Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание академической степени магистра

Городской экологический чистый автобус с комплектом тягового электрооборудования (КТЭО)

5А310605 - Испытание и эксплуатация двигателей внутреннего сгорания

Джалилов Мирфаёз Мирадылович

Научный руководитель

д.т.н. профессор. Кадыров С.М.

Ташкент 2013 г.

АННОТАЦИЯ МАГИСТРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

на тему: "Городской экологический чистый автобус с комплектом тягового электрооборудования"

городской автобус гибридный силовой электрооборудование

Актуальность темы: В городском цикле движения автобуса, особенно в крупных городах, при резко переменном характере нагрузок, частых остановках, многократных торможениях, двигатель автобуса работает далеко не в оптимальном режиме. Значительная часть топлива сжигается впустую, выбросы в атмосферу угарного газа, двуокиси углерода, других вредных веществ и твердых частиц превышают экологические нормы работы транспортных средств. Что приводит к экологическому и экономическому вреду, который отрицательно влияет на здоровье населения и в экономической деятельности государства.

Связи вышеизложенным улучшение экономических и экологических показателей городских автобусов является весьма актуальной задачей.

Цель работы: Выбор оптимального варианта комплекта тягового электрооборудования для городского автобуса.

Объект исследования: Городской автобус с комплектом тягового электрооборудования.

Предмет исследования: Компоновочные схемы комплекта тягового электрооборудования для городского автобуса.

Методы исследования: 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 исследования: Заключается в подборе оптимальной и экономически эффективной энергетической установки для применения в автобусах, эксплуатирующихся в городском ездовом цикле.

Практическая значимость и внедрение результатов исследования: Улучшение топливной экономичности и снижение вредных выбросов достигается применением двигателя внутреннего сгорания малой мощности, который работает в оптимальном режиме с комплектом тягового электрооборудования. Такой подход позволяет исключить конструктивные элементы механической передачи и стабилизировать режим работы двигателя.

Структура и состав работы. В данной диссертации были изучены, компоновочные схемы, составные части конструкции гибридно-силовых установок городских автобусов проведены теоретические и экспериментальные научные исследования по данной тематике. Углубленный анализ литературных и электронных информационных источников и документов, содержащих результаты ранее выполненных работ по данной тематике. Произведен теоретический расчет технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса. Экспериментальное исследование для выбора оптимальной схемы энергосиловой установки городского автобуса. Обобщенный анализ результатов экспериментальных исследований.

Краткая обобщенная формулировка выводов и предложений. Проведенное теоретическое и экспериментальное исследование городских автобусов последовательной и параллельной схемой комплекта тягового электрооборудования позволило разработать технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса, а также подобрать наиболее оптимальную схему комплекта тягового электрооборудования для городского цикла движения.

Научный руководитель _________ д.т.н. профессор. Кадыров С.М.

Студент магистратуры _________ Джалилов М.М.

ANNOTATION

"CITY ENVIRONMENTALLY FRIENDLY BUS WITH SET OF TRACTION ELECTRICAL EQUIPMENT"

Relevance of the topic: The engine of the bus does not run optimally in the urban cycle of the bus traffic, especially in large cities with variable activity, frequent stops, repeated braking.

A significant portion of the fuel is burned waste, carbon monoxide, carbon dioxide, other harmful substances and particulate pollutants exceed the environmental standards of the vehicles. It does the damage to environment and economics, because it influences strongly on people health and economic activity of the state.

Therefore the improving of economic and environmental characteristics of the city buses is a very important problem.

The purpose is to select the optimal alternative set of traction electrical equipment for city bus.

The object of the research is the city bus with a set of electrical traction equipment.

Subject of the research is the layout drawings of the set of electrical traction equipment for city bus.

The scientific novelty of the research is the selection of the optimal and cost-efficient energy systems to use in buses driving in urban cycle.

Methods of the research: For solving the problems were used modern mathematical methods, the main points of the theory of the vehicle, the engine and automatic control. The fundamental and applied works of leading native and foreign scientists were used as a theoretical basis for the research.

Practical and theoretical significance of the research. The saving of fuel and reducing emissions is achieved by using an internal-combustion engine with low power which works optimally with a set of electrical traction equipment. This approach enables to eliminate the structural elements of the mechanical transmission and stabilize engine operation.

The structure and composition of the work. In this thesis were studied, layout circuits and components, the design of hybrid-propulsion buses theoretical and experimental research on the subject. In-depth analysis of the literature and electronic information sources and documents containing the results of earlier work on the subject. Performed a theoretical calculation of the technical requirements for the components of the hybrid power plant of the city bus. Experimental study of the optimal scheme of the power plant of the city bus. A pooled analysis of experimental results.

Brief generalized formulation of conclusions and recommendations. Theoretical and experimental study of city buses series and parallel sets of traction electric scheme has allowed the development of technical requirements for the components of the hybrid power plant of the city bus, and to choose the most optimal scheme sets of traction electric equipment for urban driving cycle.

Research supervisor _______________ PhD. Kadirov S.M.

Graduate student _______________ Djalilov M.M.

ВВЕДЕНИЕ

Наше независимое государство стремительно идет по пути прогресса. И одна из первых побед - рождение совершенно новой для нашей экономики отрасли - автомобилестроения.

Ислам Абдуганиевич Каримов.

Проблема охрана окружающей среды - является наиболее актуальной проблемой, поскольку от ее решения зависит жизнь на Земле, здоровье и благосостояние человека. Эта проблема обострилась в XX в., когда интенсивное развитие промышленности и транспорта, а также несовершенство технологических процессов привели к загрязнению атмосферы, воды и почвы. Ежегодно мировое хозяйство выбрасывает в атмосферу 350 млн. т окиси углерода, более 50 млн. т различных углеводородов, 150 млн. т двуокиси серы [25]. В атмосфере накапливается углекислый газ, уменьшается количество кислорода.

