Краткие технические характеристики ГСУ:
Рабочий объем ДВС, см-1: 5967
Количество цилиндров ДВС: 8
Мощность ГСУ, л.с. при мин-1:332/5100
Максимальный крутящий момент ГСУ, Н∙м. при мин-1:497/4100
Расход топлива в городском цикле, л/100 км:11,8
Расход топлива в загородном цикле, л/100 км:11,2
Обзор LexusGS 450h
LexusGS 450h японской компании Toyota – это первый в мире заднеприводный седан класса «премиум», оснащенный гибридным приводом, демонстрирующий высокие тягово-динамические показатели и топливную экономичность.
Рис. 5. LexusGS 450h
Для достижения высоких тягово-динамических показателей, эффективности и экономичности в GS 450h применена новая конструкция гибридного привода, которая включает в себя двигатель внутреннего сгорания, расположенный спереди продольно, и гибридную трансмиссию с приводом на заднюю ось. При этом движение автомобиля может обеспечиваться как одним электромотором, так и его совместной работой с бензиновым двигателем.
Установленный на автомобиле бензиновый двигатель V6 объемом 3456 см3 с системой двойного впрыска D-4S (непосредственный впрыск в цилиндр и распределенный впрыск), системой Dual VVT-i (электронная система регулировки фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов) развивает максимальную мощность 296 л.с. и крутящий момент 368 Н∙м при 4800 об/мин, а компактный электродвигатель мгновенно развивает мощность 200 л.с. и крутящиймомент 275 Н∙м. Общая мощность гибридной силовой установки GS 450h составляет 345 л.с., что делает его самым мощным седаном с гибридным приводом и первым автомобилем с гибридной силовой установкой, удельная мощность которой достигла значения 100 л.с. на литр рабочего объема двигателя внутреннего сгорания.
Суммарный момент двух двигателей передается на задние колеса через вариатор. Условно он имеет 6 ступеней, а фактически – это бесступенчатая передача [5].
Краткие технические характеристики ГСУ:
Двигатель внутреннего сгорания:
Рабочий объем, см3: 3457
Количество цилиндров: 6
Мощность, л.с. при мин-1: 339/6400
Крутящий момент, Н∙м при мин-1: 368/4800
Расход топлива, городской цикл, л/100 км:8,7
Расход топлива, загородный цикл, л/100 км: 7,8
Максимальная скорость, км/ч 211
Время разгона до 100 км/ч, с: 5,2
Электродвигатель:
Максимальная мощность, кВт: 147
Максимальный крутящий момент,Н∙м: 275
Обзор ToyotaPriusIII
Автомобиль японской фирмы ToyotaPrius третьего поколения является дальнейшим совершенствованием гибридной системы THS (ToyotaHybridSystem). Силовая установка Prius включает ДВС с рабочим объемом 1,8 л и синхронный ЭДГ с планетарным делителем мощности.
Рис. 6. ToyotaPriusIII
Расход топлива ToyotaPriusIII в смешанном режиме движения находится на уровне 4,7 л на 100 км (4,7 л в городе, 4,8 л по трассе), что подтверждено опытной эксплуатацией.
Новыми для Prius 2010 г. являются режимы работы ГСУ. Режим только электрической тяги (Pure EV) осуществляется с неработающим ДВС до скорости 40 км/час и в случае малого ускорения при разгоне. Экономичный режим «Eco» корректирует резкие нажатия на педаль акселератора и сокращает степень открытия дроссельной заслонки на 11,6 %. Режим «Power», напротив, повышает степень открытия дроссельной заслонки, особенно в среднем диапазоне частот вращения [5,13].
Краткие технические характеристики ГСУ:
Двигатель внутреннего сгорания:
Тип: бензиновый
Число цилиндров: 4 (в ряд) VVT-I
Рабочий объем, см3: 1798
Количество цилиндров: 4 (DOHC)
Мощность, л.с. при мин-1.: 98/5200
Крутящий момент, Н∙м при мин-1:142/4000
Расход топлива, л/100 км (городской цикл):4,9
Расход топлива, л/100 км (загородный цикл):4,6
Расход топлива, л/100 км (смешанный цикл):4,7
Электродвигатель:
Максимальная мощность, кВт: 60
Максимальный крутящий момент, Н∙м: 207
Обзор Фольксваген Touareg V6 TSI Hybrid
ЭДГ Touareg V6 TSI Hybrid, с максимальными значениями мощности и момента 38 кВт (52 л.с.) и 300 Н∙м соответственно, функционирует совместно с шестицилиндровым ДВС V6 TSI, работает в генератором режиме при рекуперации энергии и обеспечивает электропитание автомобильного электрооборудования.
