Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Ютт Михаил Владимирович
Повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности городского микроавтобуса с комбинированной энергоустановкой и буферным источником мощности
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и
системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре Электротехника и электрооборудование.
Научный руководитель | Доктор технических наук, доцент Сидоров Борис Николаевич профессор кафедры Электротехника и электрооборудование МАДИ, г.Москва |
Официальные оппоненты | Доктор технических наук, профессор Эйдинов Анатолий Алексеевич зам. генерального директора по научной |
Кандидат технических наук, доцент Малеев Руслан Алексеевич профессор кафедры Автотракторное электроноборудование МГТУ МАМИ, г.Москва | |
Ведущая организация | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильннной электроники и электрооборудования" |
Защита состоится л 11 апреля 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05. при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу:
125319, ГСП А-47, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд.42
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.
Текст автореферата размещен на сайте Московского автомобильно-дорожного государственного технического универнситета (МАДИ): www.madi.ru
Автореферат разослан л 6 марта 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес совета университета и по электронной почте uchsovet@madi.ru.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.
Общая характеристика работы
Актуальность работы.
Снижение уровня загрязнения воздушной среды - одна из важнейших проблем современных городов и промышленных центров, требующая неотложного решения. Наряду с этой задачей, другим важным аспектом является проблема ограничения мировых запасов нефти и природного газа, потребление которых возрастает с каждым годом и непосредственно связано с непрерывным ростом цен на углеводородное топливо.
В настоящее время автомобильный транспорт является главным потребителем основных нефтепродуктов, на долю которого приходится около 90% бензина и 50% дизельного топлива. Проблема усугубляется тем, что, несмотря на повышение цен на углеводородное топливо, потребность в автомобильных поездках и перевозках продолжает увеличиваться - таковы закономерности экономического и социального развития общества. Тенденции роста энергопотребления автомобильным транспортом таковы, что, по данным различных исследований, при сохранении такого темпа к концу XXI века автомобильный транспорт будет потреблять в 20 раз больше энергоресурсов, чем на сегодняшний день. Учитывая тот факт, что в настоящее время на проведение транспортной работы затрачивается до 35% всех энергозатрат общественного производства, очевидно, что это может привести к энергетической катастрофе.
Коэффициент полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в среднем составляет около 30%, а в условиях интенсивного городского движения данный показатель еще меньше. Низкий КПД и отсутствие перспектив его повышения, невозможность сбережения энергии, выделяемой транспортным средством (ТС) при торможении, делает традиционное применение двигателей внутреннего сгорания малоперспективным. Однако при всех недостатках традиционного ДВС найти ему полноценную замену до сих пор не представляется возможным. Таким образом, повышение топливной экономичности и экологической безопасности автотранспортного комплекса, основу которого составляют ТС с двигателями внутреннего сгорания, является актуальной и первоочередной задачей на сегодняшний день.
Цель и основные задачи исследования
Целью настоящей работы является повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности городского микроавтобуса.
В рамках поставленной цели настоящей диссертационной работы решаются следующие задачи:
- Разработка методики расчета и выбора основных параметров комбинированной энергетической установки (КЭУ) городского микроавтобуса, позволяющая определить энергетические параметры КЭУ для различных условий движения.
- Разработка универсальной математической модели для тягово-энергетического расчета автомобиля с КЭУ при его движении в условном цикле, имитирующем разгон, движение с постоянной скоростью, торможение и стоянку.
- Разработка оптимизированного алгоритма функционирования агрегатов КЭУ, направленного на повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ и буферным источником мощности (БИМ).
- Проведение экспериментальных исследований отдельных энергетических узлов КЭУ и микроавтобуса в целом с помощью мобильного измерительно-вычислительного комплекса лτ-LAB® (МИВК) для автоматизированных пуско-наладочных и тягово-энергетических испытаний.
- Оценка топливных показателей городского микроавтобуса с КЭУ и величины предотвращенного экологического ущерба в случае его эксплуатации.