Угарный газ и окиси азота, выделяемые из глушителя автомобиля, выступают причинами головных болей, усталости, немотивированного раздражения, низкой трудоспособности человека. Сернистый газ воздействует на генетический аппарат, способствуя бесплодию и врожденным уродствам. В больших городах широко распространены заболевания органов кровообращения и дыхания, инфаркты, гипертония и др. Загрязнение атмосферного воздуха от автомобильного транспорта составляет 90% по окиси углерода и 70% по окиси азота. Автомобиль выбрасывает в почву и воздух тяжелые металлы и другие вредные вещества. В результате сжигания жидкого топлива в воздух ежегодно выбрасывается, по разным оценкам, от 180 тыс. до 260 тыс. т свинцовых частиц, что в 60--130 раз превосходит естественное поступление свинца в атмосферу при вулканических извержениях (2--3 тыс. т/год) [22]. В некоторых крупных мегаполисах, содержание свинца в атмосфере уже достигло опасной для здоровья человека концентрации или приближается к ней.

С каждым годом становится всё очевиднее, что необходимость охраны окружающей среды оказывает всё большее влияние на развитие автомобильной промышленности. Мировой парк автомобилей ежегодно увеличивается на 10 - 15 % [21]. В этих условиях всё более актуальной становится задача по устранению вреда от современных автомобилей к загрязнению атмосферы отработавшими газами.

Растущий уровень загрязнения воздуха больших городов очень остро поставил вопрос о разработке комплекса мер по уменьшению содержания токсичных веществ в атмосфере. Основная часть выбросов токсичных веществ в атмосферу в крупных городах приходится на автомобильный транспорт. Это обуславливает предъявление к автомобильной промышленности требований по снижению уровня выделения токсичных веществ.

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[21]. Тенденции роста энергопотребления автомобильным транспортом таковы, что, при сохранении такого темпа к концу XXI века автомобильный транспорт будет потреблять в 20 раз больше энергоресурсов, чем на сегодняшний день.

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в среднем составляет около 30%, а в условиях интенсивного городского движения еще меньше[32]. Низкий КПД и отсутствие перспектив его повышения, делает традиционное применение двигателей внутреннего сгорания малоперспективным. Однако при всех недостатках традиционного ДВС найти ему полноценную замену до сих пор не представляется возможным.

Рациональное соотношение мощностей основных источников тягового усилия от ДВС и тягового электродвигателя, а также энергоемкости и мощности накопителя зависит от того, в каких режимах движения будет эксплуатироваться транспортное средство. Наибольший эффект от гибридного привода достигается при использовании транспортного средства в городском цикле движения: по имеющимся экспериментальным данным потребление топлива техники с гибридным приводом в городском цикле снижается на 25-30%, а в отдельных случаях - на 50%. [6]

С другой стороны, в больших городах существует вполне ощутимая проблема, связанная с высоким уровнем загазованности. Большая доля СО2 образуется выхлопами большого количества частных автомобилей, однако и городские автобусы вносят свой «вклад» в экологию города. выбросы от общественного автотранспорта растет по мере увеличения плотности населения городов. Крупнейшие автомобильные концерны давно приступили к решению проблемы снижения уровня выбросов частных автомобилей, но пока автомобили с гибридной установкой имеют слишком высокую цену, и при выборе покупателем нового авто низкий уровень экологичности не является весомым критерием, по сравнению с критерием цены.

С общественным транспортом ситуация иная. В каждом крупном городе имеется определенный парк автобусов занимающихся пассажироперевозками. Данные автобусы также вносят свой вклад в загрязнение городского воздуха. Концентрация вредных выбросов а также расход топлива увеличивается при городском цикле движения. Так как у данных автобусов почти весь маршрут состоит из разгонов и торможений. Так как вопросы эксплуатации автобусов и контроль загрязнения воздуха находятся в ведении городских властей, интерес к гибридной технике, в первую очередь, проявляют именно они. Кроме того, обслуживание городского транспорта происходит централизованно, что очень удобно при освоении большого количества совершенно новой в плане обслуживания техники. Кроме привода городских автобусов, гибридная схема подходит для привода любого другого транспорта, работающего в режиме частых пусков и торможения. В городе это мусоровозы, снегоуборочная, поливальная, мусороуборочная и другая обслуживающая дороги техника.

Таким образом, повышение топливной экономичности и экологической безопасности автотранспортного комплекса, основу которого составляют ТС с двигателями внутреннего сгорания, является первоочередной задачей на сегодняшний день.

Актуальность темы. В городском цикле движения автобуса, особенно в крупных городах, при резко переменном характере нагрузок, частых остановках, многократных торможениях, двигатель автобуса работает далеко не в оптимальном режиме. Значительная часть топлива сжигается впустую, выбросы в атмосферу угарного газа, двуокиси углерода, других вредных веществ и твердых частиц превышают экологические нормы работы транспортных средств. Что приводит к экологическому и экономическому вреду, который отрицательно влияет на здоровье населения и в экономической деятельности государства.

Связи вышеизложенным улучшение экономических и экологических показателей городских автобусов является весьма актуальной задачей.

Цель работы: Выбор оптимального варианта комплекта тягового электрооборудования для городского автобуса.

Объект исследования: Городской автобус с комплектом тягового электрооборудования.

Предмет исследования: Компоновочные схемы комплекта тягового электрооборудования для городского автобуса.

Научная новизна исследования: Научная новизна заключается в подборе оптимальной и экономически эффективной энергетической установки для применения в автобусах, эксплуатирующихся в городском ездовом цикле.

Практическая и теоретическая значимость исследования. Улучшение топливной экономичности и снижение вредных выбросов достигается применением двигателя внутреннего сгорания малой мощности, который работает в оптимальном режиме с комплектом тягового электрооборудования. Такой подход позволяет исключить конструктивные элементы механической передачи и стабилизировать режим работы двигателя.

Краткий анализ литературы по тематике. Наиболее глубокими исследованиями, посвященными данной проблеме, занимались, и занимается ряд российских и зарубежных ученых: С.В. Бахмутов, А. А. Ипатов, Б.И. Петленко, Л.Ю. Лежнев, В.В. Селифонов, Е.И. Сурин, В.М. Фомин, Б.Я.Черняк, СЮ. Шугуров, А.А. Эйдинов, В.Е. Ютт, M.Berg, P.Chudi, S.Friedmann, R.Krishnamachari, M.Lehna, A.Malmquist, W.Peukert, J.Maxwell и др. В своих исследованиях они касались вопросов конструирования компоновочных схем гибридного привода. Среди этих работ лишь очень небольшое число посвящено к схематическим компоновкам привода автобусов городского типа.

Методы исследования. 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.

Структура и состав работы. В данной диссертации были изучены, компоновочные схемы, составные части конструкции гибридно-силовых установок городских автобусов проведены теоретические и экспериментальные научные исследования по данной тематике. Углубленный анализ литературных и электронных информационных источников и документов, содержащих результаты ранее выполненных работ по данной тематике. Произведен теоретический расчет технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса. Экспериментальное исследование для выбора оптимальной схемы энергосиловой установки городского автобуса.

Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов обеспечена использованием современных математических методов, согласованным сравнительным анализом результатов расчетных и экспериментальных исследований.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГИБРИДНЫХ АВТОБУСОВ

1.1 История гибридизации

Первые электрические "гибриды" появились больше ста лет назад. В далеком 1906 году английский инженер В.Стивенс построил опытный электробензиновый грузовик. Год спустя автобусный оператор Томас Тиллиг выкупил у него права и вывел на рынок свои гибридные автобусы, правда, всего несколько штук. Формально, первым запатентовал проект гибридного автомобиля бельгиец Генри Пайпер в США 2 марта 1909 года.[15] Однако создателем первого легкового гибридного автомобиля является Фердинанд Порше, который ещё в 1898 году сконструировал опытный образец гибридного автомобиля, а позднее на основе его построил модель Lohner Electric Chaise (Lohner-Porsche Mixte Voiturette), завоевавшую гран-при Всемирной Парижской выставки 1900 года.[16] В автомобиле Порше применялась последовательная гибридная схема.

А первый серийный гибридный дуобус с применением последовательной схемы был выпущен на линию в 1969 году. Он был произведен компанией Mercedes-Benz на базе модели О302, оснащался 4-литровым дизелем мощностью 65 л.с. и имел аккумулятор емкостью 91 кВт*ч. В дальнейшем гибридные технологии отрабатывались и внедрялись прежде всего на общественном транспорте. Наиболее активные действия производители предприняли в 1990-х гг. Гибридные автобусы стали заметным явлением в Европе, но наибольшее распространение они получили в Северной Америке.

Электромеханическая трансмиссия достаточно активно применялась на железнодорожном транспорте и в тяжёлой автотранспортной технике в 1930-х годах.[17] В то же время легковые гибридные автомобили проиграли на этом этапе конкуренцию автомобилям с традиционным ДВС.

Интерес к гибридным автомобилям усилился в конце 1960-х годов на фоне роста обеспокоенности общественности экологическими проблемами. Американскому конструктору Виктору Воуку.[18] В 1972 году удалось создать гибридную модель Buick Skylark.[19] Разработки автомобилей-гибридов активизировались в результате мирового нефтяного кризиса 1973 года и последующих энергетических кризисов. [20] В это время автопроизводители концентрировали усилия на создании более экономичных автомобилей с ДВС. Однако как только кризисные явления затихали, проекты снижения расхода топлива, включая разработки гибридных технологий, откладывались.[20] Первый массовый легковой гибридный автомобиль -- Toyota Prius -- был выведен на рынок только в 1997 году.[21] А General Motors с 2004 года по июнь 2008-го поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов. С тех пор количество автобусов-"гибридов" только увеличилось. [24]

С середины 1990-х годов в ряде развитых зарубежных стран на общегосударственном и/или городском уровне была осуществлена так называемая «Зелёная налоговая реформа», в результате которой владельцы гибридных автомобилей получили заметные налоговые льготы. Так, в Лондоне они освобождены от уплаты годовой пошлины в Ј2 тыс. В Ирландии для легковых гибридов наполовину снижена ставка ежегодного регистрационного сбора, это около €2,5 тыс.[63]

В Норвегии владельцы таких авто пользуются при их покупке разовой льготной ставкой транспортного налога -- около €2 тыс. В испанской столице, Мадриде, льготы также разовые -- совокупно около €2,5 тыс. В некоторых кантонах Швейцарии автовладельцы гибридов не платят ежегодный транспортный налог (около €340).[63]

В ряде штатов США они платят разовые налоги с транспортных средств по сокращённой ставке или освобождаются от их уплаты вовсе, размер такой льготы доходит до $4,7 тыс. Разовые льготы распространены и в Японии -- экономия там в итоге составляет около €1,2 тыс.[63]

Еврокомиссия предложила к 2050 году запретить использование в городах ЕС автомобилей с бензиновым двигателем вовсе. Стратегия развития транспорта на ближайшие десятилетия там основывается на так называемой «Белой книге по транспорту».[64]

1.2 Опыт других стран в развитии гибридизации городских автобусов

Наиболее активные работы по созданию гибридных силовых установок и автобусов проведены североамериканскими производителями автобусов в сотрудничестве с крупными энергетическими компаниями и национальными лабораториями EPRI, General Electric, NREL, INEEL, ISE Research и др. Разработка и производство ведется согласно государственным программам «The 21st Century Truck Program (21CT) and the U.S. Department of Energy (DOE) Advanced Heavy Vehicle Hybrid Propulsion System R&D Program (Heavy Hybrid Program). В 2002 году по заказу министерства энергетики США национальная лаборатория NREL провела анализ разработок гибридных грузовиков и автобусов различных типов с целью определения концепции построения гибридных силовых установок для городского и пригородного транспорта.

В Северной Америке автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками разрабатывают и производят следующие фирмы. General Motors - параллельная гибридная схема GM/Allison разработана совместно с DaimlerChrysler и BMW. В эксплуатации в США несколько сотен автобусов (более тысячи). DaimlerChrysler (Orion Bus Industries) - автобус Orion VII Next Generation hybrid (рис. 1). С 1997 г. продано более 1000 и сделано заказов еще на более 1500 автобусов Orion. Крупнейшими потребителями являются Нью-Йорк и Оттава. Последовательная гибридная схема разработана совместно с британской компанией BAE Systems. North America Bus Industries (NABI), подразделение Cerberus Capital, Gillig Corporation (США), Motor Coach Industries (США-Канада), New Flyer Industries (Канада) и Nova Bus (Канада), подразделение Volvo Bus Corporation производят гибридные автобусы на основе параллельной схемы GM/Allison. Optima Bus Corporation (США) - использует последовательную гибридную схему ISE/Siemens в 3 типах автобусов Opus ISE Series Hybrid. IC Bus (США) производит коммерческие и школьные городские автобусы (2 типа) на основе параллельной гибридной схемы производства Enova Systems (США).

Таким образом, США и Канада являются крупнейшими потребителями гибридных автобусов, в основном дизель-электрических. Многочисленные исследовательские проекты автобусов с газовыми двигателями и топливными элементами нами не рассматривались, ввиду отсутствия намерений по их коммерциализации. Характерным примером является также следующий: городские власти Нью-Йорка отказались от закупки около 200 газовых автобусов, направив выделенные средства на закупку гибридных автобусов. Позднее власти приняли решение перейти полностью на закупку гибридов, аргументируя это тем, что при сходных экологических показателях, дизель-электрические автобусы более экономичны и дают существенные преимущества в эксплуатации и комфорте, не требуют дополнительной инфраструктуры, а разница в цене довольно быстро окупается.

Европейские производители пока несколько отстают от американских компаний по коммерческому внедрению автобусов с гибридным приводом, несмотря на то, что исследовательские проекты подобной тематики в Европе начались довольно давно. Лидером по внедрению гибридных автобусов в настоящее время является Великобритания, в частности, Лондон, власти которого планируют пополнять городской автобусный парк только гибридными машинами[54]. Английский производитель Wrightbus с 2006 года выпускает городские автобусы 3 модификаций с гибридным приводом, в том числе и двухэтажные (знаменитые лондонские красные «дабл - декеры»), используя последовательную схему ISE/Siemens с LiIon аккумуляторами. Optare Group (Великобритания) использует схему GM/Allison с суперконденсаторами в качестве накопителей электроэнергии для создания гибридной модификации городского автобуса Versa, который планируется испытать в середине 2008 года с последующим коммерческим выпуском в конце года. BAE Systems схема HybriDrive®. Схема с синхронным генератором с постоянными магнитами, асинхронным тяговым двигателем, масляным охлаждением, американскими батареями Hawker Pb-кисл. (HybriDrive® I) и A123Systems LiIon (HybriDrive® II).

В Германии коммерческое производство гибридных автобусов и схем электропривода для них подготавливают крупные европейские производители транспортной техники, такие как Mercedes, MAN (Германия), Scania и Volvo (Швеция). Работы идут при финансовой поддержке правительств соответствующих стран. MAN работает в сотрудничестве с Siemens A&D и использует последовательную схему гибридного привода с суперконденсаторами в качестве накопителей энергии, модифицировав серийный автобус MAN Lion's City, а Scania создает модификацию автобуса OmniLink на основе гибридной схемы Voith (Австрия) и суперконденсаторов Maxwell (США). Гибридный автобус MAN Lion's City Hybrid (рис. 2) был представлен на международном транспортном конгрессе транспортных компаний UTP Хельсинки, завоевал золотую медаль и был признан первым экономически жизнеспособным проектом гибридного городского автобуса. Помимо относительно низкой цены, экономичности и экологической чистоты, его отличают существенные выгоды при эксплуатации. Эти гибридные низкопольные городские автобусы с последовательной схемой привода, станут наиболее массовыми коммерчески продаваемыми гибридными автобусами Европы[23]. На основе схем гибридного привода планируется создание широкой гаммы автобусов различного назначения (в т.ч. с выходом на две стороны для аэропортов и др.). В настоящее время проходят испытания. Также над параллельной схемой гибридного привода для грузовых автомобилей и автобусов работает Volvo (прототип носит название I-SAM, используется интегрированный стартер-генератор). Разработка гибридного городского автобуса проходит при поддержке правительства Швеции.

Mercedes-Benz ранее уже разрабатывал модификацию автобуса Citaro на топливных элементах Ballard (Канада) и дизель-электрический автобус Cito, а в настоящее время испытывается автобус Mercedes-Benz Citaro G с последовательной схемой гибридного привода с индивидуальным приводом мотор-колесо двух осей, созданной в сотрудничестве с Siemens, в том числе и в двухсекционном варианте.

Несмотря на некоторое отставание в коммерческом внедрении гибридных автобусов, интенсивные разработки в этом направлении ведут и фирмы азиатского региона, прежде всего Японии, Кореи и Китая. Первые коммерчески производимые автобусы выпущены в 1991 г. именно здесь компанией Hino Motors. Крупнейший автопроизводитель Китая, Shanghai Automotive Industrial Corp. (Шанхай) создал совместное производство гибридных автобусов с General Motors.

First Automotive Works (FAW), второй по обороту производитель из КНР, начал производство гибридных автобусов Jiefang с параллельной гибридной системой по технологии компании Enova (США) осенью 2005 г. Характеристики автобуса: экономия 38 % топлива, сокращение выхлопов на 30 %. На гибридном автобусе Jiefang установлены NiMH аккумуляторы. Beiqi Foton Bus (Китай) использовала параллельную гибридную схема Eaton Corporation (США) в разработке своих автобусов Foton. Guangzhou Yiqi Bus Co., Ltd (Китай) также сотрудничает с Eaton в создании первой партии гибридных автобусов. Китайская компания China Yuchai International Ltd[43]. представила в 2008 году первый комплект тягового оборудования для городского автобуса собственной разработки. Проект основан на применении параллельной схемы с интегрированным стартер - генератором. Из других разработок следует отметить производителя DesignLine International Holdings из Новой Зеландии.[17] Сначала компания представила дизель-электрические гибриды (1998 г.), затем с 2000 г.перешла на использование на автобусах микротурбин компании Capstone MicroTurbine и аккумуляторов (возможно использование различных типов, NiMH или LiIon, или суперконденсаторов) и силовых интеллектуальных модулей SKAI от компании Semikron. Автобусы DesignLine EcoSaver поставлялись, в том числе и в США, Великобританию и Японию.

Последовательные схемы для современных городских автобусов предлагают следующие разработчики: (Великобритания), ISE/Siemens (США), схема Elfa® от Siemens A & D (Германия). 2 трехфазных IGBT инвертора (7/8 стоек полумостов), синхронный генератор с постоянными магнитами (в последнее время вариант с асинхронным генератором), асинхронные двигатели (вариант - синхронные с постоянными магнитами при безредукторном приводе), жидкостное охлаждение. ISE использует элементы Elfa® в комплекте тягового оборудования ThunderVolt®, в качестве накопителей энергии могут использоваться аккумуляторы Zebra (Германия) Ni-NaCl2 или Cobasys (США) NiMH и/или суперконденсаторы Maxwell (США). Также, в качестве первичного источника энергии могут использоваться топливные элементы UTS Power (США).

Voith (Австрия), схема ELVO®. Используются идентичные синхронные генератор и двигатель специальной конструкции с постоянными магнитами на роторе, двумя статорами (внешним и внутренним) и поперечным (аксиальным) магнитным потоком, с жидкостным охлаждением. Применение такой конструкции электрической машины позволяет добиться существенного преимущества в работе системы при малых оборотах. Используется четырехфазный силовой преобразователь и накопители энергии на суперконденсаторах Maxwell.

Параллельные схемы использованы в комплектах тягового оборудования следующих фирм: GM/Allison (США) - схемы EP40, EP50 (с модификацией для сочлененных автобусов) - смешанные параллельные схемы («Split»). Схема со сдвоенным трехфазным преобразователем (2 модуля «выпрямитель+инвертор»), с двумя асинхронными тяговыми двигателями, передающими момент через 2 синхронных муфты на коробку передач с 3 планетарными передачами, масляным охлаждением (общая система для двигателей, силового преобразователя и контроллера, с водо - масляным радиатором), накопителями на основе NiMH батарей (вариант - LiIon батареи Hyundai).

Eaton (США) - параллельная схема с автоматической трансмиссией Fuller® со встроенным мотор - генератором, инвертором, накопителем на основе батареи LiIon [32].

Фирма Enova (США) использует последовательную и параллельные (комбинированные) гибридные схемы c IGBT инвертором с жидкостным охлаждением (раствор этиленгликоля), с асинхронными генератором и тяговым двигателем, одноступенчатым концентрическим редуктором, различными видами накопителей энергии. В качестве первичного источника энергии могут использоваться топливные элементы UTS Power (США).

1.3 Обзор существующих экологических чистых автобусов

Гибридные автобусы Орион VII next Generation (рис.1.1.), производимые концерном Daimler AG, снабжены приводом HybriDrive® системы BAE. Серийная гибридная система приводится в действие электродвигателем, который получает электроэнергию от дизельного генератора и аккумулятора[14]. На автобусах в качестве аккумуляторов используются литиево-ионные батареи. Кроме того, установлен экологичный дизельный двигатель меньшего, чем на обычных автобусах, размера, который гарантирует меньшие выбросы и оптимальную эффективность благодаря почти постоянному числу оборотов.



Рис. 1.1. Гибридный автобус «Orion» VII Next Generation hybrid.

Дальнейшему повышению эффективности транспортного средства способствует рекуперативная тормозная система. Торможение осуществляется двигателем, что превращает его в генератор, обеспечивающий дополнительный приток электроэнергии для зарядки аккумулятора. Кроме того, это ведет к меньшему износу тормозов, которые таким образом могут реже обслуживаться.

По сравнению с обычным дизельным двигателем гибридные автобусы уменьшают расход топлива почти на 30 % и тем самым значительно снижают вредные выбросы: эмиссию твердых частиц на 90 %, эмиссию оксидов азота на 40 % и эмиссию парниковых газов на 30 %. Водители и пассажиры могут наслаждаться менее шумной, более чистой и плавной поездкой. С момента появления на рынке в 2003 году число произведенных городских автобусов Orion, достигло 3.500 единиц [10].

Гибридный автобус MAN Lion's City Hybrid

Автобус MAN Lion's City Hybrid построен на базе низкорамной городской машины (рис.1.2.). MAN Lion's City и выполнен по схеме «последовательного гибрида», когда дизельный двигатель не имеет прямой связи с колёсами, а свою энергию передаёт к ним по проводам в виде электричества[21]. Соответственно, в автобусе нет коробки передач, сцепления, карданного вала и заднего моста. При этом сравнительно маломощный двигатель D08 стандарта EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) приводит в действие высокоэффективный трёхфазный генератор, который вырабатывает энергию для обоих электрических тяговых мотор-генераторов.

Рис.1.2. Гибридный автобус MAN Lion's City

Кроме того, силовая схема гибрида включает инвертор, преобразовывающий переменный ток в постоянный, и конвертор, снова преобразующий постоянный ток в переменный, который необходим для более эффективной работы колёсных электродвигателей. Естественно, все эти преобразования электричества серьёзно продуманы - в высоковольтную силовую линию постоянного тока, где напряжение достигает 700 V, включены ионисторы или суперконденсаторы, 12 модулей которых размещаются на крыше автобуса. Отказ от аккумуляторов в пользу конденсаторов был сделан по целому ряду причин. Да, действительно, аккумуляторы могут запасти гораздо больше энергии, чем конденсаторы. Но они дороже, тяжелее и ток заряда - разряда имеют весьма ограниченный. Но главное - у них небольшой срок службы, который составляет, как правило, около тысячи циклов заряда - разряда[12]. А вот ионисторы - двухслойные электролитические конденсаторы повышенной ёмкости - выдерживают несколько сотен тысяч таких циклов, да и весят сравнительно немного.

Таблица 1.1. Техническая характеристика ГСУ автобуса MAN Lion's City Hybrid

Количество модулей, шт.	12
Количество ионисторов в модуле, шт.	24
Максимальная мощность заряда/разряда, кВт	200
Максимальный ток, А	500
Диапазон рабочего напряжения, В	400-630
Запас энергии, кВт•ч	0,4
Вес (с рамой), кг	500
Охлаждение	воздушное, принудительное

Гибридные автобусы New Flyer

New Flyer - гибридные автобусы, которые используют электрический привод системы Allisons, которые впервые были выпущены в 1997 году компанией New Flyer (Канада).

Автобусы компании New Flyer (рис.1.3.) производятся преимущественно для использования в Северной Америке. Компания основана в 1930 году как Western Auto and Truck Body Works Ltd, и постоянно ведет разработки по улучшению экологических характеристик своей продукции[17].

С 1960 года гибридные автобусы New Flyer являются основным городским транспортом в городах Торонто и Ванкувер.

Существует несколько моделей гибридных автобусов New Flyer, работающих на системе Allisons: DE40LF, DE60LF, DE40LF BRT, DE40i Invero, GE40LF. Гибридный автобус New Flyer DE40LF длина его составляет 18, 5 метров, ширина - 2,59 метра, а высота 3,35 метра. Масса автобуса достигает 30,2 тонны. В салоне могут расположиться на сидячих местах 64 человека.

Вход и выход осуществляется через 2 или 3 двери, в зависимости от модификации.

Рис. 1.3. Гибридный автобус New Flyer DE60LF

Гибридный автобус Isuzu Motors Ltd.

Японский производитель Isuzu Motors Ltd. представил гибридную версию городского автобуса Erga, (рис.1.4) получившего гибридный дизель-электрический привод Hybridrive. Автобус создан в сотрудничестве с американской компанией BAE Systems. Благодаря оснащению гибридной дизель-электрической силовой установкой, топливная экономичность нового Erga увеличилась на 16 процентов по сравнению с обычными дизельными автобусами. Гибридная система параллельного типа, состоящая из дизельного двигателя и электромотора, отличается высокой мощностью и высокими экологическими характеристиками.

Автобус Erga Hybrid агрегатируется 7,8-литровым дизельным двигателем Isuzu, работающим в паре с автоматической коробкой передач, а также электрическим мотором-генератором, который во время торможения автобуса переходит в режим генератора[31]. Вся электроэнергия, выработанная таким образом во время торможения, накапливается в литий-ионных аккумуляторных батареях, которые отличаются высокими эксплуатационными характеристиками и долгим сроком службы. Электрический мотор используется для трогания автобуса с места без шума и выброса вредных веществ в атмосферу, а также для зарядки аккумуляторов посредством рекуперативного торможения.

Рис.1.4. Гибридный автобус Isuzu Erga Hybrid

Такая технология работы идеально подходит для городских автобусов с постоянным маршрутом, которым приходится часто останавливаться и трогаться.

С высокоэффективным дизельным двигателем Isuzu, который отвечает последним требования по автомобильным выбросам в Японии, автобус Erga Hybrid имеет хорошие экологические показатели воздействия на окружающую среду, отличается топливной экономичностью и эффективностью, а также высокой производительностью.

Таблица 1.2. Технические характеристики автобуса Isuzu Erga Hybrid

Двигатель	6HK1-TCC
Объем двигателя	7,790 см3
Максимальная мощность двигателя	191 кВт
Максимальный вращающий момент ДВС	761 Нм
Трансмиссия	6-скоростная АМТ
Электромотор	44 кВт
Аккумулятор	литий-ионный, 3,9 кВтч, 360 В

Гибридный автобус ЛиАЗ-5292 концерна «РУСЭЛПРОМ»

Предприятия Российского электротехнического концерна «РУСЭЛПРОМ» - ООО «Русэлпром - Электропривод» и ОАО «НИПТИЭМ» по заказу ООО «ЛиАЗ» (дивизион «Автобусы» группы «ГАЗ») выполнили разработку комплекта тягового электрооборудования для городского маршрутного автобуса на основе новой модели низкопольного городского автобуса ЛиАЗ-5292. (рис.1.5).

В ходе разработки пройдены необходимые этапы математического моделирования, разработки схемотехники и конструкции комплекта тягового электрооборудования (КТЭО), выполненного последовательной схеме: генератора, тягового двигателя, силовой и управляющей электроники, вспомогательных систем питания и охлаждения. Создан испытательный стенд для наладки и испытаний силовой электроники, электрических машин, отработки алгоритмов управления, программного обеспечения контроллеров электропривода и контроллера верхнего уровня для оптимального управления потоками мощности дизеля и накопителя в режимах тяги и торможения. Изготовлены и испытаны на стенде все составные части КТЭО и весь комплект в целом, включая накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell[15].

Созданный комплект может легко адаптироваться под применение в современных и перспективных автобусах различных производителей, различных модификаций.

Последовательная схема наиболее проста в разработке, внедрении, адаптации, оптимальна для городского маршрутного автобуса, экономически наиболее оправдана, что подтверждается опытом мировых и европейских производителей.

Рис.1.5. Гибридный автобус ЛиАЗ-5292

Городской автобус с КТЭО РУСЭЛПРОМ удовлетворяет как современным, так и перспективным требованиям:

· по экологичности работы транспортных средств не ниже Евро-5 по Правилам ЕЭК ООН № 49 (04);

· по экономичности - будет иметь транспортную норму расхода топлива не более 30 л/ 100 км при движении в городском цикле ( экономия не менее 25% по сравнению с базовым автобусом);

· по управляемости и комфортности - превышать базовый автобус по плавности разгона и торможения, характеристикам управляемости, шумности работы;

· по показателям надежности - иметь среднюю наработку на отказ не менее 100000 часов, вероятность безотказной работы КТЭО за время наработки 1000 часов не менее 0,995 при экспоненциальном законе распределения отказов по времени.

Таблица 1.3. Технические характеристики автобуса ЛиАЗ-5292

Двигатель	Cummins ISBe4 185, Euro-5, дизельный
Рабочий объем, л	4,5
Расположение	Поперечное в заднем свете
Максимальная мощность двигателя, кВТ (л.с.)	136 (185) при 2500 мин-1
Максимальный крутящийся момент, Нм	700 при 1500 мин-1
Максимальная скорость, км/ч	85
Комплект тягового электрооборудования (КТЭО)
Мотор-генератор (АМ-Г)	Мощность на выходе генератора, кВт	132,5
	Максимальная скорость вращения вала АМ-Г, об/мин	2300
Тяговый асинхронный двигатель (ТАД)	Максимальная мощность на валу ТАД, кВт	132,5
	Номинальная длительная мощность на валу ТАД, кВт	125
	Максимальный пусковой момент на валу ТАД, Нм	При i=9,82; 1500
	Максимальная скорость вращения вала ТАД, об/мин	При скорости автобуса 90 км/час; 4975
	Максимальный длительный момент на валу ТАД, Нм	При i=9,82; 1000
Накопители (6 шт.)	Емкость, Ф, не менее	10,5
	Напряжение, В	400-800
	Энергоемкость, Вт.ч., не менее	610
	Ток разряда, А	150
	Максимальный ток разряда, А	750
	Масса, кг	350
	Габариты, мм(Д/Ш/В)	726/425/265

Гибридный автобус НЕФАЗ 5299Н

В результате сотрудничества специалистов ОАО «НЕФАЗ» и ООО «Фойт Турбо Казань» удалось создать перспективный гибридный привод, установленный на автобус НЕФАЗ 5299Н (рис.1.6.). Он относится к приводам так называемого параллельного типа, когда на помощь дизелю приходит асинхронный электродвигатель, включающийся в работу при трогании автобуса с места и ускорении. Во время торможения машины электромотор работает в режиме генератора, выполняя также роль тормоза-замедлителя и дополняя работу ретардера, встроенного в стандартную гидромеханическую коробку передач DIVA. Как результат - снижение нагрузки на тормозную систему и уменьшение выбросов мелкодисперсной пыли. Выделяемая во время торможения энергия накапливается в батарее конденсаторов. Преимущество применения конденсаторов по сравнению с аккумуляторами заключается в их значительно большем жизненном цикле и, в итоге, повышении эффективности работы автобуса. В качестве основного на автобусе установлен дизель CUMMINS ISB 6.7 ES 250 B с рабочим объемом 6,7 л, развивающий максимальную мощность 184 кВт и максимальный крутящий момент 1020 Нм. Мощность электродвигателя - 150 кВт.

Рис.1.6. Гибридный автобус НЕФАЗ 5299Н

Испытания экспериментального автобуса показали, что снижение расхода топлива на городских маршрутах доходит до 20%, при этом гибридный привод отличается надежностью. Кстати, аналогичный привод в течение нескольких лет является стандартным оборудованием нескольких автобусов зарубежных марок, хорошо зарекомендовавших себя в европейских странах и в США[32].

Таблица 1.4. Технические характеристики автобуса НЕФАЗ 5299Н

Двигатель	CUMMINS ISB 6.7 ES 250 B
Рабочий объем	6,7 л
Максимальная мощность двигателя, кВТ	184 кВт
Максимальный крутящийся момент, Нм	1020 Нм
Мощность электродвигателя	150 кВт.

Гибридный "Витовт" А420 концерна «РУСЭЛПРОМ»

Городской пассажирский автобус Витовт А 420 (рис.1.7.) стал результатом успешного российско-белорусского научно-технического и промышленного сотрудничества. "Витовт" А420 был разработан на "Белкоммунмаше" совместно с российским электротехническим концерном "РУСЭЛПРОМ"

В состав электрооборудования входят: дизель-генераторная установка; силовой (тяговый) электропривод; вспомогательное электрооборудование; цепи управления; CAN-система. Тяговый двигатель - асинхронный электродвигатель длительной мощностью 120 кВт. Дизельный двигатель - Cummins ISB6.7E5250H (Евро-5, мощность 170 кВт). Работа гибридной установки устроена по принципу последовательного типа: дизельный двигатель приводит во вращение генератор, который вырабатывает энергию для питания тягового электрического двигателя и заряжает блок накопителей энергии. Использование гибридного (дизель-электрического) привода позволяет снизить потребление топлива примерно на 30% и уменьшить выбросы вредных веществ по сравнению с автобусами с традиционным приводом. Дополнительный объем энергосбережения достигается гибридной установкой за счет регенерации и рекуперации энергии для повторного использования.



Рис. 1.7. Гибридный "Витовт" А420

Кузов машины устойчив к коррозии, выполнен из пластиковых компонентов. Автобус обладает современным запоминающимся дизайном и высоким уровнем комфорта, низким уровнем пола по всему салону. Оборудован системой глобального позиционирования, системой дистанционного контроля технического состояния автобуса[33]. В конструкции гибридного "Витовта" используются комплектующие ведущих мировых производителей. Пассажировместимость автобуса составляет 79 человек, количество мест для сидения - 29. Максимальная скорость - 70 км/ч.

В настоящее время автобус-лауреат проходит сертификационные испытания на Дмитровском испытательном полигоне Центрального научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института НАМИ. В конце ноября "Витовт" А420 должен получить все необходимые разрешения и допуски для эксплуатации на городских маршрутах на территории России.

Выводы по главе 1

История развития гибридных технологий насчитывает небольшой промежуток времени и в основном связан с топливными кризисами и загрязнениями воздуха. Так или иначе, углеводородных ресурсов земли становится все меньше и использование гибридных технологий на сегодняшний день является наилучшим вариантом экономии топлива и охраны окружающей среды. До недавнего времени основной проблемой широкому распространению гибридных технологий являлась их дороговизна и отсутствие сервиса. Но к сегодняшнему дню правительства многих развитых стран выступают в поддержку развития гибридных технологий и выделяют специальные льготы производителям и покупателям данных автомобилей. Производители в свою очередь постоянно совершенствуют свои автомобили чтобы добиться максимальной эффективности. С такими темпами все проблемы стоящие перед развитием данной отрасли в скором времени будут решены и гибридные автомобили станут общедоступными и более дешевыми. Основной целью данной работы является выбор оптимального варианта комплекта тягового электрооборудования для городского автобуса. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать принципы работы, преимущества и недостатки современных систем комплекта тягового электрооборудования;

- изучить устройства составных частей комплектов тягового электрооборудования городских автобусов;

- произвести теоретический расчет по определению технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса;

- произвести экспериментальные исследования по определению наиболее оптимальной схемы.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ КОМПЛЕКТА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОБУСОВ

2.1 Принцип работы и конструктивные схемы ГСУ

Центральным элементом гибридной силовой установки является комбинированная микропроцессорная система управления, обеспечивающая работу двигателя внутреннего сгорания на постоянном режиме минимального удельного расхода топлива при всех скоростных и нагрузочных режимах транспортного средства путем регулирования работы электроагрегатов и механических узлов силовой установки.

Современные гибридные силовые установки включают ДВС или двигатель - генераторные агрегаты и тяговые накопители энергии, которые совместно с комбинированными электромеханическими трансмиссиями строятся по принципу последовательной или параллельной архитектуры, а также по схеме «сплит», реализующую последовательно-параллельную систему. Анализ современных гибридных автомобилей показывает, что мировыми автомобилестроительными фирмами разработаны опытные образцы гибридных автомобилей всех структурных схем.

В случае последовательной схемы двигатель внутреннего сгорания отдает энергию только генератору, который либо питает только тяговый электродвигатель, либо дополнительно заряжает накопитель энергии. При нехватке энергии генератора для обеспечения необходимого режима работы автомобиля тяговый электродвигатель получает дополнительную энергию от накопителя энергии, при избытке ее - отдает избыток в накопитель. При желании возможно на ограниченном протяжении пути движение в режиме электромобиля с выключенным двигателем внутреннего сгорания[17].

В случае параллельной схемы двигатель внутреннего сгорания через соответствующую механическую трансмиссию отдает энергию ведущим колесам автомобиля и через специальную систему отбора мощности может при избытке энергии через генератор питать накопитель энергии, а при дефиците энергии через эту же систему получать дополнительную энергию от накопителя через элементы электротрансмиссии.

Последовательная кинематическая схема комбинированной энергетической установки (рис.2.1. и рис.2.2.) исключает механическую связь колес с первичным источником энергии (например, ДВС). Двигатель является источником энергии для электрогенератора, который, в свою очередь, питает электродвигатели привода колес.

Рис.2.1. Схематическое изображение последовательной схемы

Между генератором и двигателем (двигателями) привода расположен накопитель энергии (батарея аккумуляторов или суперконденсаторов). Накопитель аккумулирует избытки вырабатываемой генератором электроэнергии, получает энергию рекуперации при торможении, обеспечивает пиковые нагрузки на колесах[19].



Рис.2.2. Принципиальная схема последовательной ГСУ

Схема позволяет стабилизировать режим работы первичного двигателя в области максимальной топливной эффективности и минимальных выбросов, исключить конструктивные элементы механической передачи: коробки передач, валы и т.п. Возможно использование двигателя меньшей мощности при сохранении момента привода. Внедрение такой схемы наиболее просто, т.к. можно обеспечить любую компоновку элементов привода (нет передачи энергии по механическому каналу).

Электрическая схема также довольно проста, может быть применена как с ДВС, так и с альтернативными источниками энергии (топливными элементами и т.п.).

К недостаткам схемы относится двойное преобразование энергии (теоретически - ниже КПД), необходимость применения электромашин и силового преобразователя на полную мощность привода, относительно высокая цена комплекта тягового оборудования. Последовательная схема (рис.2.3.) наиболее эффективна при движении транспортного средства в режиме с переменными нагрузками, т.е. в городском режиме. В таком случае, ее достоинства значительно превышают недостатки, а энергия рекуперативного торможения компенсирует недостаточно высокий КПД в стационарном скоростном режиме. Эта схема наиболее выигрышна для применения в городских маршрутных автобусах 12м и более (18 и более тонн).