Топливная экономичность силовой установки автомобиля с электромеханической трансмиссией

DOI:

Показатели топливной экономичности автомобильных двигателей внутреннего сгорания остаются основными показателями их работы. Среди этих показателей – индикаторный и эффективный КПД двигателя на конкретном режиме работы (чаще – номинальном), соответствующие удельные расходы топлива, часовой расход топлива на данном режиме, расход топлива на 100 км пробега автомобиля или эксплуатационный расход топлива. Среди этих показателей наиболее информативным является эксплуатационный расход топлива, поскольку он отражает топливную экономичность силовой установки автомобиля с учетом распределения режимов работы этой установки в реальных условиях эксплуатации.

Реальные режимы работы автомобильного двигателя моделируются так называемыми ездовыми циклами, которые широко используются для оценки интегральных показателей токсичности отработавших газов автомобильных двигателей. Некоторые из этих ездовых циклов представлены на рисунке 1 [1; 3; 4]. В США двигатели тяжелых грузовых

Рис. 1. Ездовые нестационарные циклы для оценки токсичности ОГ дизелей легковых и легких грузовых автомобилей:

а – Transient Cycle (США); б – 10–15-режимный тестовый цикл (Япония); в – ездовой цикл NEDC (Европа)

автомобилей испытываются по нестационарному ездовому циклу (Transient Cycle, рис. 1, а). Цикл реализуется на моторном испытательном стенде с беговыми барабанами с холодным пуском двигателя. Этот цикл соответствует работе двигателя при реальном дорожном движении на магистралях США. В Японии для легковых и легких грузовых автомобилей (общей массой менее 2,5 т) используется динамический 10–15-режимный тестовый цикл (рис. 1, б). Этот цикл продолжительностью 660 с, имитирующий характерные условия движения транспорта в Токио, проводится один раз с пуском прогретого двигателя. Причем первые три цикла теста с максимальной скоростью движения V = 40 км/ч имеют 10 режимов, а последний цикл с максимальной скоростью движения V = 70 км/ч – 15 режимов. В европейских странах для оценки токсичности ОГ серийных легковых и легких грузовых автомобилей полной массой до 3,5 т применяют ездовой цикл NEDC (New European Driving Cycle), представленный на рисунке 1, в. Этот цикл продолжительностью 1 220 с состоит из двух частей. Первая часть цикла – городской ездовой цикл UDC (Urban Driving Cycle) с максимальной скоростью движения V = 50 км/ч включает четыре последовательных ездовых цикла и имитирует условия движения автомобиля по городу. Вторая часть цикла – скоростной внегородской цикл EUDC (Extra Urban Driving Cycle) с максимальной скоростью движения V = 120 км/ч имитирует условия движения автомобиля по магистрали. В ездовом цикле NEDC автомобиль испытывается на беговых барабанах после за- пуска холодного двигателя и его прогрева на режиме холостого хода в течение 40 с. Эти ездовые циклы могут быть использованы и для оценки топливной экономичности автомобильной силовой установки.

Следует отметить, что резервы снижения расхода топлива автомобильными двигателями внутреннего сгорания путем совершенствования рабочего процесса на конкретном эксплуатационном режиме практически исчерпаны, и все большее значение приобретает оптимизация работы двигателя в составе транспортного средства. При этом механические трансмиссии с коробками перемены передач не позволяют в полной мере осуществить такую оптимизацию. Выходом из этой ситуации является применение электромеханической трансмиссии, состоящей из последовательно включенных генератора, выпрямителя-инвертора и электромотора, установленных вместо механической коробки перемены передач.

В предлагаемом исследовании сделана попытка оптимизации работы двигателя в составе транспортного средства с электромеханической трансмиссией. При этом в качестве базового цикла принято движение транспортного средства в соответствии с европейским ездовым циклом ( NEDC ). Характеристика исследуемого базового автомобиля с механической пятиступенчатой коробкой перемены передач приведена в таблице 1.