Методы исследований. При решении задач использованы современные математические методы, основные положения теории автомобиля, ДВС и автоматического управления. В качестве теоретической базы для проведения исследований использовались фундаментальные и прикладные труды ведущих отечественных и зарубежных ученых.
Научная новизна.
- Разработана методика расчета и выбора основных параметров комбинированной энергетической установки городского микроавтобуса, позволяющая определить энергетические параметры КЭУ для различных условий движения.
- Разработана универсальная математическая модель для тягово-энергетического расчета автомобиля с КЭУ при его движении в условном цикле, имитирующем разгон, движение с постоянной скоростью, торможение и стоянку.
- Получены зависимости, позволяющие определить характеристики компонентов КЭУ близкие к оптимальным по условию повышения топливной экономичности и экологической безопасности.
- С применением Мобильного измерительно-вычислительного комплекса лτ-LAB® (МИВК) для автоматизированных пуско-наладочных и тягово-энергетических испытаний электротранспорта проведены экспериментальные исследования характеристик микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ и дана оценка результатов расчетных исследований.
- Разработанная методика анализа результатов испытаний, полученных с помощью МИВК, позволяет корректировать характеристики компонентов КЭУ и алгоритма их работы с целью оптимизации в реальных условиях движения.
На защиту выносятся:
- Методика расчета и выбора основных параметров комбинированной энергетической установки городского микроавтобуса, позволяющая определить энергетические параметры КЭУ для различных условий движения.
- Универсальная математическая модель для тягово-энергетического расчета автомобиля с КЭУ при его движении в условном цикле, имитирующем разгон, движение с постоянной скоростью, торможение и стоянку.
- Алгоритм функционирования агрегатов КЭУ, направленный на повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ и буферным источником мощности.
- Метод экспериментальных исследований комбинированной энергоустановки микроавтобуса с помощью мобильного измерительно-вычислительного комплекса лτ-LAB® (МИВК) для автоматизированных пуско-наладочных и тягово-энергетических испытаний.
Достоверность результатов обеспечивается:
- использованием современнных математических методов;
- проведением экспериментальных исследований;
- сопоставлением и анализом результатов, полученных расчетным и опытным путем.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты работы, в том числе методика расчета и выбора основных параметров комбинированной энергетической установки городского микроавтобуса, использованы в ФГУП НИИАЭ и ОАО НПП Квант, а также в учебном процессе в МАДИ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
- 46-ом международном симпозиуме Электроника и электроноборудование транспорта. Проблемы и пути решения, г.Суздаль, июнь 2008;
- научно-методических и научно-исследовательских конференнциях МАДИ, г. Москва, 2008 - 2011 гг.
Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах, в том числе три публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 105 наименований, приложения. Содержит 178 страниц текста, в том числе рисунки, графики и таблицы.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, определены цель и основные задачи исследования, дана общая характеристика работы.
В первой главе выполнен анализ состояния работ в области повышения показателей топливной экономичности и экологической безопасности транспортных средств в России и за рубежом, освещены современные тенденции в области разработки и производства АТС с КЭУ, приведена системная классификация автотранспортных средств с КЭУ.
Большое количество различных технических решений в области разработки и производства автотранспортных средств (АТС) с КЭУ, также как и многообразный типоразмерный ряд АТС, обуславливает потребность в классификации последних по наиболее общему признаку. Учитывая данный факт, в настоящее время в мировой практике широко распространена систематизация АТС с КЭУ по объему выбросов углеводородов. С учетом данной классификации в первой главе представлен обзор существующих решений по улучшению показателей энергетической эффективности и экологической безопасности транспортных средств за счет применения в составе силовой установки АТС электрического привода в сочетании с тепловым движителем (АТС с КЭУ).
