Работы МГТУ «МАМИ» в области автомобилей с гибридными силовыми установками

^бодаУ*

Работы МГТУ «МАМИ» в области автомобилей с гибридными силовыми установками

С.В. Бахмутов, профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н., В.В. Селифонов, профессор МГТУ «МАМИ», к.т.н А.И. Филонов, ассистент МГТУ «МАМИ», И.А. Куликов, аспирант МГТУ «МАМИ», Я.В. Благушко, аспирант МГТУ «МАМИ», О.В. Маликов, аспирант МГТУ «МАМИ»

Ключевые слова: автомобиль, гибридная силовая установка, городской транспорт, двигатель внутреннего сгорания, тяговый электродвигатель, токсичность, топливная экономичность.

Scientific activity of MSTU «MAMI» in the field of hybrid electric vehicles

S.V. Bakhmutov, V.V. Selifonov, A.I. Filonov, I.A. Kulikov, Y.V. Blagushko, O.V. Malikov

Keywords: automobile, hybrid powertrain, city transport, internal combustion engine, electric motor, toxicity, fuel efficiency.

С.В. Бахмутов, профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н.:

В статье дано описание конструкции экспериментального автомобиля-лаборатории, созданного коллективом Научно-образовательного центра «Автомобили с гибридными силовыми установками» МГТУ «МАМИ», а также лаборатории по испытаниям и доводке гибридных силовых установок.

The paper gives a background of construction for the experimental hybrid electric vehicle-laboratory, developed by the team of the Scientific and educational centre "Automobiles with hybrid powertrains", as well as a laboratory for testing and refinement of hybrid powertrains.

Автомобили, оборудованные двигателями внутреннего сгорания (ДВС), расходуют огромное количество моторного топлива и выбрасывают в окружающую среду вредные вещества вместе с выхлопными газами. Эта проблема особенно остро стоит в крупных городах и вблизи автомагистралей. Применение гибридной силовой установки (ГСУ) обеспечивает существенную экономию топлива с одновременным значительным сокращением выбросов вредных веществ с отработавшими газами автомобиля. Наряду с этим применение ГСУ позволяет

использовать режим движения на электротяге в тех районах больших городов, где в будущем может быть запрещено движение с включенным ДВС. Проведенные расчеты также показывают, что использование ГСУ на городском транспорте позволяет существенно сократить экологическое загрязнение мегаполисов наименее затратным путем.

На сегодняшний день в Российской Федерации существует определенное отставание от стран Евросоюза в принятии экологических норм для транспортных средств (табл. 1).

Транспортные средства с ГСУ обеспечивают выполнение норм Евро-5 уже сегодня.

Коллективом Научно-образовательного центра «Автомобили

Таблица 1

Страны Год принятия норм

Евро-2 Евро-3 Евро-4 Евро-5

Страны Евросоюза 1997 2000 2005 2008

Россия 2006 2008 2010 2014

«щ

145-летие МГТУ «МАМИ»

с гибридными силовыми установками» МГТУ «МАМИ» (НОЦ «Автомобили с ГСУ») на протяжении многих лет ведутся работы по созданию автомобилей с ГСУ. За это время накоплен большой опыт по теоретическому исследованию ГСУ, а также стендовым и дорожным испытаниям гибридных автомобилей. Поиск рационального решения экологических проблем крупных городов ведется с учетом возможности создания всей компонентной базы, в том числе и агрегатоносителя, силами отечественной промышленности.

Несколько лет назад в НОЦ МГТУ «МАМИ» была развернута работа по созданию автомобиля с гибридной силовой установкой, который можно выпускать на базе серийного транспортного средства, пригодного для использования в городских условиях в качестве развозного. В результате был создан экспериментальный автомобиль-лаборатория с гибридной силовой установкой.

Разработчики остановились на параллельной схеме ГСУ (двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель связаны с ведущими колесами автомобиля), поскольку, во-первых, отечественная промышленность выпускает все необходимые для ее реализации компоненты и узлы; во-вторых, она обеспечивает автомобилю топливную экономичность, практически не отличающуюся от той, которую может дать смешанная схема, используемая, например, в автомобиле Toyota Prius; в-третьих, она проще последней по исполнению.

