Формула Гибрид

Автомобиль является одним из самых массовых видов транспорта, который постоянно развивается и совершенствуется. Данная статья посвящена одному из актуальных направлений развития автомобиля. Оно вызвано рядом причин: ужесточающиеся требования по количеству вредных выбросов в окружающую среду на автомобиле, для удовлетворения которых появляется множество разнообразных мощных электроприводных механизмов для повышения экологичности транспортного средства в целом. Также развитие конструкций автомобилей находится на стадии электронизации практически всех управляющих функций агрегатов и систем. С помощью электронных технологий обеспечиваются повышение топливной экономичности и безопасности пассажиров. Электронизация автомобилей привела к необходимости решения ряда проблем, которые коренным образом повлияли или повлияют на развитие бортовой сети. Одной из основных является проблема пучка проводов. У некоторых типов автомобилей, автобусов, трейлеров суммарная длина проводов может достигать 2 км при общей массе 30-35 кг. Следует отметить, что число электронных систем возрастает на 5-7% в год. Мощность потребителей при этом значительно возрастает и достигает 5 кВт и более [1,2].

При нынешней организации электрооборудования автомобиля и сравнительно низком к.п.д. традиционных генераторов (к.п.д. современных генераторных установок с водяным охлаждением составляет 45-50%) удовлетворить растущие требования к автомобилю и его системам невозможно. Решением задачи увеличения мощности одновременно с увеличением к.п.д.(до 89%).и ресурса генераторной установки, повышения экологичности и топливной эффективности автомобиля, а также уменьшения массы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и пучка проводов может послужить интегрированный стартер-генератор (ИСГ.)

Рис.1.Стартер-генеаратор фирмы Bosch

ИСГ устанавливается непосредственно на коленчатый вал ДВС, что позволяет значительно увеличить надежность системы за счет отказа от большого числа изнашиваемых частей. Сэкономленный вес может достигать 12 кг в одном транспортном средстве.

В стартерном режиме такое решение позволяет отказаться от традиционно применяемого редуктора, являющегося маховиком ДВС, благодаря чему запуск двигателя происходит намного быстрее и с меньшим уровнем шумов. Это также позволяет реализовать систему "стоп-старт", экономящую топливо во время остановки автомобиля, которая заглушает ДВС, если машина простаивает дольше определенного промежутка времени и пускает двигатель с началом движения. Также возможен режим совместной работы ДВС и ИСГ, при котором ИСГ будет помогать ДВС при разгоне, существенно повышая динамику разгона и крутящий момент двигателя.

В генераторном режиме работы в зависимости от типа электрической машины и её размеров вырабатываемая мощность может достигать 20 кВт (при частоте вращении 4000 об/мин) и более. Даже при оборотах близким к режиму холостого хода (1000 об/мин) вырабатываемая энергия составляет 3-5 кВт. Вырабатывание таких мощностей открывает совершенно новые возможности, такие как электрификация и оснащение микропроцессорной системой управления таких узлов, как рулевое управление, тормозная система автомобиля, водяная помпа, механизм газораспределения, компрессор кондиционера. Все эти механизмы в настоящее время потребляют от 20 до 26 кВт механической мощности. Применение электрических приводов с оптимизированной системой управления позволит обеспечить уменьшение потребляемой мощности на 6-10 кВт, т.к. электрическая энергия будет потребляться только в случае необходимости.

Поясним это на нескольких примерах. Обычный компрессор кондиционера разработан таким образом, чтобы обеспечивать нормальную температуру в салоне автомобиля при работе двигателя на холостом ходу: в самом жарком месте земного шара - Долине Смерти в Америке (+57 ⁰С). Однако, и двигатель внутреннего сгорания, и компрессор кондиционера работают на холостом ходу в самых неблагоприятных режимах с низкой эффективностью, а, следовательно, с очень низким К.П.Д.. По этой причине в настоящее время компрессор проектируется с избыточными параметрами, чтобы гарантировать достаточную мощность для охлаждения даже при работе двигателя на холостом ходу.

В противоположность этому, компрессор кондиционера с электрическим приводом, который работает независимо от двигателя внутреннего сгорания, может постоянно эксплуатироваться в оптимальном для него рабочем диапазоне, например, oт 4000 до 5000 об/мин и в любое время удовлетворять потребность в максимальной мощности независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

При этом появляются дополнительные технико-экономические преимущества применения электрического привода с оптимизированной системой управления. А именно, можно уменьшить размеры компрессора, и, следовательно, он может быть размещен в непосредственной близости от кондиционера, например, сразу за панелью приборов.

Так же за счет применения генератора системы ISAD(Integrated Starter Alternator Damper - интегрированный стартер-генератор - гаситель вибраций), в будущем возможно массовое применение электронного управления приводом клапанов (сейчас применяется только на последних автомобилях BMW 7-q серии).

В настоящее время клапанам с механическим управлением требуется механическая мощность в диапазоне от 4 до 7,5 кВт (в зависимости от типа применяемой конструкции, рабочего объема двигателя, количества клапанов и распределительных валов, и качества изготовления деталей). В случае электрического варианта не только улучшается энергетический баланс, а соответственно, уменьшается расход топлива, но и может осуществляться регулирование времени открытия клапанов в зависимости от нагрузки на двигатель. Необходимая для этого электрическая мощность в 4-5 кВт полностью обеспечивается системой управления подачей и распределения энергии.

Главная первоначальная цель, для которой создавался стартер генератор – это гашение вибраций возникающих в двигателе внутреннего сгорания. При сжигании топлива в ДВС выделяется большое количество энергии, и в зависимости от порядка работы цилиндров изменяется величина крутящего момента. При этом из-за неравномерности выделения энергии в цилиндрах двигателя – наблюдается значительные пульсации крутящего момента, отрицательно влияющие на характеристики ДВС. Именно эти моменты и использует двигатель ISAD. При превышении установленного значения (слишком большой крутящий момент) коленчатый вал тормозится генератором, и избыточная энергия временно аккумулируется в конденсаторе, а входе следующего такта сжатия эта энергия используется для того, чтобы при недостаточном энергоснабжении увеличить скорость вращения коленчатого вала (рис.2)

Рис.2. Стартер-генератор с системой управления в компоновке с ДВС

Таким образом, между коленчатым валом двигателя и конденсатором звена постоянного тока происходит обмен мощностью (принцип переменной реактивной мощности), и одновременно осуществляется всемерная компенсация обусловленных силами действия газов и инерционными силами изменения моментов. Специалисты называют такой принцип действия активным демпфированием. Активным, потому что на пути к промежуточному накопителю и обратно величина требуемой энергии колеблется от 3 до 500 Ватт. Автомобильная промышленность относится скептически к таким энергетическим балансам, т.к. для производства 100 Ватт электрической энергии двигатель внутреннего сгорания использует около 0,1 литра топлива.

Однако, следует отметить, что имеется одна функция СГУ, которая более чем компенсирует указанный недостаток: это функция генератора. Высокий к.п.д. (до 90%) в совокупности с большим количеством вырабатываемой электрической энергии позволяют активно реализовывать эту функцию в современных конструкциях автомобилей.

Генератор также может использоваться как электромагнитный тормоз при невысоких степенях торможения, что способствует экономии топлива за счет рекуперации энергии. Суммарная экономия топлива, а значит и уменьшение количества вредных выбросов, с использованием интегрированного стартер-генераторного устройства (ИСГУ), как свидетельствуют зарубежные исследования, может достигать 20-30%(1 -1.8 л/100 км) в городском цикле движения. А использование ИСГ на городских автобусах, особенно на которых установлена система автоматизированного контроля пассажиров (АСКП), экономия топлива может достигать 45% при отключении двигателя еще и на остановках во время посадки пассажиров.

СГУ может работать как в автомобилях большого класса, так и особо малого. Не имеет значения, дизельный или бензиновый мотор будет оснащаться этой системой. К сожалению, СГУ не может быть просто добавлен или подключен к уже существующим моторам, поэтому требуется вносит некоторые конструкционные изменения в существующие модели двигателей или разрабатывать новые.

В перспективе автомобили немыслимы без ИСГ или применения специализированного гибридного привода. Этой проблемой занимаются ведущие отечественные и зарубежные автомобильные и электротехнические фирмы. В качестве объединённой электрической машины для использования в качестве СГ рассматриваются 3 типа: асинхронная с к.з. ротором (рис.3), синхронная с постоянными магнитами (рис. 4) и вентильная индукторно-реактивная машина (ВИРМ) (рис.5) [4.5]. Если первые 2 типа машин хорошо известны, то сведения о ВИРМ практически отсутствуют даже в специальной технической литературе. Большинство специалистов отдаёт предпочтение именно этой машине. Её отличают простота конструкции и меньшие затраты при изготовлении.

Рис.3 Асинхронный СГ фирмы Bocsh

а- статор, б- ротор

Рис.4 Синхронный СГ фирмы Sachs

Рис.5. ВИРМ для СГУ

Электрические машины для ИСГУ принято сравнивать по основным параметрам, таким как: масса, геометрические размеры, развиваемым пусковой и номинальные моменты, потребляемая и вырабатываемая мощность, и, конечно, её стоимость. Если задаться одинаковыми значениями момента для всех типов машин и сравнить, то получится, что асинхронная машина имеет как минимум в два раза большие габариты и массу. Синхронная с постоянными магнитами значительно дороже из-за применения в ней дорогостоящих магнитов на основе материала Nd - Fe - Br (неодим – железо - бор), хотя она и обладает лучшими энергетическими показателями. А СГУ на базе ВИРД отличают простота, технологичность, надежность, и в сочетании с интенсивным развитием в последнее время силовой и информационной электроники делают её наиболее предпочтительной по мнению ряда известных электротехнических фирм. Однако, следует отметить, что пока не ясно, какой тип электрической машины будет доминировать в конструкции СГУ. Можно лишь высказать предположение, что оно будет зависеть от области применения и необходимости выполнении определенных приоритетных функций.

Список использованных источников:

1. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. «Вентильно-индукторные двигатели.- М.: МЭИ, 2003. 68 с.

2. Буренков К.Э., Купеев Ю.А., Агафонов А.Н. и др., Интегрированный стартер-генератор – основа перспективных конструкций автомобиля//Автотракторное электрооборудование. 2001, №3-4. С.23.

3. Генераторы зарубежных автомобилей. / Под ред. С.В. Акимова. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2003. –128 с

4. Шевченко А.Ф., Медведко А.С., Бухгольц Ю.Г. и др. Стартер-генераторное устройство для легковых автомобилей класса ВАЗ-2110.// Электротехника. 2003, №9. С.15-19.

5. Integrierter Starte-Generator fur das 42-V-Bordnetz//ATZ: Automobiltechn. Zeitungshrifte. 2002, №7-8. z. 668-674