Проектирование грузового автомобиля повышенной проходимости с гибридным (дизель-электрическим) приводом



В статье представлен технический облик грузового автомобиля повышенной проходимости с гибридной силовой установкой. Цель работы — улучшить топливно-экономические показатели автомобиля до 40 %. Работа включает себя необходимые расчетные формулы, математическую модель.

Ключевые слова: грузовой автомобиль, гибридная силовая установка, последовательный гибридный привод, электрооборудование.

Автомобили на сегодняшний день являются основным видом транспорта. Темпы автомобилизации: ежегодно выпускаются в мире 75–79 млн. автомобилей, прирост мирового парка автомобилей составляет 15–18 млн. ед. в год. В настоящее время мировой парк автомобилей составляет более 1,4 млрд. ед. (по данным «WardsAuto») из них 25 % грузовые («коммерческий» автотранспорт) [1], [2].

Основной недостаток автотранспорта — нанесение огромного ущерба окружающей среде. Общемировая тенденция такова, что автопроизводители стремятся перейти на электро- и гибридный автотранспорт, создавая образцы автомобилей, отвечающие экологическим требованиям.

Актуальность гибридизации транспортных средств обусловлено тем, что электромобили пока не могут в полной мере конкурировать с автомобилями на двигателях внутреннего сгорания (ДВС) из-за высокой стоимости и большого удельного веса химических источников автономного электроснабжения. Поэтому на передний план выходят гибридные автомобили, которые не менее экологичны и экономичны [3, с. 47].

Актуальность темы заключается в том, что применение гибридных грузовых автомобилей позволяет экономить топливо и снижать выбросы углекислого газа, улучшая экологию.

Целью работы является улучшение топливно-экономических и экологических показателей автомобиля, а также создание условий для работы двигателя внутреннего сгорания в наиболее экономичных режимах, путем установки гибридного привода на самосвал при полной массе 26 500 кг.

Гибридный автомобиль — это автотранспортное средство, которое оснащается гибридным силовым агрегатом, который включает несколько типов двигателей, объединенных в комплексную единую систему по преобразованию различных источников энергии в полезную работу. Автомобили-гибриды оснащаются, главным образом, двумя типами работающих в паре (или по отдельности) силовых агрегатов: электродвигателем и поршневым двигателем внутреннего сгорания [4, c. 170].

В настоящее время на гибридных автомобилях встречается несколько вариантов реализации взаимодействия ДВС и электродвигателя: последовательное (движение реализуется на счет электромотора), параллельное (движение реализуется за счет ДВС и электромотора, и совместно) и последовательно-параллельное (движение реализуется за счет ДВС и электромотора, с возможностью отключения одной из силовой установки).

Анализируя существующие схемы, применительно к разрабатываемому грузовому автомобилю, можно выделить основные достоинства и недостатки каждой компетенции (табл. 1).

Таблица 1

Особенности концепций гибридного привода по приоритетности

	Последовательный	Параллельный	Комбинированный
Экологичность	++	+	++
Стоимость	- -	+	-
Простота конструкции	+++	-	- — -
Расход топлива	++	+	++
Грузоподъемность	- -	+	+
Пробег на электротяге	+++	+	+

В ходе выполнения работы рассмотрены гибридные коммерческие автомобили ведущих автопроизводителей, с целью изучить и проанализировать их назначение, а также тип гибридной схемы (привода).

По результатам анализа, все три типа гибридных схем (приводов) широко распространены среди производителей гибридных коммерческих автомобилей. Это объясняется, главным образом — специализацией автомобиля.

Основываясь на результатах обзора конструкций гибридных автомобилей и теоретических материалах исследований гибридизации автомобильного транспорта, к расчетам и дальнейшему проектированию принята последовательная схема.

Последовательная схема — самая простая гибридная конфигурация. Двигатель внутреннего сгорания используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электромотор, который и вращает ведущие колеса (рис. 1) [4, c. 173].

Последовательный гибрид позволяет использовать ДВС малой мощности, причем он постоянно работает в диапазоне максимального КПД, или же его можно совсем отключить.

Рис. 1. Последовательная гибридная схема

Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, по такому принципу работают: различная коммунальная техника (снегоуборочная, клининговая, мусоровозы крупногабаритных коммунальных отходов), а также карьерные самосвалы, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.

На рисунке 2 представлена модель гибридного трехосного автомобиля с полной массой 26 500 кг. Математическая модель на данном этапе включает в себя следующие основные компоненты:

— двигатель внутреннего сгорания, запрограммированный на работу при частоте вращения 2300 об/мин, по внешней скоростной характеристике при снижении заряда тяговой батареи до 40 %, а также при движении со скоростью выше 20 км/ч — поз. 1;

— генератор мощностью 110 кВт, поз. 2;

— накопитель энергии (тяговые аккумуляторные батареи), 576 элементов с параллельными цепями от 1 до 4, емкость одного элемента 72А*ч, номинальное напряжение 3,2 В, внутреннее сопротивление элемента 4,5 мОм, масса 1 элемента 1,8 кг, общее напряжение батареи до 614 В, поз. 3;

— тяговый электродвигатель (электромотор) мощностью 360 кВт, поз. 4;

— инвертор тяговый, обеспечивающий питание низковольтной цепи (24 В), поз. 5;

— потребители низковольтной батареи (на данном этапе моделируются в виде одного потребителя мощностью 2,3 кВт, считаются включенными постоянно на всех этапах работы автомобиля), поз. 6;

— привод технологического оборудования в виде потребителя мощностью ≈ 40 кВт, питаемый от высоковольтной цепи, поз. 7;

— главную передачу с передаточным числом 9,6, поз. 8;

— дифференциал (поз. 9), тормозные механизмы (поз. 10) и колёса (поз. 11).

Рис. 2. Имитационная модель последовательного гибридного привода

Основным агрегатом гибридного привода является электромотор. Максимальная мощность тягового электродвигателя (ТЭД), необходимая для движения автомобиля полной массы с заданной максимальной скоростью v _max определяется формулой

N vmax = = 327 кВт.

(1)

Максимальная мощность тягового электродвигателя составляет 327 кВт с учетом коэффициента приспосабливаемости ТЭД к его внешним нагрузкам. В совокупности с другими расчетными показателями выбран ТЭД марки ДАТЭ-1У1, рассчитанный на 360 кВт мощности.

Следует отметить, что на рынке имеется ещё несколько моделей электродвигателей, отвечающих заданным требованиям, что подтверждает реализуемость выбранного решения.

Проведен тягово-динамический расчет проектируемого гибридного автомобиля. По расчетным данным тягового баланса, мощность генератора, необходимая для движения автомобиля на скорости 60 км/ч должна составлять не менее 110 кВт.

В качестве тягового генератора возможно применение обратимой электрической машины (например, марка ВВМ-ПМ1–110-НАР производства электротехнической продукции ООО «РУБРУКС, г. Москва) с приводом от ДВС.

Назначением обратимой электромашины является эксплуатация в электрических и гибридных трансмиссиях в качестве тяговых электромоторов и генераторов.

Преимущество использования заключается в том, что обратимая электрическая машина имеет КПД на 2 % больше, чем высокоэффективный асинхронный электродвигатель, а также обладает лучшими показателями по мощности-объему, момент-инерции.

Двигатель внутреннего сгорания необходим для обеспечения мощности, необходимой для привода генератора.

Двигатель внутреннего сгорания в гибридном автомобиле может работать только в самом оптимальном для себя режиме, избегая критических нагрузок, при которых чрезмерно расходуется топливо, моторное масло и быстрого изнашиваются детали самого двигателя и трансмиссии.

Необходимое выполняемое условие при выборе ДВС:

Ne ДВС ≥ Ne ОЭМ , кВт ,

(2)

где Ne _ДВС — номинальная мощность ДВС, необходимая для привода генератора, кВт; Ne _ОЭМ — номинальная мощность обратимой электрической машины (ОЭМ), кВт.

Указанным требованиям по мощности отвечает двигатель внутреннего сгорания марки ЯМЗ-53423–40 отечественного производства с номинальной мощностью 125 кВт. Двигатель соответствуют требованиям Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств» в части удовлетворения требованиям двигателей экологическому классу 5, нормируемого Правилами ООН № 24–03 и № 49–05В2 (G) — euro-5.

Тяговой аккумулятор — это особая разновидность аккумуляторных батарей, которые представляют собой блок секций, последовательно соединенных друг с дружкой. Каждая отдельная секция с функциональной точки зрения является полноценным отдельным аккумулятором, работающим в связке с остальными

При нормальных условиях аккумуляторная батарея к концу пробега должна разряжаться на 80 % своей ёмкости, 20 % — необходимый запас для случайно ухудшенных дорожных условий.

В работе, в качестве тяговых аккумуляторных батарей использованы аккумуляторные модули LiFePO ₄ (литий-железо-фосфатные) в количестве 3 единиц общей массой 800 кг отечественного производства. Литий-железо-фосфатный аккумулятор позволяет увеличить плотность энергии приблизительно на 15 % по сравнению со стандартными литий-ионными батареями. [5, c. 58]

Расчетный запас на электротяге составляет:

L =

(3)

где q — удельный расход энергии, кВт·ч/(т·км); m _a — полная масса гибридомобиля, кг; m _{a кб} — масса тяговых аккумуляторных батарей, кг; e — удельный вес аккумуляторной батареи, кг/(кВт·ч).

Тяговый преобразователь (или инвертор) является контроллером электромотора и привода технологического оборудования. Контроллеры (например, РУБРУКС НОВТИС1–600–250) представляют собой AC/DC-преобразователи напряжения для электродвигателей с пиковой мощностью 250 кВт.

Выбор данной модели тягового инвертора обусловлен высокой мощностью (250 кВт х 2 ед. = 500 кВт). Мощность, затрачиваемая на гибридный привод и привод технологического оборудования не превышает 470 кВт.

Выбрав основные компоненты электрооборудования, осуществлена компоновка гибридного привода на проектируемый автомобиль. ТАКБ располагаются в металлическом корпусе. Корпус представляет собой конструкцию из сложных профилей полученных холодным деформированием и соединенных путем сварки. Металлический щит обладает отличной жесткостью и прочностью на все виды нагрузок, а также противостоит динамическим нагрузкам. Имеет один общий отсек для установки электротехнического оборудования и приборов.

Тяговые инверторы, ДВС и генераторный модуль размещены в передней части автомобиля. Тяговый электродвигатель размещен между передней осью и задней тележкой.

Углы установки карданных валов в трансмиссии в статическом состоянии ТС полной массы должны быть не более: 5° — для грузовых ТС и автобусов (ГОСТ 33669–2015). Условие соблюдено.

Масса устанавливаемого электрооборудования составляет около 2000 кг, что увеличивает снаряженную массу с 12 000 до 14 1450 кг, при этом не превышая полную массу 26 500 кг.

Расчетная грузоподъемность может быть увеличена до 1–1,5 т. от заданного значения (табл. 2), тогда, полная масса автомобиля составит 31 т. Однако, распределение такой массы по осям проектируемого автомобиля требует дополнительных расчетов и исследований (не входящих в рамках этой работы).

Таблица 2

Технические характеристики проектируемого автомобиля

Параметр	Значение
Снаряженная масса, кг	14 450
Полная масса, кг	26 500
Распределение полной массы	-
- на передний мост, кг	6 500
- на заднюю тележку, кг	20 000
Масса перевозимого груза, кг	12 000
Максимальная скорость, км/ч	90

Таким образом, можно сформулировать предполагаемую экономию углеводородного топлива и, как следствие, процент снижения отработавших газов.

Двигатель внутреннего сгорания марки ЯМЗ-536 (устанавливаемый в автомобилях-прототипах; автомобилях с традиционной трансмиссией) в среднем расходует 28 литров углеводородного топлива на 100 км (при скорости 60 км/ч), а двигатель внутреннего сгорания марки ЯМЗ-534 в среднем расходует 15,5–16 литров углеводородного топлива на 100 км (при скорости 60 км/ч). Разница составляет 1,75 (≈ 2,0) раза. Отсюда, можно предположить, что экономия топлива составит 12 л. на 100 км пробега.

Проектируемый автомобиль с гибридным приводом позволит сэкономить 140918 рублей в год на покупку дизельного топлива (ДТ) (с учетом пробега автомобиля 100 км в день, при стоимости 1 л. ДТ 48,89 руб, 5-дневную рабочую неделю).

Резюмируя выполненную работу, целью которой, было улучшить топливно-экономические и экологические показатели автомобиля, удалось добиться желаемых результатов исходя из поставленных задач; расчетная экономия топлива составляет 43 %; окупаемость гибридного привода составляет до 5 % ежегодно.

Литература:

1. Смирнова У. Цифра дня: сколько автомобилей на планете?: статья [Электронный ресурс]. Апрель, 2019. URL: https://www.autonews.ru/news/5c9114d69a7947491f827c6e. (Дата обращения: 07.02.2022).
2. Статистика производства новых автомобилей в 2020–2022 годах: интернет-портал [Электронный ресурс]. 2022. URL: https://auto.vercity.ru/statistics/production/2021/. (Дата обращения: 10.02.2022).
3. Аджиманбетов С. Б. Стартерные и гибридные силовые установки автомобилей: / монография / С. Б. Аджиманбетов/. — Владикавказ: Издательство ФГБОУ ВО «Горский госагроуниверситет», 2020. — 176 с. [ЭБС «Лань»].
4. Уханов А. П. Конструкция автомобилей и тракторов: учебник / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Голубев. — 3-е изд., стер. — Санкт-Петербург: Лань, 2019. — 188 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — Текст: непосредственный. [ЭБС «Лань»].
5. Теория наземных транспортных средств. Тяговый расчет электромобиля: учебное пособие / А. Г. Уланов. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2018. — 389 с. [ЭБС «Лань»].
6. Тракторы и автомобили. Теория и эксплуатационные свойства: учебное пособие / В. П. Гребнев, О. И. Поливаев, А. В. Ворохобин. Москва: КНОРУС, 2018–260 с.