1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
Спасительные гибриды силового агрегата
Маховик в транспорте
02.04.2014 11:20
Индивидуальные инерционные силовые агрегаты, хотя и являются перспективными для автомобилей и автобусов, требуют радикальной перестройки существующих видов транспорта. Кроме этого, создание конкурентоспособного инерционного автомобиля связано пока с определенными техническими трудностями. Поэтому признаны целесообразными паллиативные решения — так называемые гибридные схемы силовых агрегатов, представляющих собой совокупность двигателя внутреннего сгорания и инерционного двигателя. Гибрид поистине является спасительным, так как он спасает положение именно сейчас, не откладывая дел в долгий ящик.

Гибридный силовой агрегат позволяет в 2 раза и более сократить мощность основного двигателя, значительно уменьшить расход топлива, повысить динамические качества автомобиля, сократить до допустимых пределов токсичность продуктов неполного сгорания топлива. При этом гибридный силовой агрегат, существенно не отличаясь от обычного двигателя по габаритам и массе, может быть установлен на автомобилях существующих конструкций без их существенной переделки.

Имея много общего с рекуператорами, гибридные силовые агрегаты более универсальны, применимы для более широкого диапазона эксплуатационных условий, и для более широкого класса автомобилей, чем рекуператоры, но зато более сложны и дороги.

Ниже описаны результаты разработок по гибридным схемам автомобильных силовых агрегатов, выполненных отделением наземных транспортных систем фирмы «Локхид» (США). Работы велись под руководством Р. Р. Гильберта, Дж. Р. Гарвея, Г. Е. Хойера и Л. Дж. Лоусона.

Жизненная необходимость подобных исследований в США очевидна, так как крупные насыщенные автомобилями города страдают из-за отравления атмосферы отработавшими газами. Гибридные силовые агрегаты наряду с высокой экономичностью во много раз меньше отравляют воздух токсичными продуктами неполного сгорания топлива, чем двигатель внутреннего сгорания.

Подобные работы проводятся и в нашей стране. Это предотвратит возможность отравления атмосферы городов при резка возросшем числе автомобилей, а заодно обеспечит значительную экономию топлива.

Гибридная схема фирмы «Локхид» представляет собой двигатель внутреннего сгорания, кинематически объединенный с инерционным аккумулятором (рекуператором) механической энергии, помогающим двигателю в периоды работы его на неустановившихся режимах, когда выделение токсичных продуктов особенно велико. Маховик в гибридных схемах служит для рекуперативного торможения и разгона автомобилей, пуска мотора; он равномерно загружает двигатель по мощности, обеспечивая благоприятный режим его работы.

Фирмой были рассмотрены возможности применения гибридных схем для машин следующих типов: семейного автомобиля, городского автобуса, прокатного автомобиля и почтового фургона.

Недавнее (1970 г.) утверждение закона о сохранении чистоты воздушного бассейна в США сильно изменило подход к контролю загрязнения воздуха отработавшими газами автомобилей.

Уровни выделений (эмиссий), установленные этим законом, существенно ниже тех, которые обеспечиваются современными автомобилями.
Сравнительные данные по эмиссиям среднего современного автомобиля (выпуска 1970 г.) и требования закона о сохранении чистоты воздуха следующие:

Продукты сгорания                            СxНy            СО         NOx
Количество выделений, г/км:
современным автомобилем . ...         2,03         23,0         2,0
по требованию закона .......            0,29         2,94         0,31

Из приведенных данных видно, что требуется почти восьми-кратное уменьшение вредных выделений.

Есть два пути уменьшения вредных выделений двигателем автомобиля: сжигание лучшего топлива и лучшее его сгорание. Анализ различных методов осуществления этих путей — применением электронного зажигания, различных термических реакторов и др. — показал, что они не в состоянии снизить вредные выделения до требуемых законом. Фирма решила использовать третий, по ее мнению оптимальный, путь снижения выделений — сжигание меньшего количества топлива, что достигается рекуперацией энергии торможения и выбором двигателя, исходя из довольно низкой средней мощности. Это может быть обеспечено применением гибридной схемы (двигатель внутреннего сгорания + инерционный двигатель), приведенной на рис. 81 и 82 и дающей следующие преимущества:
1) снижение расхода топлива примерно вдвое за счет рекуперации кинетической энергии;
2) уменьшение установочной мощности двигателя до 40% от номинальной, так как маховик обеспечивает автомобилю мощность, необходимую для пуска и разгона мотора;
3) возможность работы двигателя главным образом на единственной точке его характеристики отвечающей оптимальному
режиму, когда вредные выделения значительно сокращаются;.
4) устраняются различные системы быстрого пуска двигателя и режимы холостого хода, как известно, увеличивающие токсичность отработавших газов.