Рис. 7. TouaregV6 TSIHybrid
На рис. 8 представлена конструкция силовой установки автомобиля Touareg V6 TSI Hybrid, основные элементы которой:
1) Маховик;
2) Диск сцепления;
3) Корзина сцепления;
4) Коренной подшипник;
5) Станина электромотора;
6) Разъём подключения силовой электроники;
7) Статор;
8) Ротор.
Рис. 8. Конструкция силовой установки автомобиля Touareg V6 TSI Hybrid
В спортивном режиме (положение "S" коробки передач) оба двигателя (электрический и тепловой) реализуют суммарную мощность 275 кВт (374 л.с.), при этом обеспечивая высокие тягово-динамические показатели – разгон до 100 км/ч за 6,8 секунд.
В тестовой конфигурации гибрид Touareg V6 TSI показывает предельно низкие значения выбросов CO2 (меньше 210 г/км.). Такие цифры удовлетворяют нормам Евро-5 и ULEV2.
Используемая в составе ГСУ никель-металлогидридная аккумуляторная батарея конструктивно состоит из 240 отдельных ячеек, каждая номинальным напряжением 1,2 В, что обеспечивает напряжение 288 В. Масса батареи 67 кг. Устройство контроля заряда и температуры постоянно отслеживает характеристики батареи. Наличие системы контроля режима работы АБ позволяет существенно продлить срок службы аккумуляторной батареи, это немаловажно, учитывая тот факт, что стоимость батареи, как правило, превышает 30 % стоимости АТС с ГСУ [2].
Краткие технические характеристики ГСУ:
Двигатель внутреннего сгорания:
Тип: бензиновый
Число цилиндров:6
Мощность максимальная, л.с.: 331
Расход топлива, л/100 км (смешанный цикл):8,7
Электродвигатель:
Максимальная мощность, кВт: 32
Максимальный крутящий момент, Н∙м: 300
Выводы
Анализируя все данные, можно сделать вывод о том, что в настоящее время наиболее распространенными конструкциями КЭУ является сочетание двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторной батареи и одной или двух электрических машин – электродвигателей-генераторов. Рассматривая тип используемого топлива и применяемых двигателей внутреннего сгорания в составе КЭУ транспортных средств, следует отметить, что автомобили с полной массой до 3,5 т преимущественно оснащаются бензиновыми ДВС (автомобили фирм Toyota, Honda, Ford и др.) [1,3, 7, 11, 16, 14]. АТС с полной массой более 3,5 т, в том числе автобусы и грузовые автомобили, оборудуются дизельными ДВС (MAN [8], Volvo [6], Daimler [12] и др.).
В качестве батарей накопителей энергии распространение получили батареи на основе никель-металлогидридных (Ni-MH) аккумуляторов (автомобили фирм Toyota, Honda), но в настоящее время отмечается тенденция к применению литий-ионных (Li-Ion) АБ, имеющих более высокие показатели удельной энергии и мощности в сравнении с другими типами аккумуляторов (автомобили фирм Mercedes-Benz, BMW [4]). Последний факт объясняется сравнительным удешевлением данных источников тока за последние годы.
В отношении типов электрических машин, применяемых в составе КЭУ, анализ существующих разработок АТС свидетельствует о том, что в части применения тяговых электродвигателей-генераторов предпочтение отдается бесконтактным ЭДГ переменного тока, а именно синхронным машинам (СМ) с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) (автомобили фирм Toyota, Honda и др.) и асинхронным машинам (АМ) с короткозамкнутым ротором (автомобили совместного производства фирм Ford и AzureDynamics [9], автобусы фирмы MAN [11], разработки фирмы Siemens [15]).
Рецензенты:
Ютт В.Е., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Электротехника и электрооборудование», ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.
Марсов В.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов», ФГБОУ ВПО ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г. Москва.