Параметры транспортного средства и его трансмиссии соответствуют типовым значениям легкового автомобиля класса «B». Для проведения расчетного эксперимента была

Таблица 1

Технические характеристики исследуемых автомобиля, двигателя и трансмиссии

Параметр Единица измерения Численное значение Вес автомобиля в ходе процедуры испытаний Н 10 000 Динамический диаметр колеса автомобиля м 0,60 Лобовая площадь автомобиля 2 м 2,5 Коэффициент аэродинамического сопротивления - 0,36 Номинальная мощность / номинальная частота вращения кВт / мин-1 66 / 3 750 Минимально устойчивая частота холостого хода -1 мин 800 КПД трансмиссии - 0,95 Передаточное отношение главной передачи - 3,06 Передаточные числа коробки перемены передач (КПП) - 3,727; 2,043; 1,393; 1,029; 0,795 Процент от номинальной частоты, при переключении КПП % 70 использована модифицированная программ, описанная в работе [2]. В качестве силовой установки моделировался дизель с турбонаддувом типа Volkswagen TDI модели ALH рабочим объемом iVh = 1,9 л, имеющий номинальную мощность N e ном = 66 кВт при частоте вращения n = 3 750 мин-1 и развивающий при n = 1 900 мин-1 максимальный крутящий момент Мe = 210 Н∙м. Двигатель имеет сис- тему управления фирмы R. Bosch типа Electronic Diesel Control (EDC). На рисунке 2 приведена универсальная характеристика двигателя по удельному эффективному расходу топлива, а на рисунке 3 – характеристика развиваемой мощности и крутящего момента на режимах внешней скоростной характеристики (ВСХ) [5]. Эти экспериментальные данные были использованы для проведения оптими-

1000      2000        3000       4000 П,мин"1

Рис. 2. Универсальная характеристика дизеля типа Volkswagen TDI модели ALH с рабочим объемом 1,9 л по удельному эффективному расходу топлива g_e

Рис. 3. Внешняя скоростная характеристика дизеля типа VolkswagenTDI модели ALH с рабочим объемом 1,9 л:

N_e – эффективная мощность; M_е – крутящий момент

зации режимов работы силовой установки транспортного средства.

Для функционирования разработанных программ по оптимизации режимов работы требуется табличная форма ввода данных по удельному эффективному расходу топлива ge, поэтому графики на рисунке 2 были обработаны в массив данных, имеющий 11 интервалов по среднему эффективному давлению ре и 10 интервалов по частоте вращения коленчатого вала дизеля n (см. табл. 2). Таким образом, определяется 110 зон возможных нагрузочно-скоростных режимов работы двигателя шириной Dре = 0,0127 МПа по среднему эффективному давлению (нагрузке) и Dn = 320 мин-1 по частоте вращения коленчатого вала двигателя. Из этих зон исключаются режимы, лежащие за пределами внешней скоростной характеристики. Для контроля внешняя скоростная характеристика аппроксимируется по экспериментальным данным следующей зависимостью

N_e = -25.3 + 0,055∙ n – 9,94∙10^-6∙ n ² – 4,55∙10^-10∙ n ³.

На рисунке 4 показан пользовательский интерфейс расчетной программы при расчете движения автомобиля с механической 5-ступенчатой КПП.

Таблица 2

Экспериментальный массив данных по удельному эффективному расходу топлива в функции среднего эффективного давления ре и частоты вращения n

р е средн. , МПа	Удельный эффективный расход топлива gе , г/(кВт ⋅ ч), при различных средних в скоростном интервале частот вращения коленчатого вала n , мин-1
	n = 960	n = 1 280	n = 1 600	n = 1 920	n = 2 240	n = 2 560	n = 2 880	n = 3 200	n = 3 520	n = 3 840
1,337	-	199	197	200	205	214	-	-	-	-
1,209	-	202	199	200	205	212	218	225	232	-
1,082	210	202	199	202	208	212	217	223	230	241
0,955	210	205	203	207	211	207	220	225	233	240
0,827	208	208	210	215	220	225	230	235	240	243
0,700	210	213	217	223	230	235	243	246	248	251
0,573	219	221	225	232	240	245	250	260	265	270
0,446	234	240	243	248	265	270	275	290	300	300
0,318	260	265	270	280	290	300	320	340	340	340
0,191	330	320	340	360	400	410	430	480	500	520
0,064	600	600	600	600	600	600	700	700	800	1 000