Анализ информации о существующих тенденциях в развитии данного вида транспорта, а также техническом уровне производимых АТС, является необходимым условием выбора оптимального направления исследований. Таким образом, на первом этапе работы рассмотрены и проанализированы характеристики и особенности конструкции автомобилей с КЭУ ведущих фирм-автопроизводителей, в том числе Honda, Toyota, BYD, General Motors, Ford, Volkswagen и др. Особое внимание уделено автобусам с комбинированными энергоустановками, среди которых выделены разработки, находящиеся в серийном производстве и эксплуатации (автобусы с КЭУ Orion, Thunder Volt, Aero Star Eco Hybrid, Neoplan, MAN).
Анализ существующих разработок АТС с КЭУ, современные тенденции развития автопарка за рубежом, наряду с проблемами в данной области в России, определяют цель настоящей работы - повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности городского микроавтобуса. Цель и задачи работы соответствуют концепции развития автотранспортного комплекса в Российской Федерации и подкрепляются тем фактом, что большую часть существующего автопарка для пассажирских перевозок составляют маршрутные транспортные средства малого класса.
Вторая глава диссертации посвящена расчетным исследованиям энергетических параметров микроавтобуса с КЭУ и буферным источником мощности (БИМ).
В качестве объекта исследования в настоящей работе рассматривался микроавтобус с КЭУ, конвертированный на базе автомобиля ГАЗель. Транспортное средство такого класса в последние годы повсеместно используется при перевозке пассажиров и малогабаритных грузов в крупных городах.
Определение параметров основных устройств комбинированной энергоустановки, тягового электродвигателя, источников мощности и энергии требует проведения тягового энергетического расчета на различных циклах движения. Таким образом, в настоящей главе были рассмотрены три режима движения городского микроавтобуса с КЭУ:
- равномерное движение с постоянной скоростью;
- движение по циклу НАМИ-2;
- движение по стандартизированному европейскому городскому циклу.
Расчет статических режимов движения (равномерное движение с постоянной скоростью) позволил определить величины тяговых сил Fk, моментов Mk, мощностей Pk на колесе АТС для различных постоянных скоростей и углов подъема. Что, в свою очередь, является определяющим при расчете требуемых максимальных величин силы тяги Fkмакс, момента Mkмакс и мощности Pkмакс для заданной максимальной скорости υмакс. При этом суммарное сопротивление движению, которое необходимо преодолеть автомобилю, определяется согласно выражению:
Fw= FR0 + FL + FSt,
где FR0 - сила сопротивления качению;
FSt - сила сопротивления движении на подъеме,
FL - сила аэродинамического сопротивления движению.
Составляющие суммарного сопротивления движению:
FR0 = m⋅g⋅f⋅cos(α),
FSt = m⋅g⋅sin(α),
Fw = 0,5⋅ Сw ⋅ρ⋅ A ⋅υ2,
где α - угол преодолеваемого подъема;
f - коэффициент сопротивления качению;
m - масса автомобиля;
g - ускорение свободного падения.
Сw - коэффициент аэродинамического сопротивления;
ρ - плотность воздуха;
A - лобовая площадь поперечного сечения автомобиля;
υ - скорость автомобиля.
Необходимым условием первого режима движения из трех рассматриваемых является равенство силы тяги на колесе Fк и суммарной силы сопротивления движению:
Fк= Fw
Расчет указанных выше параметров позволяет дать рекомендации по выбору мощности тягового электродвигателя-генератора (ТЭД) PТЭД в составе комбинированной энергетической установки, при этом:
PТЭД = Fк⋅υ / ηТЭД / ηЗМ ,
где Fк - суммарная сила сопротивления движению;
υ - скорость микроавтобуса;
ηТЭД - КПД тягового электродвигателя;
ηЗМ - КПД заднего моста (дифференциального редуктора).
В результате расчетных исследований было установлено, что для движения по городу со скоростью 60акм/ч на подъем 5% (2,9) достаточно ТЭД 50акВт. Этой мощности ТЭД также достаточно для преодоления максимального подъема в 20% на скорости 18акм/ч, и для движения на скоростных магистралях с максимальной разрешенной скоростью 110акм/ч по горизонтальному (подъем равен 0а%) участку дороги. Исходя из этого, оптимальным для микроавтобуса с КЭУ является выбор ТЭД с мощностью 50акВт, кроме того, данное значение определяет некоторый запас мощности при движении в городе.
