Обеспечение устойчивого нагрузочного режима двигателя внутреннего сгорания сельскохозяйственной машины за счет применения комбинированной энергоустановки

где:

N _ДВС – необходимая мощность ДВС с учетом потерь в приводе, кВт;

K – коэффициент эффективного режима работы ДВС на данном участке, найден экспериментальным путем [13, с. 4];

η _П – КПД привода;

η _Р – КПД рекуперации на маршруте;

N _ПР.СР – средняя мощность, потребляемая напрямую от генераторной установки на маршруте;

N _НЭ.СР – средняя мощность, проходящая через накопитель энергии на маршруте.

Частично энергия передается от ДВС непосредственно на колеса по прямой цепочке (рис. 1б) , частично - через накопитель энергии. В том и другом случае потери будут разными. Из этого следует, что каждую цепочку потерь необходимо рассматривать в отдельности.

Средняя мощность привода на участке, переданная прямо на колеса транспортного средства, будет равна всей средней мощности N_СР.ПОЛ. за вычетом той, которая передается через накопитель энергии N_НЭ.СР (см. формулу 1).

^ ПР.Ср (^ 1 ) = ^ СР.ПОЛ. - ^ НЭ.СР , [кВт] (5)

Прямая мощность с учетом потерь в цепочке привода:

_N = М ПР.СР , [кВт],         (6)

^ х Пп где:

η _П – КПД привода.

Блок-схема цепочки потерь при передаче энергии через накопитель показана на рис. 1в.

Средним значением мощности N _ПОЛ.СР будет считаться средняя мощность, проходящая через тяговый накопитель энергии ( ТНЭ ) N _НЭ.СР на испытуемом участке.

£ ? СУ | - .^      . : , [ кВт ]

.                    и

(∑ если N_i – N_ПОЛ.СР > 0),        (7)

где:

n – общее количество точек на испытуемом участке.

С учетом потерь в приводе при работе ДВС на оптимальном режиме:

„ _ ^^НЭ.СР , [ кВт] К х п п

Небольшое количество энергии торможения, которая была передана от колес, возвратится в ТНЭ , после чего будет повторно израсходовано на движение, дважды проходя по цепочке потерь.

Мощность, дополнительно получаемая за счет рекуперации на участке ( N₃ ), определяется с учетом средней мощности торможения на колесах, заданного КПД рекуперации и КПД цепочки потерь в приводе:

N 3 = М т.ср х П р х п пр , [ кВт], (8)

где:

η _Р – КПД рекуперации.

Общая или необходимая мощность ДВС определяется исходя из мощности, переданной по прямой цепочке, проходящей через накопитель энергии и возвращенной благодаря рекуперации энергии торможения:

^ ДВС = ^ 1 + ^ 2 - ^ 3 , ^{[кВт] (9)}

В вычисляемом значении NДВС предусматриваются оптимальный по экономич- ности нагрузочный режим ДВС (K ≈ 0,75), потери при переносе энергии в цепочке привода.

Из теоретического эксперимента выявлено, что для трактора массой 4,5 т при движении по заданному циклу, по результатам расчета, необходимая мощность ДВС КЭУ будет равняться 10,843 кВт.

На рис. 2 показана схема КЭУ трактора с последовательным соединением элементов.

Параллельная схема КЭУ имеет существенные отличия. Так же как и в традиционной энергетической установке, в данном случае используется механическая передача энергии через ступенчатую коробку передач [13, с. 4]. Один электродвигатель, установленный между ДВС и коробкой передач (параллельно трансмиссии), работает исключительно при разгоне и переходных режимах на другой рабочий режим нагрузки. Излишнюю энергию двигателя при движении генератор берет для заряда накопителя (рис. 3б) . Отсюда следует, что предложенная схема используется для частичного сглаживания пиков нагрузки ДВС в ус-

ДВС                     ГЕНРАТОР

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ –

ГЕНЕРАТОР

ТРАНСМИССИЯ

Рис. 2. Схема КЭУ последовательного типа

ловиях трогания с места и подключения мощных рабочих органов, например таких как плуг.

Электрическая машина в параллельной схеме является обратимой, т. е. может работать поочередно как в режиме генератора, так и в режиме электродвигателя. Заряд накопителя возможен только при средних и малых нагрузках, а также в режиме торможения двигателем.

