Разработка системы управления комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей легкового автомобиля

Актуальность работы. В настоящее время невозможно представить нашу жизнь без автомобильного транспорта. Общий мировой парк автомобилей огромен и продолжает увеличиваться быстрыми темпами. Высокая насыщенность машинами, оборудованными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), привела к тому, что при работе они расходуют большое количество моторного топлива и выбрасывают в атмосферу вместе с отработавшими газами большое количество токсичных компонентов — окись углерода, окислы азота, углеводороды, сажа, соединения свинца и многих других вредных составляющих, которые отрицательно влияют на здоровье человека и окружающую его природную среду. Особенно остро стоит проблема экологии в крупных городах и около крупных автомагистралей. Экологический ущерб от функционирования автотранспортного комплекса России по разным источникам достигает 2−3% от валового внутреннего продукта, на долю автотранспорта в крупных промышленных регионах приходится до 70% от общей массы выбросов загрязняющих веществ, большая часть которых связана с загрязнением атмосферного воздуха.

Автомобильный транспорт потребляет большие объемы углеводородного топлива, которые не восполняется в природе. По мнению различных экспертов запасов нефтегазового топлива в мире при современных объемах потребления осталось на 40−50 лет.

За последние 50 лет природе нанесен больший ущерб, чем за весь предшествующий период развития человечества, это может привести к необратимым процессам на планете. Поэтому над проблемами топливной экономичности и экологии по различным направлениям работает большое количество ученых, конструкторов и других категорий людей, которые ищут пути и методы их решения.

Одним из новых направлений в мировом автомобилестроении, направленных на решение данных проблем, это использования в конструкциях машин гибридных энергосиловых установок. Практически все автомобильные фирмы мира в настоящее время разрабатывают, создают и реализовывают (продают) в различных объемах транспортные средства с комбинированными (гибридными) энергосиловыми установками (КЭСУ или ГЭСУ). Также они проводят большой объем опытно-конструкторских работ, направленных на поиск наиболее рациональных конструктивных схем, параметров и характеристик гибридных энергосиловых установок.

Отечественное автомобилестроение существенно отстает в разработке и реализации этого направления. В настоящее время в России разработаны и созданы единичные образцы автомобилей с комбинированными энергосиловыми установками.

КЭСУ представляют собой комбинацию двух типов двигателей, обычно ДВС и электродвигателя (ЭД), необходимые режимы работы которых, обеспечиваются системой управления. Система управления является одной из основных частей КЭСУ, от функционирования которой, во многом зависит эффективность работы КЭСУ. Система управления КЭСУ обеспечивает работу, согласование, контроль и регулировку всех составляющих элементов силовой установки в зависимости от потребностей водителя, состояния транспортного средства и различных условий (природно-климатические, состояние дороги и т. д.).

Трудоемкость создания КЭСУ значительно зависит от работ, связанных с системой управления. Эти работы направлены на поиск наиболее рациональных методов, принципов, способов и алгоритмов управления КЭСУ, также данные работы направлены на построение новых и совершенствование старых конструктивных схем и элементов систем управления КЭСУ и т. д. Эти работы позволяют оптимизировать работу КЭСУ транспортного средства и тем самым максимально повысить экономию топлива, максимально улучшить экологическую безопасность и тягово-скоростные свойства.

Поэтому исследования в области создания систем управления для автомобилей с комбинированной энергосиловой установкой являются своевременными и крайне актуальными, так как имеют важнейшую научно-техническую и практическую ценность для отечественного автомобилестроения, а также смогут улучшить экономическую и экологическую обстановку в России.

Цель работы. Разработка алгоритма и системы управления работой комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей легкового автомобиля с приводом на задние колеса.

Задачи исследования. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования:

1. Критический анализ конструктивных схем и систем управления КЭСУ.

2. Разработка принципов и алгоритма управления работой автомобиля с КЭСУ.

3. Расчетные исследования по выбору и обоснованию алгоритма управления КЭСУ.

4. Разработка методики расчета параметров и характеристик тягово-скоростных свойств и топливной экономичности для обоснования системы управления КЭСУ.

5. Разработка системы управления работой автомобиля с КЭСУ.

6. Проведение экспериментальных исследований и лабораторно-дорожных испытаний системы управления КЭСУ в составе автомобиля.

7. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию системы управления КЭСУ.

Методы исследования. Решения поставленных задач базируются на методах теории автомобиля, теории автоматического управления, основных положениях электроники и электротехники, методах синтеза и оптимизации конструкций транспортных машин, методах инженерного эксперимента и математического анализа.

Достоверность и обоснованность. Достоверность принятых в диссертационной работе решений подтверждается согласованностью теоретических и расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований, полученных в лабораторных и дорожных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

— разработан алгоритм управления КЭСУ параллельной компоновочной схемы, который отличается от существующих использованием зависимости нагрузки теплового двигателя от равномерной скорости движения автомобиля;

— разработана методика обоснования численных значений параметров системы управления, базирующаяся на показателях эксплуатационных свойств автомобиля;

— впервые в России разработана система управления КЭСУ параллельной компоновочной схемы маломощного теплового двигателя и электрического двигателя постоянного тока;

— разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию и совершенствованию системы управления.

Практическая ценность. Внедрение в практику проектирования созданных теоретических основ расчета и обоснования алгоритма управления КЭСУ позволяет, во-первых, существенно улучшить эксплуатационные свойства автомобиля, оборудованного КЭСУ параллельной компоновочной схемы, во-вторых, существенно уменьшить сроки, затраты и объем доводочных испытании.

Реализация результатов. Разработанные алгоритм и система управления КЭСУ были использованы при разработке опытных образцов гибридных автомобилей в Ижевском государственном техническом университете. Результаты диссертационной работы используются в учебных программах по дисциплинам «Особенности тяговой динамики и топливной экономичности автомобилей с гибридными силовыми установками (ГСУ)», «Конструирование и расчет КЭСУ автомобиля». Результаты работы были использованы при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.006 6 492. При выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901 933. При выполнении мероприятия № 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы" / Государственный контракт № П1449 от 03 сентября 2009 года.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» ОАО «Ижевский автомобильный завод» (г. Ижевск, 2007 г.) — на 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2008 г.) — на Международной научно-технической конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов» НГТУ (г. Н. Новгород, 2008 г.) — на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» ПГТУ (г. Пермь, 2009 г.) — на Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука производству» ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» (г. Набережные Челны 2010 г.) — на 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них: 10 статей в различных изданиях, 3 статьи в изданиях входящих в перечень ВАК РФ, б научно-исследовательских отчета, монография. Автор диссертации принимал участие в VIII выставке-сессии инновационных проектов республиканского молодежного форума (диплом I степени за инновационный проект «Комбинированная энергосиловая установка для легкового автомобиля»), участвовал в VIII Международной специализированной выставке «Нефть. Газ. Хи-мия-2009» и «Машиностроение. Металлургия. Металлообработка-2009» (диплом за инновационный проект «Комбинированная энергосиловая установка для легкового автомобиля»), участвовал в X выставке-сессии инновационных проектов II республиканского молодежного инновационного форума (диплом I степени за инновационный проект «Создание комбинированной энергосиловой установки для городского легкового автомобиля»).

Структура и объем диссертации

: Работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 119 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Кардинальное снижение расхода топлива и уменьшение токсичности отработавших газов на автомобилях с КЭСУ может быть осуществлено применением в составе КЭСУ параллельной компоновочной схемы маломощного теплового двигателя, работающего в более благоприятном режиме за счет совместной работы с ЭД или совсем отключаемого в некоторых режимах движения.

2. Для автомобиля среднего класса применение КЭСУ позволяет обеспечить хорошие тягово-скоростные свойства при подводе к ведущим колесам на наиболее характерных режимах движения от ЭД примерно 10−12 кВт. При этом максимальная мощность теплового двигателя должна быть более 24 кВт.

3. В системе управления работой КЭСУ наиболее рационально реализовать следующие режимы движения: запуск теплового двигателя с помощью ЭД работающего в качестве стартерадвижение автомобиля на малых скоростях при работе только ЭД для обеспечения высоких показателей экономичностидвижение с квазиустановившимися скоростями только на тепловом двигателе для экономии энергииразгон автомобиля при совместной работе ТД и ЭДрекуперация энергии при торможении и замедленииработа ЭД в генераторном режиме при движении только на тепловом двигателе при необходимости заряда накопителя энергииотключение теплового двигателя на остановках.

4. Выполнены теоретические исследования по обоснованию наиболее эффективных алгоритмов и моделей электронного управления работой ГЭСУ, которые показали, что наиболее эффективной, в настоящее время, является системы бесконтактного тиристорного управления и микропроцессорные системы управления, а наиболее предпочтительным видом регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока — якорное и полюсное регулирование.

5. Разработана система управления КЭСУ, основной частью которой является логический блок управления, управляющий режимами работы ЭД в зависимости от положения педали акселератора, скорости движения автомобиля и частот вращения валов ДВС и ЭД, с помощью блока управления возбуждением БУ, промежуточных реле, контакторов и т. д. В основу алгоритма положены расчетные исследования эффективности работы системы по показателям тяго-во-скоростных свойств и топливной экономичности.

6. В основу разработки системы управления. работой КЭСУ должны быть положены основные принципы теории автоматического управления и меха-тронных систем. На основе проведенных исследовании* разработан алгоритм управления работой ГЭСУ автомобиля как объекта теории автоматического управления. Разработаны функциональные и структурные схемы управления работой легкового автомобиля с КЭСУ.

7. Затраты энергии исследуемого автомобиля ИЖ-2126 с КЭСУ на 100 км пути, в. кВт*ч: европейский ездовой цикл — 9,5- американский магистральный ездовой цикл — 12,38- американский городской ездовой цикл — 7,7- городской и магистральный ездовой цикл соответственно 10,5 и 12. Расчеты энергии необходимы для обеспечения заряженности и обоснования объема накопителя энергии (обеспечение баланса электроэнергии при создании системы управления).

8. Для повышения эффективности работы системы управления КЭСУ в алгоритм управления дополнительно к показателям скоростного и нагрузочного режимов (датчик скорости и нагрузки) необходимо вводить датчик ускорения автомобиля в процессе движения.

9. Проведенные лабораторно-дорожные испытания автомобиля ИЖ-2126 показали, что КЭСУ при управлении разработанной системой управления обеспечивает: повышение топливной экономичности примерно на 25−31% и уменьшение выбросов токсичных веществ на 30−40% (без изменения конструкции ходовой части и кузова автомобиля ИЖ-2126) в сравнении с базовой-моделью автомобиля ИЖ-2126, оборудованного серийным двигателемзаря-женность аккумуляторных батарей в процессе испытательных заездов не изменяется, поэтому запас хода ограничен только емкостью топливного бакасредняя скорость движения по загородным дорогам общего пользования равна 65,3 км/чмаксимально возможная скорость движения в режиме чистого электромобиля (работает только ЭД) составила примерно 50 км/ч.