Применение гибридных схем не накладывает ограничений на размеры и мощность двигателей; к гибридным схемам применимы все улучшения, осуществленные в автомобильных мотрах современных типов.

Лучшим типом двигателя внутреннего сгорания для гибридных схем является карбюраторный, хотя усовершенствованные двигатели, работающие по циклу Ранкина, Брейтона, или модифицированные дизельные, с низким уровнем вредных выделений также пригодны для этой цели.

Фирмой проанализированы режимы движения и потребление энергии для автомобилей упомянутых четырех типов, а также исследованы рациональные формы и конструкции маховиков для - этих автомобилей.

В результате исследований маховиков для гибридных схем были выбраны два основных типа: стальной диск равного сопротивления и супермаховик стержневого типа из ориентированного стеклопластика.

1 Система движения включает маховик, трансмиссию, муфты, кардан, дифференциал, оси и управление.

В табл. 2 даны рассчитанные на счетно-решающих устройствах параметры маховиков в виде стального диска и супермаховика стержневого типа для привода отмеченных четырех автомобилей в их типичном режиме работы с использованием только энергии маховика (без двигателя, как в гиробусах).

Видно, что масса маховика получает приемлемые значения только для одного автомобиля — городского автобуса; для всех остальных она превышает даже массу всей движущей системы. Здесь уместно отметить, что фирма «Локхид» закладывала в счетно-решающие устройства теоретические данные по современным материалам и маховикам из них. Д. В. Рабенхорст предполагает повышение в перспективе удельной энергоемкости супер-маховиков до 1,75-106 Дж/кг. Массы маховиков по табл. 9 в.

этом случае соответственно были бы 280, 34, 200 и 105 кг, что с запасом удовлетворяет самым придирчивым требованиям, фирма «Локхид», между тем, исходит из возможности создания новых систем незамедлительно. Однако первоочередной задачей, как было отмечено, является создание гибридных агрегатов, и поэтому все дальнейшие материалы даны в расчете только на маховики гибридов.

Параметры маховиков гибридных схем определяются исходя из запаса кинетической энергии, необходимой для создания максимальной скорости автомобиля. При проектировании гибрида (как, впрочем, и рекуператора) принимается целесообразным, чтобы сумма кинетических энергий маховика и автомобиля в любой момент времени была равна кинетической энергии автомобиля при максимальной скорости. Таким образом, маховик обеспечивает автомобиль мощностью, требуемой для ускорения, а двигатель внутреннего сгорания обеспечивает энергией, необходимой для преодоления всех сопротивлений (качение, аэродинамика, уклоны и пр.).

Параметры маховиков на основе диска с удельной энерго-емкостью 18,5-104 Дж/кг для гибридных схем рассматриваемых автомобилей приведены в табл.
Параметры маховиков на основе диска с удельной энерго-емкостью 18,5-104 Дж/кг для гибридных схем рассматриваемых автомобилей  

Эти параметры свидетельствуют о том, что маховик занимает весьма малую часть силового агрегата и его масса может быть без ущерба для автомобиля увеличена в 2—3 раза, а удельная энергоемкость маховика соответственно понижена в это же число раз для удешевления и упрощения конструкции.

Хотя параметры маховика вполне приемлемы для автомобилей всех рассматриваемых типов, основной упор был сделан на городской автобус и семейный автомобиль, как главнейших загрязнителей атмосферы.

Трансмиссия гибридного силового агрегата автомобилей обоих типов должна обеспечить следующее:
1) плавность изменения передаточного числа; передаточное число трансмиссии должно изменяться бесступенчато и плавно, без колебаний скорости, чтобы не вызвать нежелательных динамических нагрузок, характерных для привода с маховиком, или неустойчивости движения;
2) широкий диапазон передаточного числа; исходя из того, что маховик при ускорении движения автомобиля замедляется и, наоборот, при замедлении автомобиля маховик получает ускорение, для обеспечения рационального регулирования скорости автомобиля был выбран диапазон изменения передаточного числа примерно 10—15;
3) возможность рекуперации кинетической энергии; обмен кинетической энергии между маховиком и автомобилем должен быть обратимым; трансмиссия гибридного агрегата должна обеспечить передачу кинетической энергии автомобиля маховику при торможении автомобиля, а энергии маховика — автомобилю при его разгоне;
4) высокую передаваемую мощность; чтобы обеспечить уменьшение вредных выделений двигателя, трансмиссия должна быть эффективной по всему широкому диапазону скоростей автомобиля; мощность, передаваемая маховиком, особенно критическая, может иногда превосходить в несколько раз среднюю мощность двигателя, что необходимо учитывать при проектировании трансмиссии;
5) совместимость с практикой, трансмиссия маховика должна быть совместимой с текущей автомобильной практикой, если гибридные схемы войдут в производство в следующие 5 или 10 лет; трансмиссия не должна создавать излишнего шума при эксплуатации и не требовать специальных мер для ее обслуживания и ремонта.

Основная идея управления гибридным силовым агрегатом состоит в регулировке двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы поддерживать сумму кинетической энергии автомобиля и маховика постоянной.

Маховик можно установить в гибридном силовом агрегате двумя способами: с двойной трансмиссией (рис. 81) и с единой трансмиссией (рис. 82), отличающейся тем, что маховик и двигатель подключены к единой трансмиссии параллельно и могут отключаться независимо.

Гибридная схема (двигатель внутреннего сгорания + маховичный двигатель) силового агрегата со сдвоенной трансмиссией
Рис. 81. Гибридная схема (двигатель внутреннего сгорания + маховичный двигатель) силового агрегата со сдвоенной трансмиссией:
1—двигатель, 40% номинала; 2— муфты и привод; 3—маховик; 4— трансмиссия

Гибридная схема (двигатель внутреннего сгорания + маховичный двигатель) силового агрегата с одинарной трансмиссией
Рис. 82. Гибридная схема (двигатель внутреннего сгорания + маховичный двигатель) силового агрегата с одинарной трансмиссией:
1—двигатель 40% номинала; 2—трансмиссия; 3—маховик


В случае двойной трансмиссии двигатель и маховик подключаются к трансмиссии автомобиля последовательно.
Анализ автомобильных трансмиссий — механической, электрической, гидрокинетической и гидростатической — показал, что для гибридных силовых агрегатов больше всего подходят электрическая и гидростатическая трансмиссии.

Кроме отмеченных трансмиссий, как оказалось, для гибридных агрегатов более других подходит трансмиссия с так называемым «разделением потока мощности». Часть крутящего момента идет при этом по механической передаче, а часть по гидростатической. Для разделения и последующего соединения потоков мощности служит дифференциальная передача. Такие трансмиссии с разделением потока мощности очень популярны в автомобилестроении в последнее время, особенно на грузовых автомобилях.

Данные по трансмиссиям разных типов для гибридной системы семейного автомобиля и городского автобуса приведены в табл. 4.
Данные по трансмиссиям разных типов для гибридной системы семейного автомобиля и городского автобуса

Коэффициент эффективности здесь зависит от рекуперируемой  энергии и к. п. д.; он нормализован на основе равенства его единице для лучшей трансмиссии.
Как следует из табл. 4, лучшей и для автобуса и для семейного автомобиля является трансмиссия с разделением потока мощности как единая, так и двойная.

Для выбора рационального типа двигателя для гибридного силового агрегата были проанализированы наиболее приемлемые для автомобилей карбюраторные и дизельные двигатели. Всесторонний анализ показал, что лучшим типом двигателя для гибридного силового агрегата является карбюраторный.

В табл. 5 приведены значения вредных эмиссий (выделений) для карбюраторных двигателей и гибридной системы легкового семейного автомобиля, для карбюраторных, а также дизельных двигателей и гибридных систем с этими моторами - городского автобуса в сравнении с требованиями закона о сохранении чистоты воздуха.

значения вредных эмиссий (выделений) для карбюраторных двигателей и гибридной системы легкового семейного автомобиля

Из табл. 5 видно, что все карбюраторные двигатели и лучшие дизельные в гибридной системе с маховиком удовлетворяют требованиям, предъявляемым законом чистого воздуха. Вредные выделения указанных двигателей, работающих без маховичных агрегатов, во много раз превышают стандартные требования.
Представляет интерес компоновка гибридного силового агрегата на автомобиле.

На рис. 83, а показан автомобиль с маховиком, смонтированным вместе с двигателем. Силовой агрегат слегка передвинут вперед, чтобы компенсировать большую длину приводной трансмиссии- маховика, вмонтированного вместо гидротрансформатора. Можно заметить, что сам двигатель в этом случае будет существенно меньшим, чем без гибрида. Трансмиссия гибрида, монтируемого вместе с двигателем, показана на рис. 83,6.

Автомобиль с гибридным силовым агрегатом, смонтированным заодно с двигателем внутреннего сгорания
Рис. 83. Автомобиль с гибридным силовым агрегатом, смонтированным заодно с двигателем внутреннего сгорания:
а—компоновка маховичной части (1—гибридный силовой агрегат); б—схема расположения маховичной части гибрида (1, 3—планетарные редукторы; 2—маховик; 4-муфта движения; 5—обгонная муфта; 6—муфта реверса; 7—дифференциал; 8—гидростатический узел автомобиля; 9—гидростатический узел двигателя)


На рис. 84, а и б показан автомобиль с другим, дифференцированным расположением маховичной части гибрида.

Маховик в герметичном корпусе и его трансмиссия расположены в задней части автомобиля самостоятельным, упруго подвешенным узлом. Такое расположение предоставляет больше места силовому агрегату; схема, этого автономного маховичного силового агрегата дана на рис. 84, а.
 
Автомобиль с гибридным силовым агрегатом с раздельным расположением двигателя и маховичного агрегата

Рис. 84. Автомобиль с гибридным силовым агрегатом с раздельным расположением двигателя и маховичного агрегата:

а—компоновка (1—двигатель; 2—топливный бак; 3—узел маховика); б—схема расположения маховичной части гибрида (1—маховик; 2— задняя ось; 3—муфта; 4—дифференциал автомобиля; 5—гидро-статический узел автомобиля; 6—гидростатический узел двигателя;  7— дифференциал ; 8—обгонная муфта; 9—планетарный редуктор)
Аналогично можно компоновать маховичную часть гибрида и на автобусах в зависимости, конечно, от переднего или заднего расположения двигателя.

Анализ возможностей аккумулирования механической энергии на автомобилях позволяет сделать следующие выводы:
1) привод рассмотренных автомобилей только от маховика без двигателя, исключая городской автобус, в ближайшее время, по-видимому, невозможен из-за низкой удельной энергии современных маховиков; создание автобуса с приводом от чистого маховика возможно и в настоящее время, если этот автобус будет заряжаться на конечных остановках;
2) приведенные системы гибрида маховик — двигатель внутреннего сгорания применимы не только для автомобилей рассмотренных четырех типов, но и для большинства автомобилей вообще; для этих систем удельная энергия маховика не является решающим фактором, так как его масса составляет порядка 1% от массы автомобиля;
3) наилучшим типом трансмиссии из рассмотренных является гидростатическая с разделением потока мощности; наилучший тип двигателя — карбюраторный;
4)     приведенные системы маховичных гибридов с двигателями внутреннего сгорания обеспечивают значительно более низкие уровни вредных выделений, чем требуемые стандартом; существенно снижаются уровни выделений и на автобусах, снабженных гибридными агрегатами; экономичность автобуса при этом резко возрастает.

Видимо, мы скоро станем свидетелями широкого применения маховиков для гибридов и рекуперации механической энергии на транспортных машинах и в первую очередь на городском транспорте. За рубежом такие транспортные машины частично уже работают, частично вступают в действие уже в самое ближайшее время. И не удивительно — крупные насыщенные транспортом города там буквально задыхаются от удушья. 
 
Доставка воды в офис смотрите на www.swaqua.ru.