Так как условия эксплуатации городского микроавтобуса характеризуются интенсивными транспортными потоками, то практическую ценность представляет выявление затрат энергии для стандартизированных ездовых циклов.
В настоящей главе представлена универсальная математическая модель для тягово-энергетического расчета автомобиля с КЭУ при его движении в условном цикле, имитирующем разгон, движение с постоянной скоростью, торможение и стоянку. В качестве базовых циклов были выбраны цикл НАМИ-2 и европейский городской цикл ЕСЕ-15.
Моделирование движения микроавтобуса с КЭУ в рассматриваемых циклах позволило определить такие ключевые параметры энергоустановки как:
- требуемый момент на ведущих колесах АТС;
- требуемая мощность энергоустановки;
- расход энергии тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) и буферного источника мощности;
- значения рекуперированной энергии в цикле.
Особенностью разработанной математической модели является возможность представления результатов моделирования в виде временных зависимостей. В качестве примера на рис.1 отражены графики изменения требуемой мощности ТАБ и БИМ микроавтобуса с КЭУ.
Рис. 1. Эпюра требуемой мощности микроавтобуса в европейском городском цикле
Одним из важных вопросов при проектировании АТС с КЭУ является определение значений энергии рекуперации при движении транспортного средства. Во второй главе диссертационной работы представлена методика расчета данного показателя. Результаты моделирования позволяют утверждать, что при движении микроавтобуса с КЭУ по циклу НАМИ-2 процентное отношение рекуперированной энергии к потребляемой ТЭД равно 28,2а% с учетом КПД ТЭД и редуктора. Аналогичный показатель в европейском городском цикле достигает 22,4%.
Полученные результаты позволили сделать важный вывод - использование режимов рекуперативного торможения позволяет экономить более 20а% электроэнергии ТАБ при движении в условиях городского цикла.
Наряду с определением энергетических показателей АТС с КЭУ на втором этапе исследований был выполнен расчет топливной экономичности объекта исследований. При этом, согласно оптимизированному алгоритму работы КЭУ, расход топлива двигатель-генераторной установки (ДВС-ГУ) микроавтобуса при движении по городскому европейскому циклу составил 13,8 л/100 км.
В третьей главе работы отражены принципы построения КЭУ и выбора компонентов энергоустановки, представлены структура и характеристики экспериментального образца ГАЗ-322132 Газель с КЭУ.
Комбинированная энергоустановка, рассматриваемого в данной работе городского микроавтобуса с КЭУ, включает в себя:
ДВС-ГУ - двигатель - генераторную установку,
БИМ - буферный источник мощности,
ТАБ - тяговую аккумуляторную батарею.
Главной особенностью ДВС-ГУ является ее оптимизированный алгонритм работы. Вал генератора соединен с коленчатым валом ДВС через эластичную или электромагнитную муфту. Эластичная муфта преднназначена для гашения крутильных колебаний. ДВС включается только в те моменты, когда имеет место необходимость в большой мощнности при движении микроавтобуса или при исчерпании энергии БИМ.
БИМ предназначен для демпфирования пиковых нагрузок и представляет собой конденсаторную батарею. При этом БИМ является основным источником мощности.
ТАБ обеспечивает требуемую автономность хода городского микроавтобуса, буферирует работу ДВС-ГУ и является основным источником энергии при движении микроавтобуса на малых скоростях.
Основой построения ДВС-ГУ был выбран ДВС ВАЗ-1113. Данный двигатель хорошо изучен в результате стендовых и эксплуатационных испытаний. В качестве генератора выбран двигатель постоянного тока смешанного возбуждения ПТ-125Л/70. Данный тип двигателя применяется на электромобилях ОАО АвтоВАЗ. Для приведения городского микроавтобуса с КЭУ в движение служит тяговый двигатель постоянного тока независимого возбуждения модели
ДПТ-45. В качестве БИМ использованы четыре последовательно соединенных модуля конденсаторных батарей 30ЭК104 общим весом 60акг. В составе ТАБ применены свинцово-кислотные тяговые аккумуляторные батареи фирмы Optima. Это батареи рулонного типа, что позволяет реализовывать большие зарядно-разрядные токи без ущерба для срока службы батареи.