Рис. 4. Вид пользовательского интерфейса программы

Предварительно были проведены расчетно-экспериментальные исследования параметров автомобиля с механической коробкой перемены передач. При этом был получен расход топлива за испытательный цикл Gцикл = 566,6 г. Для проведения численных исследований работы двигателя с электромеханической трансмиссией в программе реализован следующий алгоритм работы ДВС. Двигатель внутреннего сгорания при остановке транспортного средства (скорость автомобиля V а = 0 и ускорение автомобиля Jа = 0) и его замедлении (Vа> 0 и Jа< 0) работает на минимально устойчивых оборотах холостого хода nхх min. При разгоне (Vа> 0 и Jа> 0) и движении с постоянной скоростью (V а> 0 и Jа = 0) двигатель работает на режиме с постоянной частотой вращения n1 при условии, что его располагаемая мощность N e расп больше потребной мощности N e пот р для движения транспортного средства в текущей режимной точке ездового цикла. Если условие Ne расп>Ne потр не выполняется, то двигатель переходит на другой скоростной режим работы n2 с более высокой частотой вращения. Естественно, что при этом располагаемая мощность увеличивается и условие Ne расп>Ne потр может быть выполнено. В программе можно установить долю от но- минальной частоты вращения от номинальной для n1 и n2 (на рис. 4 доля равна 0,3 от nном для оборотов n1 и 0,6 от nном для оборотов n2). Программа для контроля числовых значений вычисляет частоту вращения в мин-1.

На рисунке 5, а в качестве примера приведены части графиков располагаемой мощности N_{e расп} – мощности, развиваемой двигателем по внешней скоростной характеристике на заданной частоте вращения, и потребной мощности N e пот _р, необходимой для движения транспортного средства с заданной скоростью V _а и ускорением J _а. На рисунке 5, а видно, что имеются три уровня располагаемой мощности: уровень 1 – мощность по внешней скоростной характеристике на частоте, соответствующей минимально устойчивым оборотам холостого хода n _{хх min}; уровни мощности 2 и 3 по ВСХ, соответствующие частотам n ₁ и n ₂ соответственно. Точка 4 на графике рисунка 5, а соответствует моменту, когда потребная мощность становится равной располагаемой на частоте n ₁, что служит сигналом к переходу на повышенную частоту вращения n ₂ и увеличению располагаемой мощности. На рисунке 5, б приведены соответствующие по времени цикла рис. 5, а графики скорости движения автомобиля V _а и частоты

Рис. 5. К объяснению алгоритма работы программы

вращения коленчатого вала n . При замедлении автомобиля двигатель работает на минимальной частоте вращения холостого хода.

Выбор частот вращения n1 и n2 влияет на эксплуатационную топливную экономичность. Слишком малая частота вращения n1 определяет низкую топливную экономичность в силу ухудшения параметров рабочего процесса дизеля, связанного со снижением качества распыливания топлива, низкой интенсивностью турбулентности воздушного заряда и, как следствие, ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, повышением относительного уровня тепловых потерь в стенки камеры сгорания. Слишком высокая частота n1 также должна приводить к повышенному расходу топлива, так как с повышением частоты вращения растут механические потери и потери на впуске, возрастает продолжительность сгорания в градусах поворота коленчатого вала, вследствие чего снижается термодинамический КПД цикла. Повышенная частота вращения n2 должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать недостаток мощности, но ее рост также ведет к повыше- ющего значения k2. В силу дискретности исходных экспериментальных данных по удельному эффективному расходу топлива исследуемого дизеля (таблица, имеющая 10 столбцов по частоте вращения коленчатого вала и 11 строк по нагрузке двигателя) результаты расчета нестабильны, но их сглаживание полиномом второго порядка дает легко анализируемые данные (см. рис. 6). Действительно, все три кривые по расходу топлива имеют минимум, лежащий в области n = 1 300–1 400 мин-1. Указанные данные согласуются с данными таблицы 2: в области больших и средних нагрузок минимальные расходы соответствуют диапазону частот вращения n = 1 200–1 900 мин-1, а в области малых нагрузок – более низким частотам вращения с диапазоном n = 1 000– 1 300 мин-1. В области минимальных расходов топлива (рис. 6) выбор повышенной частоты вращения n = 2 200 мин-1 (вместо n = 2 600 мин-1) дает снижение эксплуатационного расхода топлива на 5 %, а выбор частоты вращения n = 1 800 мин-1 снижает расход на 12,5 %. Но, как уже отмечалось, при низких значениях n2 повышение частоты может не дать необходимую прибавку по мощности.

