XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование работы гибридного двигателя

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Баев А.А. 1

---

1МБОУ СОШ им. Ходова К.Х. с. Новый Батако

Кудухова Н.В. 1

---

1МБОУ СОШ им. Ходова К.Х. с. Новый Батако

Работа в формате PDF

436.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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:

1. Исследование работы двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя в паре.

2. Смоделировать макета гибридного двигателя.

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.

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.

Топливная часть такого мотора может работать совместно с электрической, но возможно и осуществление совершенно независимых циклов. Именно компьютеры распределяют правильно нагрузку на обе части. Так, за городом, где важна мощность силового агрегата, в дело вступает бензиновая или дизельная технология, к тому же, на трассе не так губительны для человека выхлопные газы.

А вот в городе преимущественно работает электрическая составляющая, потому что такой вариант чище и экономичнее. Автомобили с гибридным двигателем умеют сами себя обслуживать, касается это электрической части мотора. Электрический компонент не бездельничает, пока работает топливный, он аккумулирует вырабатываемую энергию, чтобы потом снова пустить ее в дело.

Не исключены ситуации, когда оба элемента двигателя работают одновременно, например, при разгоне, когда от автомобиля требуются большие силовые затраты. [5]

Особенности гибридных автомобилей. Разработчики подошли комплексно к этому вопросу. 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.

Автомобиль с ДВС и электродвигателем

3. Принцип работы гибридных двигателей

Гибридный двигатель устроен таким образом, что оба мотора работают, условно говоря, друг на друга. Двигатель внутреннего сгорания крутит генератор и снабжает энергией электромотор, а тот позволяет «напарнику» работать в оптимальном режиме без резких колебаний и нагрузок. К тому же, гибриды обычно оснащаются системой рекуперации кинетической энергии KERS (аналогичную той, что применяется на болидах Формулы-1).

Эта система позволяет заряжать аккумуляторные батареи во время торможения и при движении машины накатом. Принцип ее работы в том, что при торможении колеса приводят в действие электромотор, который в этом случае сам играет роль генератора и заряжает аккумуляторы. Особенно полезна KERS при езде по городу в режиме «тронулся-остановился». По степени гибридизации силовые агрегаты разделились три типа: «умеренные», «полные» и plug-in. В «умеренных» постоянно работает двигатель внутреннего сгорания, а электромотор включается только тогда, когда необходима дополнительная мощность. Автомобиль с «полным» гибридом способен двигаться на одной электротяге, не расходуя горючего. Plug-in, как и полный гибрид, может передвигаться только на электричестве, но имеет возможность заряжаться от розетки, совмещая таким образом все преимущества электромобиля, и избавляясь от его главного недостатка — ограниченного пробега без подзарядки. Когда заряд батарей кончается, plug-in работает как обычный гибрид.

4. 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.

4. 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. Автомобиль при этом движется только на электротяге. Также для зарядки аккумуляторной батареи применяется система рекуперации кинетической энергии. Своим названием данная схема обязана последовательным преобразованиям энергии: энергия сгорания топлива двигателем внутреннего сгорания превращается в механическую, затем - в электрическую при помощи генератора и снова в механическую.

Плюсы такой конструкции заключаются в следующем:

• ДВС всегда работает на неизменных оборотах, с максимальным КПД;

• нет необходимости оснащать автомобиль мощным и прожорливым двигателем;

• не нужно сцепление и коробка передач;

• автомобиль способен передвигаться и с выключенным двигателем внутреннего сгорания за счет энергии, запасенной аккумуляторной батареей.

Однако есть у последовательной схемы и свои минусы:

1. потери энергии в процессе преобразований;

2. большой размер, вес и высокая стоимость аккумуляторных батарей.

Наибольшая эффективность такой схемы достигается при движении с частыми остановками, когда активно работает KERS. Поэтому она нашла применение в городском транспорте. Также гибридные двигатели с последовательной схемой применяются в карьерных самосвалах, которым для работы важен большой крутящий момент и не требуется высокая скорость.[5]

4. 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. Электродвигатель в таком случае должен быть обратимым, т.е. способным работать в качестве генератора. Согласованная работа обоих моторов достигается посредством компьютерного управления

Плюсы подобной компоновки:

• нет необходимости устанавливать аккумуляторную батарею большой емкости,;

• потери энергии намного меньше, чем при последовательной схеме, поскольку ДВС напрямую связан с ведущими колесами;

• сама по себе конструкция довольно проста, а значит, дешева.

Основные минусы схемы:

1. меньшая топливная экономичность по сравнению с другими вариантами;

2. низкая эффективность в городских условиях;

3. машины с гибридным двигателем, построенным по параллельной схеме, наиболее эффективны при движении по трассе.

По данной схеме построены гибридные автомобили марки Хонда. У этой марки существует две гибридных модели – Civic (снят с производства в 2010 году) и Insight.[5]

4. 3. Последовательно-параллельная схема

Последовательно-параллельная схема представляет собой совмещение первых двух. В параллельную схему добавлен дополнительный генератор и делитель мощности. Благодаря этому автомобиль при трогании 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.

Поскольку в системе имеется отдельный генератор, заряжающий аккумуляторную батарею, электромотор используется только для привода ведущих колес и во время рекуперативного торможения. Через планетарный механизм (он же делитель мощности), часть крутящего момента от ДВС частично передается на колеса и частично отбирается для работы генератора, который питает либо электромотор, либо аккумуляторную батарею. Электронный блок управления все время регулирует подачу мощности из обоих источников. Плюсы:

1. последовательно-параллельного гибридного двигателя данной схемы, в максимальной топливной экономичности;

2. высокая экологичность.

Минусы системы:

1. сложность конструкции;

2. высокая стоимость, поскольку требуется дополнительный генератор, достаточно емкая аккумуляторная батарея и сложный электронный блок управления.

Применяется последовательно-параллельная схема на автомобилях марки Тойота (Prius, Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых моделях Лексус. Подобными гибридными двигателями оснащаются машины Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.

4. Преимущества гибридных двигателей

Также были построены и испытаны гибридные силовые агрегаты для автобусов на основе гидропривода, в которых роль накопителя энергии выполняли баллоны со сжатым азотом и маслом. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов», эффективность их оказалась близкой друг к другу — расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопа — в несколько раз.

4. 1. Экономная эксплуатация

Основным движущим мотивом при разработке гибридных автомобилей послужило стремление повысить их экономичность, по возможности не жертвуя при этом остальными эксплуатационными характеристиками — скоростью, приёмистостью, пробегом на одной заправке и т. д. Экономия была достигнута, в том числе:

• использованием двигателя внутреннего сгорания меньшей мощности и, соответственно, объёма;

• работой двигателя в оптимальном режиме (например, работа по циклу Миллера (5));

• его полной остановкой вместо работы на холостом ходу

• 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%.

Постоянный контроль за работой всех систем гибридного автомобиля на их оптимальных режимах представляет собой весьма сложную задачу, решение которой не представлялось возможным до появления бортовых компьютеров.

5.2.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.

Анализ гибридной силовой установки «Сплит» на примере автомобиля

«TOYOTAPRIUS»

В главе рассматривается анализ гибридной силовой установки «Сплит». Были проведены исследования 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]

Рис. 1-Принципиальная схема ГСУ системы «Сплит»

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».

В гибридной силовой установке автомобиля объединены 1,5-литровый двигатель внутреннего сгорания, генератор переменного тока, в качестве тягового электродвигателя обратимая электромашина переменного тока и аккумулятор.

Оба двигателя через согласующий редуктор передают крутящий момент на передние ведущие колеса. Установленный за ДВС планетарный механизм разделяет поток мощности на две ветви: одна идет к редуктору главной передачи, а другая – к генератору переменного тока, который через преобразователь заряжает накопитель, от которого при необходимости питается и тяговый электромотор.

При торможение электромотор действует в режиме генератора и через преобразователь пополняет запас энергии в батарее. А при пуске ДВС он играет роль стартера.

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]

Четырехцилиндровый ДВС примененный в СУ имеет рабочий объем 1,5 литра и развивает мощность 43 кВт при 4000 об/мин.

Данный двигатель работает по циклу Аткинсона характеризующемуся переменной степенью сжатия, он оснащен двумя распределительным валами, четырьмя клапанами на цилиндр, системой изменяемых фаз газораспределения и электронным распределённым впрыском топлива. [8]

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.

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 нашёл макет схемы, который позволит понять принцип работы гибридного привода. 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.

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 60 км/ч — 3 л/100 км
Скорость 70 км/ч — 3,5 л/100 км
Скорость 90 км/ч — 4,5 л/100 км
Скорость 120 км/ч — 6,5 л/100 км
Скорость 135 км/ч — 7,5 л/100 км
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 71 рубль (2026 год), то годовая экономия при использовании Приуса составит всего примерно 90 тысяч 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.

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.

7. Заключение

В представленном проекте проводится исследование работы гибридного двигателя, анализ гибридной силовой установки «Сплит».

. В результате проделанной работы, можно сделать выводы:

• Гибридный автомобиль – высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель-двигатель внутреннего сгорания», питаемый как горючим так и зарядом электрического аккумулятора (3);

• Главное преимущество гибридного двигателя снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Такая силовая установка может устанавливаться на различные автомобили, которые выполняют самые различные задачи.(6)

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