Отрицательным моментом параллельной схемы является присутствие неоптимальных режимов, таких как холостой ход.

Согласно особенностям параллельной схемы при расчете необходимо вычислить среднюю потребную мощность N _{СР.ПОТР.} КЭУ во время работы, но только в тех промежутках времени, когда используется ДВС ( N _ВЫХ > 0) [14, с. 148].

Результаты исследования

Принимая во внимание потери при переносе энергии, мощность ДВС рассчитывается из суммы мощности, передаваемой по прямому участку, с учетом потерь в механической передаче, и мощности, передаваемой через электродвигатель (МГ) (параллельная цепь). Кроме этого, нужно учитывать потери в цепи привода при передаче энергии от ДВС к накопителю, потери в самом накопителе и при передаче энергии к колесам трактора (рис. 3а).

Средняя мощность КЭУ параллельной схемы находится так же, как и для последовательной схемы, с учетом особенностей передачи энергии.

На рис. 4 показан один из возможных вариантов расположения транспортного средства при применении параллельной

а

б

г

Рис. 3. Блок-схемы потерь в параллельной схеме КЭУ: а) общая цепочка потерь; б) в механической передаче; в) в электрической передаче; г) при реализации мощности, возвращенной при торможении

Рис. 4. Схема КЭУ параллельного типа

схемы. В качестве возможного пути вычисления наиболее приемлемых величины КЭУ и характеристик ее составных частей рекомендуется применять тягово-мощностной расчет при движении техники по заданному циклу и алгоритмам, приведенным в ранее выполненных исследованиях.

Общая мощность ДВС определена так же, как и для последовательной схемы, для транспортного средства с типичными техническими характеристиками. Наибольшая мощность ДВС КЭУ с параллельной схемой составила 9,116 кВт, что на 8,4% меньше, чем в последовательной схеме.

Особенности условий движения трактора могут быть разными, они имеют большое значение при определении схемы КЭУ. Это может быть повторяющийся цикл с длительными остановками при Ni = 0 (холостой ход ДВС) и резкими пиками возрастания нагрузки, когда Ni → NMAX . В этом случае средняя мощность ГСУ (для параллельной схемы, ввиду того что не учитываются интервалы отсутствия мощности) будет пытаться приблизиться к максимальной мощности NСР.ПОЛ. → NMAX . При по- следовательной схеме двигатель внутреннего сгорания может работать независимо от потребляемой нагрузки, вследствие чего его необходимая мощность стремится к средней потребной мощности на всем участке движения NДВС → NСР.ПОЛ. . В данной ситуации наиболее продуктивной будет последовательная схема привода.

Это может быть длительное движение с практически не изменяющимися характеристиками потребной мощности, приближенной к средним значениям мощности ГСУ с отдельными падениями и скачками нагрузки, холостой ход ДВС практически отсутствует N _i → N _{ПОТР.СР.} . В этой ситуации более приемлема параллельная схема привода.

Обособленной ситуацией станет неизменное значение нагрузки на всем участке движения с очень редкими изменениями: N _i ≈ N _MAX ≈ N _{ПОТР.СР.} ≈ const. При этом минимальные потери будут в приводе со стандартной механической коробкой передач и ДВС. В таком режиме движения комбинированная энергоустановка будет менее экономична, чем традиционная с двигателем внутреннего сгорания [15, с. 5].

Выводы

При высокой цене на составные части КЭУ, учитывая незначительные колебания нагрузки в тракторе, разумно сохранить имеющиеся ДВС и коробку передач, используя дополнительно электродвигатель-генератор, использующийся в параллельном режиме. Такой режим частично покрывает пики нагрузки, при этом стабилизирует режимы нагрузки и работы энергетической машины. Технологическое развитие в производстве комплектующих позволит уменьшить затраты на создание более производительной техники, и в ближайшем будущем сельхозмашины с комбинированной энергетической установкой могут получить широкое применение в сельском и коммунальном хозяйстве.

На первом этапе производства трактора с КЭУ представляет интерес уменьшение стоимости. Ее можно достичь, повысив эффективность параметров при транспортировке, например используя подбор характеристик по заданному циклу движения, что и будет реализовано в последующих исследованиях.