На рисунке 4 приведены значения полез- нию потерь и увеличению расхода топлива.

Авторами был проведен численный эксперимент, в котором для трех уровней n ₂, определяемых значениями k ₂ = 0,45; 0,55 и

Рис. 6. Расход топлива двигателем автомобиля при выполнении ездового цикла NEDC при различных значениях n ₂:

1 – 2 600 мин^-1 ( k ₂ = 0,65); 2 – 2200 мин^-1 ( k ₂ = 0,55); 3 – 1 800 мин^-1 ( k ₂ = 0,45)

K

Auикл   ^t^^ Ne потр i, i=1

где At - шаг расчета (в данном случае - 0,1 с); К - число шагов расчета.

Из графиков, приведенных на рисунке 7, видно, что для частоты n2 = 1 800 мин-1 выбор частоты вращения n1 менее 1 200–1 300 мин-1 приводит к снижению работы цикла, что может быть объяснено невозможностью обеспечения требуемой мощности на некоторых участках ездового цикла. Наиболее критичным в этом смысле в цикле NEDC является наиболее энергоемкий участок ускорения автомобиля со скорости 100 км/час до скорости 120 км/час. Алгоритм программы таков, что в каждой расчетной точке программы проверяется соответствие располагаемой мощности двигателя (максимальной развиваемой двигателем мощности на заданной режимом частоте вращения коленчатого вала) и требуемой мощности для движения в соответствии с циклом. Если условие Ne расп > Ne потр не выполняется, то суммарная работа цикла уменьшается и, соответственно, снижается ускорение движения автомобиля при разгоне. Следовательно, как видно из рисунка 7, нельзя снижать частоту n1 менее 1 200–1 300 мин-1 при n2, равной 1 800 мин-1, и менее 1 700 мин-1 при n2 = 2 200–2 600 мин-1, так как при этом не выполняются условия движения по ездовому циклу.

Согласно сформулированным выше условиям с использованием данных рисунка 6 получены значения минимального путевого расхода в цикле NEDC , которые приведены в таблице 3. Они свидетельствуют о том, что следует остановиться на регулировке № 1, обеспечивающей минимальный путевой расход топлива. По сравнению с механической 5-ступенчатой КПП эта регулировка позволяет снизить путевой расход топлива на 19 %.

Таблица 3

Расход топлива при движении по ездовому циклу NEDC

Номер режима	n 1, мин 1	n 2, мин 1	G т, г/цикл
1	1 300	1 800	365
2	1 700	2 200	400
3	1 700	2 600	420

Указанный расчет был проведен при КПД электрической трансмиссии, равном 0,95. Но необходимо отметить, что такая трансмиссия предполагает использование современных высокоэффективных электрогенератора и электродвигателя, связь между которыми осуществляет блок управления, использующий цифровое управление частотой и мощностью привода, что

Частота вращения коленчатого вала п„ мин-1

Рис. 7. Работа, совершаемая двигателем транспортного средства с электромеханической трансмиссией при задании условий движения в соответствии с циклом NEDC при выборе повышенной частоты вращения n ₂, равной:

1 и 2 – 2 200 и 2 600 мин^-1; 3 – 1 800 мин^-1

снижает потери в электрической части трансмиссии. При меньших значениях КПД трансмиссии пропорционально увеличивается путевой расход топлива транспортным средством. Следует отметить, что электромеханическая трансмиссия обладает перспективой еще большего снижения расхода топлива двигателем. При применении аккумулирующего элемента (электрического аккумулятора или суперконденсатора) кроме рекуперации энергии торможения появляется возможность оптимизировать работу двигателя внутреннего сгорания не только по частоте вращения, но и по нагрузке.