Блок-схема городского микроавтобуса изображена на рис. 2 и включает:
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ТГ - тяговый генератор;
ШЧР - широтно - частотный регулятор;
БИМ - буферный источник мощности;
ТАБ - тяговая аккумуляторная батарея;
ТЭД - тяговый электродвигатель;
ЗМ - задний мост с редуктором;
КПП - коробка передач
К - колесо;
БЗУ - бортовое зарядное устройство.
Рис. 2. Блок-схема городского микроавтобуса с КЭУ и БИМ
Представленные на схеме компоненты КЭУ работают по следующему алгоритму:
- Включение ДВС происходит автоматически при достижении микроавтобусом скорости 20акм/ч, при снижении напряжения на БИМ до половины от максимального или достижения минимально допустимого уровня разряда ТАБ. Сигнал на включение ДВС выдается микрокомпьютерной системой управления (МКСУ). Возможно принудительное включение ДВС при переводе управления в ручной режим. Во время стоянки (V=0) включение ДВС возможно только в ручном режиме.
- Пуск ДВС осуществляется от тягового генератора.
- Тяговый генератор выводит ДВС на заданную частоту вращения, превышающую частоту вращения пуска и холостого хода. При этом происходит плавное снятие момента с ТГ и перевод его в генераторный режим с плавным повышением нагрузки. При этом ДВС работает в зоне минимального удельного расхода топлива в квазистационарном режиме работы. Эта зона характеризуется постоянным моментом 4,5а±а0,5акгм при 2а500а±а50амин-1. Эти данные получены экспериментальным путем в процессе наладки ДВС-ГУ при оптимизации по критерию минимального удельного расход топлива. Управление осуществляется по сигналу электронной системы управления двигателем (ЭСУД) и МКСУ. Исполнительным механизмом является электрический привод дроссельной заслонки.
- Выключение ДВС осуществляется автоматически при снижении скорости микроавтобуса до 5акм/ч или при достижении предельного уровня заряда БИМ и ТАБ по сигналу МКСУ. При работе в ручном режиме выключение ДВС осуществляет водитель. В том и другом случаях критерием выключения ДВС является значение емкости ТАБ, определяемое согласно выражению:
,
где Iб - ток ТАБ, А; t - время работы ТАБ, с.
Блок-схема, поясняющая алгоритм функционирования ДВС-ГУ в составе КЭУ, представлена на рис.3
Запас хода микроавтобуса с КЭУ в основном определяется работой ДВС-ГУ и ограничен запасом топлива в топливном баке. Если применить режим подзаряда ТАБ от стационарной сети во время стоянки микроавтобуса на конечных станциях маршрута, то запас хода увеличится, а расход топлива - уменьшится. ДВС-ГУ является генерирующей энергоустановкой для транспортного средства. Она обеспечивает в качестве бортовой микро-электростанции необходимое микроавтобусу количество электроэнергии. При использовании промежуточного подзаряда ТАБ можно добиться снижения расхода топлива в два раза, по сравнению с микроавтобусом-прототипом ГАЗ-322132, т.к. ДВС работает только в случае необходимости.
Предполагается, что рассматриваемый проект городского микроавтобуса может сократить расход топлива в полтора и более раз за счет непостоянно работающего ДВС в стационарных режимах с КПД не ниже 30а%.
Рис.3. Блок-схема, поясняющая алгоритм функционирования ДВС-ГУ в составе КЭУ микроавтобуса ГАЗ-322132
Математическое моделирование энергетических характеристик микроавтобуса с КЭУ и БИМ позволило наглядно увидеть все процессы заряда и разряда БИМ и ТАБ. На рис. 4 показаны изменения запасенной энергии конденсаторов во времени для городского цикла движения микроавтобуса.
