Чайнoв Н.Д., Иващенкo Н.А., Краcнoкутcкий А.Н., Мягкoв Л.Л.
Аннoтация к книге
11.6. Пoршневые двигатели в cocтаве гибриднoй энергoуcтанoвки
Прoблемы загрязнения oкружающей cреды и непрекращающийcя рocт цен на нефть и прирoдный газ cтавят перед двигателе cтрoителями задачи пoиcка принципиальнo нoвых решений oбеcпечения энергией уcтанoвок, традиционно ориентирующихcя на поршневые двигатели внутреннего cгорания. Прежде вcего, cледует обратить внимание на энергоуcтановки легковых автомобилей, экcплуатируемых в крупных городах и оcобенно сильно влияющих на загрязнение окружающей среды.
Одним из решений задачи повышения экономичности и улучшения экологических показателей энергоустановок с поршневыми двигателями является создание так называемых гибридных моделей. Гибридная энергоустановка предполагает наличие двух типов двигателей: внутреннего сгорания и электрического. При этом в качестве двигателя внутреннего сгорания предпочтение отдается дизелю, в том числе газодизелю. К преимуществам гибридной установки относится также существенное (до 60 %) снижение уровня шума по сравнению с дизельным вариантом. Поршневой двигатель работает на электрогенератор, крутящий момент на колеса автомобиля передает электродвигатель,переключающийся при торможении в режим рекуперации. Накопителем энергии является аккумулятор (например, никель-металлогидридный), позволяющий проезжать с выключенным поршневым двигателем десятки километров.
Принцип объединения ДВС и электропривода колес давно используется в дизель-генераторных энергоустановках, например, тепловозов. Принципиально новым в данном случае является включение в общую схему энергетической установки накопителя. В качестве последнего, в частности, использовался набор аккумуляторных батарей. По ориентировочным оценкам, автомобиль типа "Жигули" при движении в городских условиях потребляет в среднем мощность около 15 кВт. С учетом этого и следует назначать мощность поршневого двигателя в составе гибридной установки. При постоянной работе на режиме, близком к расчетному, двигатель обеспечит повышенную топливную экономичность и высокие экологические показатели энергоустановки автомобиля.
Гибридная энергоустановка автомобиля может быть выполнена по различным схемам соединения ее тепловой и электрической составляющих. Схемы последовательного включения предусматривают соединение поршневого двигателя с генератором и приводом колес от электродвигателя, получающего электроэнергию от аккумуляторных батарей и генератора. При параллельных схемах валы поршневого двигателя и генератора связаны между собой и валом трансмиссии через редуктор; при этом не обеспечивается постоянная работа поршневого двигателя на расчетном режиме, и снижение расхода топлива определяется лишь уменьшением рабочего объема цилиндров поршневого двигателя. В более совершенных схемах соединения, получивших название СПЛИТ, выходные валы поршневого двигателя и электрических машин связаны с помощью несимметричного планетарного дифференциала, что позволяет обеспечить поршневому двигателю работу на режиме, близком к расчетному, и существенно сократить потери при перераспределении мощности между элементами гибридной энергоустановки и колесами автомобиля. На рис. 11.15 показан вариант схемы гибридной силовой установки автомобиля с приводом на задние колеса.
Концепция гибридного двигателя открывает широкие возможности совершенствования транспортных энергоустановок с поршневыми двигателями. На рис. 11.15 показан общий вид гибридной установки легкового автомобиля. Фирма Toyota добилась значительных успехов в создании гибридных автомобилей. Ее гибридный автомобиль Prius II с четырехцилиндровым двигателем жидкостного охлаждения с принудительным воспламенением и рабочим объемом 1,5 л был признан в 2005 году автомобилем года.
Рис. 11.15. Схема гибридной силовой установки автомобиля:
1 — ДВС; 2 — дифференциальный механизм; 3 — ведущие колеса; 4 — тяговый двигатель; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — блок управления; 7 — генератор
При частоте вращения η = = 5000 мин-1 мощность двигателя составляет 57 кВт. Помимо поршневого двигателя, гибридная энергоустановка включает тяговый электродвигатель переменного тока мощностью 50 кВт и аккумуляторную батарею, общая масса которой была доведена до 45 кг. Привод колес обеспечивается в различных вариантах: от поршневого двигателя или от обоих двигателей. По данным фирмы, расход топлива составляет примерно 4,3 л на 100 км пробега при значительном сокращении выбросов вредных веществ по сравнению с условным поршневым двигателем автомобиля такого же класса.
По мнению ведущих специалистов, гибридные энергоустановки могут занять прочные позиции в автомобилестроении в ближайшие десятилетия. Особое значение они имеют для городского транспорта и, прежде всего, автобусов.
Гибридная схема ухудшает массо-габаритные характеристики энергоустановки. В данном случае многое зависит от снижения размеров и массы используемых аккумуляторных батарей. В частности, масса разработанных для гибридных установок литиево-ионных батарей почти в два раза меньше массы традиционных.
Конструкция двигателя тесно связана с видом используемого топлива. На протяжении более ста лет поршневые двигатели всех типов и назначений потребляют в качестве товарных топлив бензины, дизельные топлива, а в отдельных случаях сжатые и сжиженные газы.
Уже давно привлекает к себе внимание сжатый природный газ, для использования которого сравнительно легко адаптировать двигатель с принудительным воспламенением, спроектированный для работы на бензине. В первую очередь речь идет об автомобилях, которые в этом случае оснащаются газобаллонной аппаратурой. Емкости, содержащие газообразное топливо, могут занимать значительное пространство, что является неизбежной платой за отказ от традиционного жидкого топлива.
Учитывая ограниченность запасов нефти, постоянное внимание уделяется альтернативным видам моторных топлив. Желательно, чтобы альтернативное топливо было возобновляемым продуктом, производство которого не наносило бы заметного ущерба окружающей среде. В этом плане следует указать на биотоплива, которые можно получать из различных видов биомассы. Есть указания, что добавка около 20 % биоэтанола к бензину может существенно улучшить экологические показатели автомобильного двигателя и без применения дорогих систем нейтрализации отработавших газов.
По мере истощения запасов нефти и газа представляет значительный интерес биодизельное топливо, имеющее более высокое цетановое число, низкое содержание серы, меньшие выбросы СО, СН и твердых частиц. Его применение снижает также выбросы парниковых газов, так как СО2, образующийся при сгорании биотоплива, поглощается из атмосферы в период роста биомассы. Примером может служить использование для биодизельного топлива масляничных растений, в частности, рапса. Кроме самостоятельного применения в качестве топлива, рапсовое масло (РМ) может перерабатываться в метиловый эфир (МЭРМ), используемый, в свою очередь, как самостоятельное биотопливо или вместе с дизельным топливом.
В индустриально развитых странах уже давно обсуждается перспектива использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания водорода. В 2006 г. впервые были собраны автомобили BMW Hydrogen 7 с работой на водороде, которые в 2007 г. поступили в эксплуатацию.
Водород в качестве моторного топлива имеет ряд достоинств, включая более широкий возможный диапазон соотношения топлива - воздух при работе двигателя, более полное сгорание и улучшение экологических показателей двигателей. В связи с отсутствием развитой системы заправок водородом двигатель автомобиля BMW Hydrogen 7 может работать и на бензине с возможностью переключения одного вида топлива на другое.
Наряду с преимуществами использование водорода в качестве топлива связано с рядом проблем: хранением водорода на борту транспортного средства, влиянием водорода на прочностные характеристики материалов; относительно низкой литровой мощностью двигателя, работающего на водороде, и др. Важным моментом является получение водорода в необходимых количествах. Это можно осуществлять разложением воды путем электролиза. Метод требует значительных затрат электроэнергии. Перспективным считают также получение водорода из биомассы. По прогнозам специалистов, в ближайшие десятилетия до 20 % автомобильных двигателей смогут работать на водороде.
Выше в качестве примеров различных типов двигателей были рассмотрены, главным образом, отечественные конструкции. В настоящее время отмечается чрезвычайно быстрое развитие поршневого двигателестроения (в первую очередь, транспортного назначения).
Приведенные характеристики отдельных двигателей являются далеко не рекордными. В частности, многочисленные модели автомобильных зарубежных двигателей имеют более высокие значения литровой мощности, меньшую удельную массу по сравнению с приведенными в данной главе двигателями. Это следует учитывать при оценке технического уровня различных типов двигателей, постоянно обращаясь к новейшей информации, содержащейся в периодической печати и Интернете.
