Автореферат
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Специальность 05. 05. 03 - «Колесные и гусеничные машины»
Разработка системы управления комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей легкового автомобиля
Копотев Дмитрий Алексеевич
Ижевск - 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Филькин Николай Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Бендерский Борис Яковлевич
кандидат технических наук Громовой Сергей Владимирович
Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский государственный технический университет «МАМИ»
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Ю.В. Турыгин
1. Общая характеристика работы
комбинированный энергосиловой установка
Актуальность работы. Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшение выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является разработка и применение в конструкциях транспортных машин комбинированных энергосиловых установок (КЭСУ), которые часто называют гибридными энергосиловыми установками. КЭСУ представляют собой комбинацию двух типов двигателей, обычно ДВС и электродвигателя (ЭД), необходимые режимы работы которых, обеспечиваются системой управления. Система управления является одной из основных частей КЭСУ, от функционирования которой, во многом зависит эффективность работы КЭСУ.
Трудоемкость создания КЭСУ значительно зависит от работ, связанных с системой управления. Эти работы направлены на поиск наиболее рациональных принципов, способов, алгоритмов, схем управления КЭСУ и т.д., позволяющих уменьшить расход топлива, улучшить экологическую безопасность и тягово-скоростные свойства автомобиля с КЭСУ.
Практически все автомобильные фирмы мира, в настоящее время проводят исследования, направленные на создание КЭСУ. С течением времени объем исследований по данному направлению возрастает, что еще раз подтверждает эффективность, значимость и перспективность выполняемой научной работы.
Цель работы. Разработка алгоритма и системы управления работой комбинированной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей легкового автомобиля с приводом на задние колеса.
Задачи исследования. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования:
1. Критический анализ конструктивных схем и систем управления КЭСУ.
2. Разработка принципов и алгоритма управления работой автомобиля с КЭСУ.
3. Расчетные исследования по выбору и обоснованию алгоритма управления КЭСУ.
4. Разработка методики расчета параметров и характеристик тягово-скоростных свойств и топливной экономичности для обоснования системы управления КЭСУ.
5. Разработка системы управления работой автомобиля с КЭСУ.
6. Проведение экспериментальных исследований и лабораторно-дорожных испытаний системы управления КЭСУ в составе автомобиля.
7. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию системы управления КЭСУ.
Методы исследования. Решения поставленных задач базируются на методах теории автомобиля, теории автоматического управления, основных положениях электроники и электротехники, методах синтеза и оптимизации конструкций транспортных машин, методах инженерного эксперимента и математического анализа.
Достоверность и обоснованность. Достоверность принятых в диссертационной работе решений подтверждается согласованностью теоретических и расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований, полученных в лабораторных и дорожных условиях.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработан алгоритм управления КЭСУ параллельной компоновочной схемы, который отличается от существующих использованием зависимости нагрузки теплового двигателя от равномерной скорости движения автомобиля;
- разработана методика обоснования численных значений параметров системы управления, базирующаяся на показателях эксплуатационных свойств автомобиля;
- впервые в России разработана система управления КЭСУ параллельной компоновочной схемы маломощного теплового двигателя и электрического двигателя постоянного тока;
- разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию и совершенствованию системы управления.
Практическая ценность. Внедрение в практику проектирования созданных теоретических основ расчета и обоснования алгоритма управления КЭСУ позволяет, во-первых, существенно улучшить эксплуатационные свойства автомобиля, оборудованного КЭСУ параллельной компоновочной схемы, во-вторых, существенно уменьшить сроки, затраты и объем доводочных испытаний.
Реализация результатов. Разработанные алгоритм и система управления КЭСУ были использованы при разработке опытных образцов гибридных автомобилей в Ижевском государственном техническом университете. Результаты диссертационной работы используются в учебных программах по дисциплинам «Особенности тяговой динамики и топливной экономичности автомобилей с гибридными силовыми установками (ГСУ)», «Конструирование и расчет КЭСУ автомобиля». Результаты работы были использованы при выполнении аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)", номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.006 06492. При выполнении аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901933. При выполнении мероприятия №1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» / Государственный контракт № П1449 от 03 сентября 2009 года.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и перспективы автомобилестроения в России" ОАО "Ижевский автомобильный завод" (г. Ижевск, 2007 г.); на 4-ой Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса" УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2008 г.); на Международной научно-технической конференции "Проблемы транспортных и технологических комплексов" НГТУ (г. Н. Новгород, 2008 г.); на Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения" ПГТУ (г. Пермь, 2009 г.); на Международной научно-технической и образовательной конференции "Образование и наука производству" ГОУ ВПО "Камская государственная инженерно-экономическая академия" (г. Набережные Челны 2010 г.); на 8-ой Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса" УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них: 10 статей в различных изданиях, 3 статьи в изданиях входящих в перечень ВАК РФ, 6 научно-исследовательских отчета, монография. Автор диссертации принимал участие в VIII выставке-сессии инновационных проектов республиканского молодежного форума (диплом I степени за инновационный проект «Комбинированная энергосиловая установка для легкового автомобиля»), участвовал в VIII Международной специализированной выставке "Нефть. Газ. Химия-2009" и "Машиностроение. Металлургия. Металлообработка-2009" (диплом за инновационный проект «Комбинированная энергосиловая установка для легкового автомобиля»), участвовал в X выставке-сессии инновационных проектов II республиканского молодежного инновационного форума (диплом I степени за инновационный проект «Создание комбинированной энергосиловой установки для городского легкового автомобиля»).