Рис. 4. График изменения запасенной энергии БИМ (4амодуля 30ЭК104) в городском европейском цикле за первый цикл движения
Предложенная логика согласованной работы комбинированной энергоустановки микроавтобуса с КЭУ и БИМ, алгоритм работы ДВС-ГУ позволяют оптимизировать энергонпотребление и минимизировать расход топлива.
В четвертой главе работы представлены результаты эксперинментальнных исследований микроавтобуса с КЭУ и БИМ, а также демонстринруется способ применения системы автоматической регистрации технических параметров АТС при натурных испытаниях.
С целью проведения испытаний на стенде и в условиях реального городского движения макетный образец микроавтобуса ГАЗель был оснащен системой автоматической регистрации энергетических параметров КЭУ. Для этого КЭУ автомобиля ГАЗель была дооборудована датчиками и записывающей аппаратурой на основе мобильного измерительно-вычислительного комплекса лτ-LAB®. Комплект состоит из набора специализированных датчиков, предназначенных для измерения напряжений, токов, скорости, ускорений. Комплекс является универсальным и может быть укомплектован датчиком расхода топлива. Программные средства МИВК позволяют в процессе лабораторных, стендовых или ходовых испытаний измерять и записывать до 32-х параметров. В соответствии с проводимыми испытаниями МИВК позволяет формировать не только базы данных результатов, но и построить графики изменения исследуемых параметров по этим базам.
На основе полученной базы данных, записанных в память во время испытаний с помощью МИВК, были построены графики тягово-энергетических показателей автомобиля с КЭУ и БИМ. Эти графики, наглядно демонстрируют количественные и качественные параметры КЭУ, позволяют оптимизировать состав и алгоритм работы тягового электрооборудования.
На рис. 5 показан график скорости движения микроавтобуса с КЭУ и БИМ при движении по реальному городскому маршруту. Из графика видно, что он существенно отличается от стандартизированных циклов движения используемых при теоретических расчетах.
Рис. 5. График скорости микроавтобуса с КЭУ в условиях реального городского маршрута
В качестве примера, отражающего практическую ценность использования МИВК при экспериментальных исследованиях, на рис.6 показан график изменения среднего расхода топлива ДВС-ГУ микроавтобуса в пересчете на 100акм.
Рис. 6. График среднего расхода топлива микроавтобусом с КЭУ в условиях реального городского маршрута (л/100км)
Следует заметить, что расход топлива на графике равен нулю в начале цикла, так как в этом случае имеет место движение на электротяге. При включении ДВС-ГУ расход топлива начинает расти. В данном микроавтобусе применен ДВС мощностью в три раза меньше мощности ДВС, устанавливаемого на базовом транспортном средстве, при этом последний работает в повторно-кратковременном квазистационарном режиме в области минимального расхода топлива, что обеспечивает высокие показатели топливной экономичности и экологической безопасности в сравнении с вариантом АТС без КЭУ. Средний расход топлива в данном случае составил 10,7 л/100км. Таким образом, совместное применение КЭУ и БИМ обеспечило экономию топлива при движении микроавтобуса по реальному городскому маршруту в размере 3,8 л/100акм или 24,5а% в сравнении с нормами Министерства транспорта России.
В пятой главе представлен метод оценки величины предотвращенного экологического ущерба в случае эксплуатации АТС с КЭУ и БИМ, дана количественная оценка экологической безопасности микроавтобуса с КЭУ на базе автомобиля ГАЗ-322132 (ГАЗ-2705) Газель.
В данной главе были рассчитаны удельные выбросы загрязняющих веществ конвертированного на базе ГАЗ-322132 (ГАЗ-2705) Газель автомобиля с комбинированной энергетической установкой и выполнено его сравнение со стандартным автомобилем ГАЗ-322132. Усовершенствование последнего путем замены штатного двигателя ЗМЗ - 406.10 комбинированной энергетической установкой позволит сократить выбросы загрязняющих веществ и повысить экологическую безопасность ГАЗ-322132. Экологическая оценка предложенной модификации автомобиля Газель и сопоставление ее с типовым образцом выполнены исходя из значений выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и величины предотвращенного экологического ущерба от загрязнения.
