Инженер-механик.  Сарыкулов С.Ж.

Преподаватель специальных дисциплин Алматинcкий индуcтриальный кoллeдж  г. Алматы

Гибридные автомобили − решение экологической проблемы автомобильного транспорта

 

          Автомобильный транспорт один из основных источников загрязнения окружающей среды. Мы проживаем в местах повышенного загрязнения воздуха, а государственные затраты на охрану природы составляют доли процента бюджета. Несмотря на сокращение производства, состояние окружающей среды РК постоянно ухудшаются.

Так же автомобиль потребляет O2. Автомобиль, проехавший  900км. потребляет столько же O2, сколько человек расходует на дыхание за целый год. И в связи с этим возникает потребность в автомобилях, которые наносили бы меньше вреда окружающей среде, такие автомобили получили название «Гибридный автомобиль».

Под гибридной силовой установкой (ГСУ) следует понимать такую установку, которая включает в себя два двигателя, получающих энергию из источников разных типов, как правило, это двигатель внутреннего сгорания, питающийся углеводородным топливом, и электромотор (один или несколько) с аккумуляторными батареями. Автомобили с такими силовыми установками принято называть гибридными. 

Все типы гибридных автомобилей можно разделить на три группы.

К первой группе отнесем т.н. последовательные гибриды. 

В этом случае двигатель внутреннего сгорания (ДВС) питает энергией только генератор и не имеет механической связи с ведущими колесами. Генератор в свою очередь производит электрическую энергию для тягового электродвигателя (ТЭД), либо дополнительно заряжает накопитель энергии (тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ) или конденсаторы). При нехватке энергии генератора для обеспечения необходимого режима работы автомобиля ТЭД получает дополнительную энергию из батарей, а при ее избытке - отдает его в накопитель. Данная схема позволяет на ограниченном пути движение с выключенным ДВС в режиме электромобиля.

Вторая группа – это параллельные гибриды. В данной схеме ДВС через механическую трансмиссию отдает энергию ведущим колесам автомобиля и через специальную систему отбора мощности может при избытке энергии, используя электромотор-генератор (обратимую электрическую машину) питать аккумуляторную батарею. При дефиците энергии через эту же систему автомобиль может получить дополнительную энергию из накопителя через элементы электротрансмиссии. Здесь также возможно на ограниченном участке пути движение с неработающим ДВС.

Существует также третья, т.н. последовательно-параллельная схема или, как мы ее называем, – "сплит", которую можно считать симбиозом последовательной и параллельной схем. В ней ДВС, генератор и электродвигатель связаны друг с другом и с ведущими колесами автомобиля посредством специального механического устройства, которое можно назвать сплиттером, представляющим из себя не что иное, как планетарную передачу. Такое техническое решение позволяет объединить преимущества и реализовать режимы работы гибридной силовой установки как у двух описанных выше схем.

Сотрудниками Научно-образовательных центров по Автомобильному транспорту  были Проведены испытания автомобиля с гибридной силовой установкой.

Рис. 1. Простой городской цикл (195 с).

Для определения топливной экономичности и токсичности отработавших газов автомобиля были проведены стендовые испытания согласно правилам ЕЭК ООН №83 и №101 (для автомобилей с ГСУ), в соответствии с которыми расход топлива и количество вредных выбросов автомобиля измеряются в режиме движения по городскому циклу[1]. Испытательный городской цикл в этом случае состоит из четырех повторов простых циклов продолжительностью 195 с каждый, при этом общая продолжительность цикла составляет 780 с. График простого городского цикла приводится на рис. 1

Целью стендовых испытаний являлось определение наименьшего расхода топлива при возможно меньшем отрицательном балансе энергии аккумуляторных батарей. При реализации городского цикла для экономии топлива ДВС работал по характеристике минимальных удельных расходов топлива, избыток мощности, развиваемый ДВС,

Расход топлива испытуемого автомобиля определялся двумя способами: прямым – по расходомеру и косвенным – по показаниям газоанализатора. Выполнение городского цикла осуществлялось по прибору водителя, который допускал погрешность по скорости ± 2 км/ч, по времени - ± 1 с.

В результате испытаний были определены следующие значения расхода топлива и количества вредных выбросов (табл.1)

Таблица 1.  Выбросы вредных веществ и расход топлива в городском цикле.

Вид силовой установки

Выбросы вредных веществ, г/км

Q s, л/100км

СО

СН

CO2

по газовому анализу

по расходомеру

Штатная (бензиновый ДВС)

17,8

3,43

383

18,8

20,45

Гибридная - режим 1

5,3

1,51

211

9,5

10,2

Гибридная - режим 2

7,5

1,21

225

10,2

10,45

Гибридная - режим 3

9,23

2,1

218

10,1

10,76

При использовании на автомобиле с ГСУ механической ступенчатой коробки передач можно утверждать, что частота вращения коленчатого вала двигателя изменяется в достаточно узком диапазоне. При этом удельные расходы топлива в этом интервале частот также изменяются в относительно небольшом диапазоне. Так, для двигателя УМЗ 4218.10 удельные расходы находятся в пределах 260 – 300 г/кВтч. В этом случае допустимо принять средний удельный расход топлива на этапе компенсации дефицита электрической энергии geср. = 280 г/кВтч (см. нагрузочную характеристику ДВС, рис.2).

Рис. 2 Нагрузочная характеристика двигателя УМЗ 4218.10

Дефицит электрической энергии ΔE, выраженный в кВт·ч, необходимо умножить на принятый средний удельный расход топлива. Полученное количество топлива ΔQ следует прибавить к количеству топлива Qцикл., израсходованного при движении в городском цикле. Так, например, при испытании автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ: 

дефицит электрической энергии ΔE составил в среднем 0,694 Ач (300 кВт·с) на 195 с цикла; измеренный за цикл расход топлива Qцикл. = 110 см3

Таким образом, эквивалентный расход топлива в городском цикле:

Qцикл. + ΔQ = 110 + 31,9 = 141,9 г, что составляет 12,9 л/100 км.

Если, как в рассмотренном выше примере, принять недостаток энергии в 0,100 А·ч (43,2 кВтс), то количество дополнительного топлива составит 3,36 г (4,6 см3). Эквивалентный расход топлива в городском цикле:

Qцикл. + ΔQ = 110 + 4,6 = 114,6 см3, что составляет 10,5 л/100 км.

Как видно из приведенного примера, предлагаемая методика реально учитывает снижение эквивалентного расхода топлива при уменьшении дефицита электроэнергии.

Выводы

Таким образом, как показали проведенные испытания, наличие гибридной силовой установки на транспортном средстве обеспечивает существенную экономию топлива, значительное снижение экологически вредных выбросов, уменьшение суммарного времени работы ДВС, особенно в местах вынужденной остановки при движении в режиме городского цикла, что положительно сказывается на потребительских качествах таких автомобилей в сравнении со стандартными автомобилями.

 

Литература

1.     Бахмутов С.В., Богомолов С.В., Висич Р.Б. Технология двухэтапной оптимизации эксплуатационных свойств автомобиля. «Автомобильная промышленность», стр. 32-35. 1998, №12.

2.     Бахмутов С.В., Ахмедов А.А., Карунин А.Л. Совершенствование характеристик управляемости и устойчивости легкового автомобиля в условиях случайного микропрофиля дороги. «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (сборник трудов). Т. 2, стр. 70−76. Тольятти. 26-28 мая 2004.

3.     Савочкин В.А., Дмитриев А.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых машин. М. Машиностроение. 1993. – 320 с.