Общий вид схемы ГСУ представлен на рис. 1.

Данная компоновочная схема реализуется с минимальными затратами на изготовление гибридного автомобиля на базе серийно выпускаемого.

Рис. 1. Схема гибридной силовой установки: 1 - ДВС, 2 - сцепление, 3 - коробка передач, 4 - приемно-распределительное устройство (ПРУ), 5 - ТЭД, 6 - преобразователь электрической энергии, 7 - накопитель электрической энергии, 8 - топливный бак

В качестве объекта выбран многоцелевой автомобиль УАЗ-3153, в трансмиссии которого были проведены конструктивные изменения. Раздаточная коробка стала выполнять функции приемно-распределительно-го устройства (ПРУ), в котором предусмотрен отбор мощности на тяговый электродвигатель с нижнего вала. Нижний вал стал составным, при этом была предусмотрена муфта включения привода тягового электродвигателя (ТЭД). Это позволило

реализовать на автомобиле различные схемы привода от разных источников энергии.

Компоновочная схема ГСУ на опытном образце автомобиля при использовании ПРУ обеспечила возможность применения различных энергетических установок (ДВС, ТЭД или их комбинация) и приводов (полный блокированный, полный от разных источников энергии, индивидуальный - от разных источников энергии на каждый из мостов). При этом

НИ ЙЯЯВВР Л Ф eü# J^tefet Щ фЩ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.

использование промежуточных агрегатов при передаче мощности не требуется, что повышает общий КПД трансмиссии автомобиля. Возможность движения с полным приводом обеспечивается и при выключенном ДВС, то есть при минимальных

тепловых и звуковых излучениях. Все перечисленные изменения упрощают конструкцию, снижают массу автомобиля и затраты на его производство.

В качестве тягового электродвигателя выбрана асинхронная обратимая электрическая

машина АМ-60 номинальной мощностью 30 кВт.

При выборе мощности электродвигателя учитывалась необходимость движения на электротяге с малой скоростью в городском цикле движения. Трогание и разгон автомобиля до скорости 35 км/ч осуществляются в режиме электромобиля. При избытке мощности ДВС в сравнении с необходимой мощностью для прохождения городского цикла ТЭД работает в режиме генератора, запасая избыточную энергию в накопителе, в качестве которого используется блок подходящих по мощности и энергоемкости тяговых аккумуляторных батарей Optima D-1000. Суммарная энергоемкость накопителя электрической энергии должна обеспечить движение автомобиля с ГСУ в режиме электромобиля со скоростью 10...20 км/ч на расстояние не менее 10 км. Для организации работы обратимой электромашины совместно с накопителем энергии в системе ГСУ устанавливается инвертор (рис. 2, 3).

В состав автомобиля с ГСУ входят элементы не только серийного автомобиля (ДВС, коробка передач, приводы переднего и заднего мостов), но и новые устройства: обратимая электрическая машина с приводом, система управления тяговым электрооборудованием и накопитель энергии. Кроме того, раздаточная коробка стала выполнять функции приемно-распределительного устройства: с одной стороны к ней подводится крутящий момент от ДВС, а с другой - от обратимой электрической машины, работающей в режимах тягового электродвигателя и генератора (при торможении автомобиля).

Система тягового электрооборудования выполнена на основе выпускаемых в настоящее время

т

145-летие МГТУ «МАМИ»

Таблица 2

Модель автомобиля УАЗ-3153 (стандарт) УАЗ-3153 с ГСУ

Колесная формула 4x4 4x4, 4x2

Полная масса, кг 2600 2600

Двигатель УМЗ-4218.10 УМЗ-4218.10

Максимальные крутящий момент, Н^м мощность, кВт

Электродвигатель - Обратимая асинхронная электромашина с короткозамкнутым ротором

Максимальные крутящий момент, Н^м мощность, кВт частота вращения, мин-1 напряжение, В - 280 35 2600 120

Электрический накопитель - Аккумуляторные батареи «Optima D-1000»

Число элементов - 10

Гибридная силовая установка - УМЗ-4218.10 + обратимый асинхронный электродвигатель с комплектом аккумуляторных батарей

Максимальные крутящий момент, Н^м мощность, кВт

Максимальная скорость, км/ч 117 125

Время разгона до скорости 80 км/ч, с 18 14

отечественной промышленностью компонентов с учетом практического опыта НПП «КВАНТ». В ее состав входят блоки преобразования энергии и управления (БПУ), силовой коммутации, управления режимами электромашины, накопителей энергии

(БНЭ), а также пульт управления, асинхронный электродвигатель, распределительная панель.

Размещение на автомобиле блока преобразования энергии и управления и блока аккумуляторных батарей представлено на рис. 4.

Технические характеристики автомобиля с ГСУ представлены в табл. 2.

Для обеспечения автоматической работы сцепления автомобиль оснащен электровакуумным приводом сцепления (ЭПС).

Особое внимание было уделено обеспечению работоспособности вспомогательных систем автомобиля с ГСУ при движении в электрорежиме - вакуумного усилителя тормозов (в данном случае используется разряжение из ресивера ЭПС) и привода гидроусилителя руля (ГУР) при неработающем ДВС. Для привода насоса ГУР при движении автомобиля в электрорежиме используется автономный дополнительный электромотор небольшой мощности. При включении ДВС насос ГУР будет приводиться от ДВС.

В случае эксплуатации автомобиля с ГСУ при пониженных температурах окружающей среды предусмотрена установка автономного обогревателя типа МеЬаБ^ для поддержания требуемого теплового режима как салона автомобиля, так и при необходимости ДВС.

При управлении автомобилем с ГСУ необходимо автоматическое поддержание режима работы ДВС, при котором двигатель работает по характеристике минимальных удельных расходов. Для

этого предусмотрено управление системой питания двигателя от бортового компьютера без механической связи между педалью управления автомобилем и дроссельной заслонкой ДВС.

Экспериментальный образец автомобиля с ГСУ был испытан на автополигоне НАМИ по городскому ездовому циклу ЕЭК ООН (рис. 5).

При этом расход топлива штатной силовой установкой (бензиновый ДВС) составил 20,5, а гибридной 10,2 л/100 км.

Отдельно стоит отметить, что выбросы углекислого газа у автомобиля с ГСУ относительно стандартного сократились на 45 %, а таких вредных веществ, как СО и СН, в три раза. Результаты испытаний лишний раз подтвердили предположение о возможной существенной экономии топлива и резком сокращении вредных выбросов автомобилей с ГСУ при работе их в режиме городского цикла крупных городов.

Данных результатов невозможно достичь без организации масштабных научно-исследовательских

работ, выполняемых на высоком современном уровне.

Сотрудники НОЦ проводят расчетно-теоретические исследования по выбору мощности ДВС и параметров компонентов ГСУ, исследуют топливно-эконо-мические и экологические свойства создаваемых транспортных средств, алгоритмы управления ГСУ, возможности применения перспективных накопителей электрической энергии различных типов, ведут большую работу по регистрации результатов интеллектуальной деятельности.

Коллективом НОЦ создан научно-исследовательский стенд для испытания гибридной силовой установки последовательно-параллельной схемы, включающей дизель ЗМЗ-5143.10, две обратимые электромашины 4АПА 2Э160М и генератор в качестве нагружающего устройства. Стенд позволяет снимать статические и динамические характеристики установленных агрегатов, определять тягово-скоростные, топливно-экономи-ческие и экологические характеристики грузовых автомобилей с ГСУ, а также отрабатывать алгоритмы управления ГСУ. На базе данного стенда в МГТУ «МАМИ» создана лаборатория, в которой проводят комплексные испытания и доводку гибридных силовых установок и их компонентов (рис. 6).

В данный момент коллектив Научно-образовательного центра «Автомобили с ГСУ» МГТУ «МАМИ» работает над созданием перспективных городских грузовых и пасса жирских автомоби -лей с ГСУ и готов сотрудничать с автостроительными и научными предприятиями в области создания и исследования автомобилей с гибридными силовыми установками.