Предотвращенный экологический ущерб от выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ (Упр) определяется в соответствии с выражением
где Ууд,r - показатель удельного ущерба атмосферному воздуху, наносимого выбросом единицы приведенной массы загрязняющих веществ на конец отчётного периода;
- приведенная масса выбросов загрязняющих веществ, не поступивших в атмосферный воздух от k-й группы передвижного транспорта в течение отчётного периода, усл. т;
n - количество групп передвижного транспорта;
Кэ,r - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха территорий в составе экономических районов России.
Приведенная масса загрязняющих веществ, не поступивших в атмосферу от k-й группы передвижного транспорта, определялась согласно выражению:
где - фактическое снижение выброса i-го загрязняющего вещества от k-й группы передвижного транспорта в течение отчётного периода, т;
Kэ(i) - коэффициент относительной эколого-экономической опасности i-го загрязняющего вещества
i - индекс загрязняющего вещества;
N - количество учитываемых загрязняющих веществ (N=3).
Проведенные расчетные исследования показали, что в случае перехода на транспорт с комбинированной энергетикой, предотвращенный экологический ущерб от выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ за год на примере автомобиля ГАЗ 322132 Газель составит (в ценах 2012г.):
- для АТС с КЭУ, конвертированного на базе автомобиля ГАЗель
Упр= 935,6 руб.;
- для электромобиля на базе ГАЗ-322132 (ГАЗ 2705)
Упр=1269,2 руб.
Приведенные массы выбросов загрязняющих веществ традиционным автомобилем и автомобилем с КЭУ за год, при движении в цикле NEDC, представлены на рис.7.
Рис. 7. Приведенные массы выбросов загрязняющих веществ традиционным автомобилем и автомобилем с КЭУ за год при движении в цикле NEDC
Использование ГАЗ-322132 с КЭУ вместо традиционного ГАЗ-322132 или ГАЗ-2705 оправдано с точки зрения экологической безопасности - автомобиль с комбинированной энергоустановкой в 3,8 раза экологически безопаснее типового.
Применение электромобиля, по сравнению с АТС с КЭУ, экономически и экологически более выгодно (на 36%), но существующие на данный момент технические проблемы с расширением сферы использования электромобилей пока не позволяют рассматривать в полной мере эту возможность.
Применение же АТС с КЭУ, в какой-то степени, осуществимо уже на данном этапе экономического и технического развития. Так, например, положительный экологический эффект может быть достигнут при замене в г. Москве всех автомобилей семейства Газель (в частности маршрутных такси, учитывая их количество) на гибридный транспорт на базе того же автомобиля.
В заключении работы представлены основные полученные результаты и выводы.
Основные результаты и выводы по работе
1. Разработана методика расчета основных параметров комбинированной энергетической установки городского микроавтобуса, позволяющая определить параметры КЭУ для различных условий движения. Установлено, что условиям эксплуатации микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ в режиме городского и загородного движения удовлетворяет тяговый электродвигатель-генератор с номинальной мощностью 50 кВт.
2. С применением языка программирования C++ разработана математическая модель, позволяющая определить зависимость технико-экономических показателей комбинированной энергетической установки от цикла движения и наоборот.
3. Проведенные расчетные исследования с использованием разработанной математической модели позволили определить оптимизированный алгоритм функционирования агрегатов КЭУ, направленный на повышение показателей топливной экономичности и экологической безопасности объекта исследования - микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ и БИМ.
4. В ходе расчетных исследований микроавтобуса ГАЗ-322132 с КЭУ в условиях городского цикла движения получен расход топлива 13,8 л/100км, что на 25Е30 % ниже расхода топлива традиционного варианта данного транспортного средства. Последний факт свидетельствует об эффективности принятых решений по оптимизации алгоритма работы и характеристик КЭУ.