Структура и объем диссертации: Работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 119 наименований.
2. Содержание работы
Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель и задачи диссертационной работы. Приводятся сведения о новизне, практической значимости работы и апробации полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ воздействия автотранспортного комплекса России на окружающую среду. Рассмотрены вопросы нормирования выбросов вредных веществ автотранспортных средств в окружающую среду. Рассмотрены основные направления снижения количества выбросов вредных веществ и улучшения показателей топливной экономичности. Перспективным направлением, в настоящее время, является создание конструкций автомобилей, силовые установки которых работают на потреблении электрической энергии и углеводородного топлива - комбинированные (гибридные) энергосиловые установки.
Проведен обзор и анализ автомобилей с КЭСУ созданных в мире, который показал, что практически все ведущие автомобильные фирмы мира в настоящее время разрабатывают, создают и реализовывают в различных объемах транспортные средства с комбинированными (гибридными) энергосиловыми установками. Над созданием автомобилей с КЭСУ работает множество ученых. Данному направлению посвящены работы С.В. Бахмутова, Р.М. Галиева, К.Е. Карпухина, А.С. Кондрашкина, Г.О. Котиева, В.В. Селифонова, В.А. Умняшкина, Н.М. Филькина, А.А. Эйдинова и др.
Снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение топливной экономичности автомобиля с КЭСУ достигается за счет: применения ДВС меньшей мощности, чем в обычном автомобиле; работы ДВС в оптимальном режиме, это максимум КПД, минимум вреда экологии, работа на режимах минимального удельного расхода топлива (задача системы управления); уменьшения времени работы ДВС, его отключения на определенных режимах движения (задача системы управления).
Автомобильные фирмы, при разработке и создании транспортных средств с КЭСУ, особое внимание уделяют разработке систем управления для КЭСУ. Система управления является важным составляющим элементом КЭСУ транспортного средства.
Основным критерием выбора темы работы была практическая потребность автомобильных заводов в разрабатываемом научном направлении, позволяющим существенно повысить топливную экономичность, уменьшить выбросы токсичных веществ в окружающую среду, улучшить тягово-скоростные свойства выпускаемых легковых автомобилей. Интерес к подобным автомобилям проявляется со стороны гражданского населения, коммерческих и государственных организации, а также со стороны заказчиков оборонной техники.
Во второй главе рассмотрена структура и конструктивные схемы комбинированной (гибридной) энергосиловой установки и выбраны основные элементы КЭСУ. Основные составляющие КЭСУ следующие: двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, специальная гибридная трансмиссия, аккумуляторная батарея; силовая электроника или пускорегулирующая аппаратура и т.д. Силовая электроника или пускорегулирующая аппаратура используется для согласования работы ДВС и ЭД в различных режимах работы автомобиля с КЭСУ. Сюда входят различные контроллеры, микропроцессорные блоки управления, различные датчики, инверторы, конверторы, различные реле и т.д.
Проведен анализ основных компоновочных схем последовательной, параллельной и смешанной, который показал, что наиболее распространенными конструкциями являются параллельное и смешанное соединение.
На основании проведенных исследовании по выбору схемы энергосиловой установки, с учетом имеющихся возможностей, наиболее предпочтительной является гибридная энергосиловая установка, работающая по параллельной конструктивной схеме, которая может быть выполнена из разработанных и уже имеющихся в производстве крупных комплектующих. В данной схеме вращающий момент от ДВС и ЭД в зависимости от режимов и условий движения может передаваться к ведущим колесам как суммарно, так и раздельно. Вращающие моменты от ДВС и ЭД могут передаваться от одного двигателя к другому, это позволит ЭД работать в режиме генератора, заряжая источник электрической энергии, реализовать процесс рекуперации энергии и использовать электродвигатель в качестве стартера. Согласование работы ДВС и ЭД гибридной энергосиловой установки при передаче вращающих моментов к ведущим колесам и друг другу по заданной программе и моделирование реальных условий движения транспортного средства осуществляется при помощи системы управления. В качестве теплового двигателя и электродвигателя было решено использовать ДВС ВАЗ-1111 и электродвигатель постоянного тока ПТ-125-12.
В третьей главе предложены требования и принципы алгоритма управления работой КЭСУ, предложены системы управления электродвигателями постоянного тока, разработан алгоритм управления работой автомобиля с КЭСУ, разработана система управления легкового автомобиля с КЭСУ. Произведен расчет параметров и характеристик тягово-скоростных свойств и топливной экономичности для обоснования системы управления КЭСУ.
Основные требования, предъявляемые к алгоритму управления: улучшение тягово-скоростных свойств автомобиля с КЭСУ, уменьшение выбросов отработавших газов автомобиля с КЭСУ, повышение топливной экономичности автомобиля с КЭСУ, баланс электроэнергии.