5. Моделирование движения микроавтобуса с КЭУ по европейскому городскому циклу позволило определить процентное отношение рекуперированной энергии к потребляемой ТЭД, которое составило 22,4а%. Последние данные подтверждаются результатами проведенных экспериментальных исследований, в ходе которых получено значение аналогичного параметра на уровне 21,1%.
6. С применением Мобильного измерительно-вычислинтельного комплекса лτ-LAB® (МИВК) для автоматизированных пуско-наладочных и тягово-энергетических испытаний электротранспорта проведена оценка результатов расчетных исследований, при этом расхождение с данными экспериментальных исследований не превысило 5 %.
7. Разработанная методика анализа результатов испытаний, полученных с помощью МИВК, позволяет корректировать характеристики компонентов КЭУ и алгоритма их работы с целью оптимизации в реальных условиях движения.
8. На основе анализа результатов испытаний, полученных с помощью МИВК, проведена корректировка энергетических компонентов микроавтобуса. При этом совместное применение КЭУ и БИМ обеспечило экономию топлива при движении по реальному городскому маршруту около 3,8 л/100км или 24,5а% в сравнении с нормами Министерства транспорта России.
9. Дана расчетная оценка предотвращенного экологического ущерба в случае эксплуатации предложенной модификации микроавтобуса Газель, при этом установлено, что рассматриваемый образец ГАЗ-322132 с КЭУ в 3,8 раза экологически безопаснее традиционного варианта.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК:
- Ютт М.В. Моделирование автомобиля с комбинированной энергетической установкой на базе ГАЗ-2705 / Е.И.Сурин, К.М.Сидоров, М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2007. - № 4. - С. 14 - 16.
- Ютт М.В. Применение системы автоматической регистрации параметров электромобиля при проведении эксперимента
/ М.В.Ютт, С.С.Шугуров // Электроника и электрооборудование транспорта - 2009. - №5-6. - С.11 - 13. - Ютт М.В. Состояние проблемы реализации гибридных силовых установок на автотранспорте / К.М.Сидоров, Т.В.Голубчик,
М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта - 2011. - №2-3. - С. 12 - 16.
Публикации в других изданиях:
- Ютт М.В. Аккумуляторные батареи для электромобилей и автомобилей с комбинированными энергоустановками / В.И.Марсов, Т.В.Голубчик, М.В.Ютт // Инновационные технологии на транспорте и в промышленности: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 81 - 88.
- Ютт М.В. Энергетические показатели электромобиля в европейских циклах движения / Е.И.Сурин, К.М.Сидоров, М.В.Ютт // Организационно-управляющие системы на транспорте и в промышленности: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2007. - С. 106 - 110.
- Ютт М.В. Тягово-энергетический расчет микроавтобуса с комбинированной энергоустановкой / М.В.Ютт // Вопросы теории и практики автоматизации в промышленности: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 136 - 140.
- Ютт М.В. Анализ эффективности энергоресурса электромобилей и автомобилей с комбинированной энергетической установкой / К.М.Сидоров, Т.В.Голубчик, М.В.Ютт // Электроника и электрооборудование транспорта. Проблемы и пути решения: Материалы 46-го международного симпозиума. Ц Суздаль, 2008. - С. 38 - 40.
- Ютт М.В. Испытания автомобилей с комбинированной энергетинческой установкой / К.М.Сидоров, Т.В.Голубчик, М.В.Ютт // Принцинпы построения и особенности использования мехатронных систем: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 26 - 34.
- Ютт М.В. Принципы построения комбинированной энергоустановки микроавтобуса для внутригородских перевозок / М.В.Ютт // Принцинпы построения и особенности использования мехатронных систем: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 46 - 50.
- Ютт М.В. Буферный источник мощности в комбинированной энергоустановке автомобиля / М.В.Ютт // Теория и практика электронного документооборота: Сб. науч. тр. МАДИ, №2/50. - М.: МАДИ, 2011. - С. 53 - 58.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям