1250

Пошук і використання альтернативних джерел палива

Курсовая

Энергетика

Аналіз основних напрямків розвитку альтернативного палива у світі. Використання газових та водневих вдигунів. Індикаторна діаграма циклу Отто. Паралельна схема роботи гібридів. Схема роботи двигуна Civic Hybrid. Функціональні системи автомобіля Toyota Prius. Аналіз схемних рішень електрозапалювання робочої суміші. Мікропроцесорна система запалювання.

Украинкский

2013-01-06

876.5 KB

27 чел.

ВСТУП

Економічна і стратегічна цінність вуглеводневих джерел енергії - нафти і газу, - яка зростає у геометричній прогресії; високі ціни на нафту у зв'язку зі зростаючим попитом з боку країн південно-східної Азії, що бурхливо розвиваються; прагнення країн Європи та Америки знизити свою залежність від постачань нафти, - все це примушує автовиробників шукати шляхи радикального підвищення економічності автомобілів і зниження залежності від нафтових постачань. До того ж екологічні проблеми, пов'язані з автотранспортом, давно вже стали не лише темою наукових дискусій, але і злободенним предметом практики, оскільки шкідливі речовини, що містяться у відпрацьованих газах автомобільних двигунів, завдають величезні збитки здоров'ю людей і навколишньому середовищу. Вирішення цих проблем вимагає узгодження автотранспортних енергетичних установок з певними критеріями:

  •  зі здатністю використовувати альтернативне паливо;
  •  зі зниженням шкідливих викидів;
  •  зі зниженням вжитку пального на одиницю роботи.

Спільним для всіх цих критеріїв є пошук нових джерел енергії, тобто такого альтернативного палива, яке б змогло задовольнити всі потреби та відповідати всім вимогам нашого енергозалежного світу.


1 АНАЛІЗ ОСНОВНИХ НАПРЯМКІВ РОЗВИТКУ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ПАЛИВА У СВІТІ

1.1 Рослинне паливо

Використання рослинних олій у якості моторного палива відоме давно. Спочатку біодизелем називали суміш мінерального дизельного палива з рапсовою олією. У даний час в західних країнах поняттям «біодизель» визначається метиловий метил-індиго ефір, який має властивості горючого матеріалу і який можна отримати в результаті хімічної реакції з рослинних жирів. Саме ефіри рослинних олій можна назвати справжнім біодизелем. Проте фахівці вважають, що розробка спеціальних двигунів малоефективна. Низький потенціал рослинної сировини в порівнянні з абсолютним споживанням дизельного пального стають причиною того, що на автотранспорті доцільніше використовувати рапсовий метиловий метил-індиго ефір (RME) в звичайних дизелях, а не сиру олію в спеціальних двигунах, а це у свою чергу не вирішує основних проблем паливної ситуації.

Рапсова олія відрізняється від дизельного пального температурою кипіння. У дизеля вона наближається до 100°C, у RME - біля 320°C. При низькому навантаженні дизеля температура поршня знижується. Рапсове паливо, що має підвищену температуру кипіння і яке осіло на охолодженому поршні, вже не випаровується і не запалюється при змішуванні з повітрям. Паливо, яке при цьому не згоряє, рухається вниз, потрапляє до картера, де з'єднується зі змащувальним мастилом, внаслідок чого мастило розріджується, розріджує і RME, а це надалі може призвести до поломки дизельного двигуна.

За своїми властивостями рапсова олія багато в чому відрізняється від дизпалива. Це, перш за все, стосується в'язкості - найважливішого параметра, який визначає якість розпилювання і згоряння пального. В'язкість олії може бути знижена нагріванням чи розрідженням за рахунок додавання дизельного палива. Рапсова олія, будучи більш в'язкотекучою, ніж дизельне паливо, при використанні у якості пального має бути досить теплим. За дуже низьких температур воно вимагає підігріву.

Рапсова олія не може тривало використовуватися у звичайних дизелях з безпосереднім уприскуванням, оскільки вона повністю не згорає. Результатом цього, окрім змішування зі змащувальним мастилом, є поява продуктів коксування, що відкладаються на форсунках, поршнях і поршневих кільцях.

Таким чином, RME завдяки процесу етерифікації за характеристиками подібне до дизельного пального. Це пальне може застосовуватися на будь-яких типах дизелів. Оскільки всі дизелі, як правило, оптимізовані для використання дизельного палива, то переходу на RME повинне передувати додаткове калібрування системи уприскування, яке поліпшує згоряння. Проте RME не вирішує ні екологічних, ні економічних проблем. За забрудненням воно не дуже відрізняються від дизеля, а якщо врахувати ґрунти, які через 5...7 років після висадження на них рапсу стають непридатними, то стає не зрозуміло, від чого більший негативний вплив на екологію. Щодо економії, то подорожчання зернових культур (чиї ґрунти віддані під рапс) виводить це джерело енергії далеко не на передові позиції.

1.2 Дизельне паливо

Відомо, що дизельне паливо порівнянно з іншими альтернативними видами палива має екологічні та економічні переваги. Але достатньо лише уявити, що станеться, коли всіх власників автомобілів перевести на дизпаливо. По-перше, не вистачить самого полива. Адже у світі ще не знайшли спосіб самостійно синтезувати дизпаливо, тому воно так і залишається продуктом переробки нафти. По-друге, при переході усіх на дизель екологічне становище у світі не набагато покращиться, адже каталізатора вистачає десь на 5 років, а після цього дизель вже не екологічний. Перераховане стосується можливого майбутнього, але поглянемо на сьогодення, а саме на експлуатацію дизеля в нашій країні. Порівняймо хоча б наше дизпаливо і європейське, саме те, під яке проектують високо економічні двигуни. Дизельне має бути прозорим майже як вода, і в ньому не повинно бути синього домішку. А подивившись на паливо,яке заливають в баки власники дизельних автомобілів в нашій країні, можна побачити густо-синій відтінок, який вказує на наявність твердих домішок, а отже на неякісне очищення. Потрапляючи в паливний насос і форсунки дизеля (деталі з дуже високою точністю виготовлення), домішки в паливі зношують їх, і в результаті, поступово збільшуються витрати палива і зменшується тяга двигуна. Типова ознака сильно зношеної паливної апаратури дизеля - наявність чорного вихлопу, що говорить про неповне згоряння палива. Звичайно, проблеми з паливною апаратурою у дизелів починаються не одразу, перші кілька років власники таких автомобілів можуть заливати в баки тракторно-суднову солярку. Але потім обовязково необхідний ремонт або недешева заміна паливної апаратури.

1.3 Водень

Водень - дуже перспективний енергоносій, що дозволяє одночасно вирішити складні екологічні проблеми, коли це стосується двигуна внутрішнього згоряння, який використовує водень у якості енергоносія. При його згорянні (екзотермічній реакції окислення киснем, що швидко протікає) виходять лише вода і тепло. Ще утворюються оксиди азоту, кількість яких залежить від температури згоряння суміші в циліндрі двигуна. Важливо, що у водневих двигунах температура згоряння палива на режимах міської експлуатації значно нижча, ніж у вуглеводневих (бензинових, спиртних, метанових, пропан-бутанових та ін.). Очевидно, що під "водневим" двигуном Маємо на увазі електричний, який одержує енергію від реакції сполучення водню і кисню в паливних елементах. Ще існує вуглеводневе паливо, але про нього говоримо, бо з нього утворюється при спалюванні багато токсичних сполук, серед яких сажа, - далеко не найшкідливіша.

І хоча водень екологічно чистий вид палива і має високий ККД, але транспортні засоби на ньому мають низьку питому потужність і порівняно не дешеві, оскільки містять дорогі метали. До цього і ще є проблеми зі зберіганням водню на їх борту. До устаткування обладнання та інфраструктури водневої енергетики висуваються високі вимоги щодо надійності, безпеки і кваліфікації обслуговуючого персоналу, оскільки зберігання водню здійснюється за надвисокого тиску або наднизьких температур. Водень у суміші з повітрям надзвичайно вибухонебезпечний. Зріджування водню вимагає дорогого прецизійного обладнання та значних витрат енергії. Перед практичним застосуванням водню постають економічні проблеми. Вільного водню в природі майже не існує. Його необхідно отримувати, розкладаючи сполуки у той чи інший спосіб. Один із найбільш відомих - електроліз води. Однак при надлишку електроенергії (наприклад, на АЕС чи ГЕС) він є рентабельним. Найдешевший шлях отримання водню - парова конверсія метану.

У водню низька детонаційна стійкість, тому в сучасних двигунах, що мають великий ступінь компресії, його використовувати на всіх режимах роботи неможливо. Через це необхідно або підмішувати водень у бензин, або проектувати нові двигуни.

1.4 Етиловий спирт

Непоганих успіхів у використанні альтернативного пального досягли південноамериканські країни, де значну частину автомобілів уже заправляють етанолом Е-85 (85% етилового спирту і 15% бензину). Спеціально для цього ринку німецька компанія Bosch розробила систему керування Bosch Flex Fuel, яка дозволяє автомобільному двигуну працювати на етиловому спирті й бензині, змішаних у будь-яких пропорціях (система нагороджена винагородою Міністерством науки і технологій Бразилії). Вже зараз сімдесят відсотків зареєстрованих у Бразилії нових автомобілів оснащено такою системою. Різке подорожчання цукру на світовому ринку безпосередньо пов'язане з переведенням південноамериканських автопарків на етанол. Головним джерелом одержання паливного спирту є цукор-сирець, що виробляється з очерету. Але, як бачимо, залежність від бензину все одно залишається. Та і у економічному плані такий вид палива ненайкращий.

1.5 Газові двигуни

Нині використання газових двигунів переживає друге народження, і це пов'язано з низкою переваг цього виду палива:

  •  значно менше зношення основних деталей завдяки досконалішому сумішоутворенню і згорянню;
  •  покращені умови змащування у циліндрі внаслідок повнішого згоряння повітряної суміші;
  •  зменшується утворення нагару на голівці блоку і на поршнях, оскільки зменшується вуглецевий осад, внаслідок чого не накопичуються смолянисті відкладення в камері згоряння;
  •  збільшується термін служби свічок запалювання;
  •  пробіг автомобіля «від ремонту до ремонту», порівняно з бензиновим

 двигуном, суттєво збільшується;

  •  знижується рівень шуму працюючого двигуна (при правильно вибраному режимі);
  •  помітно знижується сумарна токсичність вихлопних газів;
  •  газове паливо значно дешевше за бензин.

Газові двигуни, як відомо, мають низку переваг, але при цьому запаси газу в світі обмежені, і це не вирішує економічних проблем. Тим більше є ще декілька недоліків:

  •  порівняно з бензином збільшується літраж споживаного палива;
  •  можуть виникнути труднощі з придбанням запасних деталей;
  •  висуваються високі вимоги щодо надійності, безпеки і кваліфікації обслуговування, оскільки газ вибухонебезпечний;
  •  потужність двигуна зменшується в середньому на 7%.

1.5 Електромобіль

Роботи зі створення екологічно чистого автомобіля ведуться у різних напрямках, один з яких - електромобілі.

Створення і використання електромобіля має низку проблем:

  •  у середньому автомобілі мають незначний пробіг на одній зарядці акумуляторних батарей (приблизно 100...150 км.);
  •  зарядка акумуляторних батарей займає, як правило, декілька годин;
  •  акумулятори гірше працюють в холодну погоду, значна частка ємність (до 20...30 %) знижується при низьких температурах.

Враховуючи все це, можна назвати електромобіль поки що далеким майбутнім. Для вирішення цих проблем має значення створення електрогібридного автомобіля, який має джерело енергії для заряджання головної акумуляторної батареї і додаткового постачання електроенергії для живлення тягового електродвигуна автомобіля. Джерело енергії для заряджання головної акумуляторної батареї працює на екологічно чистому паливі, або такому, що менш за все забруднює навколишнє середовище.

Головна перевага гібридного електромобіля полягає в зменшенні викидів і підвищенні ефективності (ККД), тому що джерело енергії працює в стабільному режимі там,  де це найефективніше.

1.6 Гібридні двигуни

Цього року двигун внутрішнього згоряння згоряти відзначатиме свій 149-й день народження з того дня, як у  1860 році французський механік Е. Ленуар сконструював перший робочий газовий двигун. Цей мотор був вибагливий і недосконалий.

У 1866 році відомий винахідник Н. Отто запропонував світові власну, досконалу на ті часи конструкцію 4-тактного газового двигуна. Ті процеси, що відбуваються при цьому в циліндрах під час впускання горючої суміші, її стиск, розширення продуктів згоряння і випуску відпрацьованих газів, зазвичай відображаються на так званій індикаторній діаграмі (рис. 1.1). Це залежність тиску в циліндрі від його поточного об'єму під час всіх чотирьох тактів робочого процесу.

Розглянемо особливості принципу циклу Отто.

Рисунок 1.1 - Індикаторна діаграма циклу Отто

Початок робочого ходу. Поршень дійшов до верхньої робочої точки (ВМТ), суміш бензину і повітря вже згоріла і утворила розжарені гази. Відповідно, тиск підскочив до максимуму. Гази, розширюючись, штовхають поршень вниз, при цьому збільшується об'єм над поршнем і одночасно падає тиск газів. Поршень доходить до нижньої мертвої точки (НМТ), на цьому закінчується робочий хід і відкривається випускний клапан, випускаючи відпрацьовані гази. Далі поршень піднімається вгору, витискаючи відпрацьовані гази. У ВМТ закривається випускний клапан і відкривається впускний, сполучуючи циліндр із впускним колектором. Такт впускання. Поршень переміщується вниз і всмоктує свіжу горючу суміш. Дійшовши до НМТ, - закривається впускний клапан. Такт стиску, при якому збільшується тиск в надпоршневім об'ємі. Дійшовши до ВМТ, між електродами свічки з'являється іскра, від неї займається суміш. Цикл Отто, замкнувся. Так працюють всі чотиритактні двигуни. Але багато учених намагались удосконалити цей процес. Британський інженер Д. Аткінсон ще до війни придумав свій цикл, який ненабагато відрізняється від циклу Отто. Головні відмінності його циклу: об'єм камери згоряння (при тому ж робочому об'ємі) менший, і відповідно, вище ступінь стиску. Тому сама верхня точка на індикаторній діаграмі розташовується лівіше, в області меншого об'єму над поршнем. І ступінь розширення також більший, а отже, ефективніше на більшому ході поршня використовується енергія відпрацьованих газів.

Рисунок 1.2 - Хід витискання

Якби данний процес відбувався за циклом Отто і впускний клапан закрився б в НМТ, то крива стиску пройшла б угорі, і тиск укінці такту виявився б надмірним - адже ступінь стиску більший. Після іскри відбувся б не спалах суміші, а детонаційний вибух. Але Джеймс Аткінсон вирішив продовжити фазу впускання - поршень доходить до НМТ і йде угору, а впускний клапан тим часом залишається відкритим приблизно до половини повного ходу поршня (рис. 1.2).

Частка свіжої горючої суміші при цьому виштовхується назад у впускний колектор, що підвищує там тиск, точніше, зменшує розрідження. Це дозволяє на малих і середніх навантаженнях більше відкривати дросельну заслінку. Саме через це лінія впускання на діаграмі циклу Аткінсона проходить вище і насосні втрати двигуна виявляються нижчими, ніж у циклі Отто. Закриття впускного клапана і початок стиску відбуваються набагато пізніше (рис. 1.3), а отже такт стиску, коли закривається впускний клапан, починається при меншому об'ємі над поршнем.

Рисунок 1.3 - Хід стиску

Здавалося би, що для створення двигуна із циклом Аткінсона досить зробити вище ступінь стиску і змінити профіль впускних кулачків. Але для досягнення добрих динамічних показників у всьому робочому діапазоні обертів двигуна треба компенсувати витискання горючої суміші під час впускного циклу, застосовуючи надув, у даному випадку - механічний нагнітач. А його привід відбирає у двигуна велику частку тієї енергії, що вдається зберігти на насосних і випускних втратах.

Застосування цього циклу на безнадувному двигуні стало можливим завдяки роботі в полегшеному режимі, як наприклад на Toyota Prius.

Відразу після другої світової війни американець Ральф Міллер, експериментуючи із судновими двигунами, видозмінив цикл Аткінсона.

Цикл Міллера - це вдосконалений варіант циклу Отто. Порівняно зі звичайними двигунами, він розвиває хороший крутний момент при меншому споживанні палива. Внаслідок того, що цикл Міллера ефективніше використовує енергію згоряння, для отримання тих самих характеристик двигуна. І оскільки це двигун меншого об'єму, він споживає меншу кількість палива, що дозволяє вважати компактний двигун циклу Міллера екологічно чистішим, ніж звичайні двигуни.

Основною особливістю двигуна циклу Міллера є те, що тривалість тактів неоднакова, а це спричиняє різницю у ступені стиску і ступені розширення. Крім того, щоб помістити більше суміші в циліндри, використовується спеціальний компресор. У циклі Отто тривалість тактів однакова для всіх. Отже, ступінь стиску для повітряно-паливної суміші дорівнює ступеню розширення для газів - продуктів згоряння. Вищий ступінь розширення означає, що за той самий час може бути виконано більшу кількість роботи, що збільшує ефективність двигуна. Проте ступінь стиску відповідно підвищується, а вище за певний поріг його підняти неможливо - виникає детонація. У двигуні циклу Міллера для зниження ступеня стиску використовується затримка впускного клапана у відкритому положенні ще якийсь час на початку циклу стиску, що дозволяє частині суміші повернутися у впускний трубопровід. Таким чином, стиск починається не у момент проходження поршнем НМТ, а значно пізніше, коли він вже пройшов 1/5 шляху до ВМТ, що і сприяє зниженню ступеня стиску, а це запобігає детонації. При цьому стиск частково відбувається поза циліндром за рахунок роботи компресора. Отже, тривалість такту робочого ходу (і хід поршня, що відповідає йому) виявляються на 20 % більше, ніж тривалість такту стиску.

Таким чином англійський інженер Джеймс Аткінсон запропонував схему роботи ДВЗ, у якому тривалість фаз стиску і розширення встановлювалася незалежно. Система стала придатною для практичної реалізації після доопрацювання її американським спеціалістом Міллером. Цикл Міллера забезпечує високу ефективність і оптимальний теплообмін, однак виникає проблема при реалізації, адже важко досягти високої потужності, хіба що за наявності наддуву. Тому використання потенційно корисного технічного рішення зводиться до мінімуму. Але у випадку гібрида технологія виявляється дуже успішною і оптимальною.

Схема роботи гібридної силової установки проста. Під капотом автомобіля розташовані два двигуна: бензиновий і тяговий електричний. У міських заторах або під час руху із малим навантаженням на невеликій швидкості у роботу вступає електродвигун, який отримує енергію від акумуляторної батареї. Бензиновий двигун при цьому не працює і палива не споживає.

На трасі або при великому завантаженні працює тільки бензиновий двигун. При цьому пов'язаний з ним генератор заряджає тягову батарею, а електродвигун "відпочиває". У тих випадках, коли потрібно виконати критичний маневр (екстрений обгін або ривок під гору), запускаються обидва мотори. Проте багато часу в гібридному автомобілі працює електричний двигун - це дозволяє економити до 25% бензину.

Існують три різні схеми роботи гібридів:

  •  послідовна схема (рис. 1.4). У цьому випадку ДВЗ приводить у рух генератор, а вироблювана генератором електроенергія подається на електродвигун, що обертає ведучі колеса. Ця схема називається послідовною, оскільки потік потужності надходить на ведучі колеса, піддаючись низці перетворень. Від механічної енергії, що утворюється за допомогою ДВЗ в електричну енергію, вироблювану генератором, і знову в механічну. Така схема дозволяє експлуатувати ДВЗ малої потужності за умови його постійної роботи в діапазоні максимального ККД. Це дозволить стабільно генерувати необхідну кількість енергії для роботи електродвигуна і заряду акумулятора;

Рисунок 1.4 - Послідовна схема гібридів

  •  паралельна схема (рис. 1.5). Ведучі колеса приводять у рух і ДВЗ, і електродвигун. Момент, який надходить від обох джерел, перерозподіляється відповідно до умов руху автомобіля. Акумулятор заряджається під час переходу електродвигуна у режим генератора (наприклад, при гальмуванні), а енергія, яку запасла батарея, живить генератор, який перемкнувся у режим електродвигуна і обертає ведучі колеса. Подібна конструкція досить проста, але має низку недоліків, унаслідок того, що двигун гібридної силової установки не може одночасно приводити в рух колеса і заряджати батарею;
  •  послідовно-паралельна схема. Ця схема об'єднує в собі дві попередні схеми. Тут, залежно від умов руху автомобіля, використовується тяга електромотора або одночасно ДВЗ і електромотор. Окрім цього, якщо необхідно, система здатна приводити колеса в рух і одночасно виробляти електроенергію на генераторі. Досягається максимальна ефективність роботи силової установки.

Розглянемо принципи роботи системи при різних маневрах.

Початок руху. Для початку руху і на малих швидкостях використовується тільки лише електромотор. При плавному русі енергія акумуляторної батареї подається на блок керування електроживленням. Блок керування електроживленням спрямовує енергію на електромотори, що дозволяє плавно рушати з місця.

Рисунок 1.5 - Паралельна схема роботи гібридів

Рух у нормальному режимі. В цьому випадку енергія на ведучі колеса подається з ДВЗ і електромотора. Енергія бензинового двигуна перерозподіляється між колесами і електричним генератором, що приводить в рух електромотори. За необхідності генератор реалізує заряд батареї, віддаючи акумулятору надлишки енергії. У цілях досягнення максимальної ефективності, розподіл енергії контролюється електронним блоком керування. При русі в цьому режимі система автоматично переходить на передній привід, тоді як у решті всіх режимів зберігається повний

Розгін. Бензиновий двигун дає машині прискорення, працюючи в нормальному режимі, якщо це необхідно. Для кращої розгінної динаміки додаткова енергія надходить від електромоторів. Створюється відчуття, що ДВЗ набагато потужніший, ніж насправді.

Гальмування. Для оптимізації кількості енергії, що зберігається, гальмівна система, керована електронікою, вирішує, коли слід використовувати гідравлічну систему, а коли - регенеративне гальмування. При регенеративному гальмуванні передній і задній електродвигуни працюють в генераторному режимі, створюючи гальмівний момент на передній і задній осях. Генерована енергія подається на блок керування електроживленням, а потім - на високовольтну батарею.

У даний момент лідируючі місця з розробок і виготовлення гібридних автомобілів посідають такі гіганти автомобілебудування, як Toyota і Honda.

Компанія Honda - один з декількох автовиробників, які пропонують покупцям гібриди. Серед них - Civic Hybrid.

Як і Civic минулого покоління, фірмова гібридна система має назву Integrated Motor Assist (IMA ) - інтегрований допоміжний двигун (рис 1.6). Він має практично усі переваги гібрида, однак  порівняно з іншими схемами, відрізняється найбільшою компактністю. Фактично, IMA - це потужний обертовий електромотор-генератор, який замінив собою маховик ДВЗ.

Додаткове у силовій установці - це ємкі і потужні батареї, цілий комплекс перетворювачів струму току (електромотор наприклад - змінного струму, синхронний, напруга - 158 В ), система керування і власне ДВЗ.

Але спочатку - про електрику. Всі її компоненти стали або компактніші, або легші, а деякі - і те, й інше разом. Загальні габаритні показники всього гібридного комплексу стали менше на 5%, притому, що сумарна потужність легковика виросла приблизно на 20%. Зокрема, електромотор наростив м'язи в 1,5 рази, зберігши колишні габарити. На 30% зросла вихідна потужність батарей (при цьому вони стали компактнішими ), і на 10% зросла енергія, що повертається в батареї при уповільненні.

До речі, новий ДВЗ із об'ємом обсягом 1339 см3, розвиває 71кВт (95 к.с.), а електромотор IMA - 15 кВт (20 к.с.). Витрата палива пального скоротилася на 5% (в порівнянні з нинішнім теперішнім гібридом Civic ). Все це досягнуто завдяки двом принциповим нововведенням. По-перше, Civic Hybrid став інакше розпоряджатися своїми двома двигунами на різних режимах і, зокрема, тепер при рівномірному русі на помірній швидкості Civic автоматично вимикає ДВЗ і їде тільки лише за рахунок електромотора. По-друге, ДВЗ машини - це ще одна фірмова прем'єра. Перед нами економічний і чистий (для бензинового) двигун із черговим поколінням системи активної зміни фаз газорозподілу.

Рисунок 1.6 - Інтегрований допоміжний двигун Civic Hybrid

Ще в новому ДВЗ було зроблено низку заходів щодо зниження тертя, зокрема - нові поршні менше розширюються при нагріві, ніж у попередніх моторах Civic, а поршневі кільця отримали спеціальне антифрикційне покриття.

Взагалі, рух на новому Civic Hybrid виглядає так: доки машина стоїть - ДВЗ не працює, із початком руху запускаються ДВЗ (у режимі роботи клапанів - "економічний") і електромотор на помірній потужності - одночасно.

Рисунок 1.7 - Схема роботи двигуна Civic Hybrid

Потужне прискорення перекладає ДВЗ у режим високих обертів (змінюються час відкриття і підйом клапанів), електромотор же продовжує свою допомогу, але також нарощує власну потужність. Спокійний рівномірний рух повністю гасить ДВЗ - машина перетворюється на електромобіль. При плавному прискоренні або рівномірному русі з високою швидкістю працює, навпаки, тільки лише бензиновий мотор, але в економічному режимі газорозподілу. Уповільнення - ДВЗ знову відключається, IMA переходить в режим генерації електроенергії і запасає її в батареї.

Розглядаючи цикл Аткінсона, а саме його застосування, ми вже згадували один із гібридних автомобілів Toyota Prius.

Toyota Prius серійний автомобіль з гібридною силовою установкою, в якій об'єднані двигун внутрішнього згоряння, генератор змінного струму, тяговий електромотор і акумулятор. Узгоджену роботу на всіх режимах забезпечують планетарний механізм, перетворювачі струму і головний комп'ютер. Цей автомобіль дозволив вирішити чотири найважливіші завдання. Перш за все зменшені в 10 разів викиди шкідливих речовин в атмосферу. (На несприятливих режимах руху, коли токсичність вихлопу максимальна, в роботу включається електродвигун.)

Рисунок 1.8 - Функціональні системи автомобіля Toyota Prius 

По-друге, вдалося істотно понизити масу електричної частини силової установки.

У третіх, немає необхідності заряджати акумулятор від зовнішнього джерела - батареї живляться від бортової енергетичної установки.

У четвертих, такому автомобілю не потрібна коробка передач. Зміна сили тяги на провідних колесах відбувається автоматично, завдяки "природженим" властивостям електромотора змінного струму.

Силова установка Toyota Prius вельми цікава. Це двигун внутрішнього згоряння, що працює в парі з тяговим електромотором змінного струму (30 кВт при 940...2000 об/хв). Комп'ютер самостійно, залежно від умов руху, визначає ступінь участі кожного з них. Обидва (або кожен порізно) обертають через редуктор передні ведучі колеса.

Встановлений за двигуном внутрішнього згоряння планетарний механізм розділяє потік потужності на дві гілки: одна йде до редуктора головної передачі, інша - до генератора змінного струму. Той заряджає через перетворювач акумулятор, від якого при необхідності поступає енергія (через перетворювач) в тяговий електромотор.

У 2003 році випущена нова модель Toyota Prius II, яка б'є всі рекорди продажів. Загальний спільний ККД Prius II (так би мовити, розрахований за повним цілковитому шляхом колії енергії від бака до коліс) - 37%, проти 16% у бензинового аналога (при роботі в "японському" стандартному міському циклі).

Новий Prius II значно "покращав" - його відрізняє стильний, обтічний екстер'єр. Салон став просторіший і "підріс" багажник. Нова версія стала помітно жвавіше, але, не дивлячись на це, економічніше попередньою - тепер "гібрид" на одному літрі бензину може пройти 35,5 км. (2,8 л/100 км.). Prius II може похвалитися не тільки незвичайною системою двигуна - але і використанням передових технологій. По своїй оснащеності ними він не поступається іншим автомобілям представницького класу. Наприклад, в стандартній комплектації передбачена вдосконалена система паралельної парковки, що допомагає водієві точно зупиняти автомобіль, розпізнає власника по відбитках пальців, двигун включається не поворотом ключа - а натисненням кнопки, - прямо як у нової фешенебельної 7-ої моделі БМВ. Крім того машина, задовольняє всім вимогам найжорсткіших екологічних стандартів.

Важко знайти ще один бензиновий автомобіль, який володіє такою економічністю і екологічністью.


2 Аналіз схемних рішень електрозапалювання робочої суміші

Як бачимо, використання ДВЗ неминуче на даному етапі розвитку автомобілебудування. І тому для досягнення максимальної економії необхідно користуватися найбільш економічним його режимом, а саме роботою на збідненій суміші. Таку роботу нам можуть забезпечити тільки сучасні системи запалювання, які не лише відповідають необхідним параметрам новітніх двигунів, але і пристосовуються до необхідних умов. Такими умовами можуть бути бензин нижчого октанового числа, неякісний бензин та ін. Спершу спробуємо розглянути ситуацію щодо розвитку систем запалювання.

2.1 Загальні відомості

Система запалювання призначена для запалювання робочої суміші в циліндрах бензинових двигунів. Основними вимогами до системи запалювання є:

  •  забезпечення іскри у потрібному циліндрі (що знаходиться в такті стиснення) відповідно до порядку роботи циліндрів;
  •  своєчасність моменту запалювання. Іскра повинна з'являтися в певний момент (момент запалювання) відповідно до оптимального кута випередження, який залежить, перш за все, від оборотів двигуна і навантаження на двигун;
  •  достатня енергія іскри. Кількість енергії, необхідної для надійного запалювання робочої суміші, залежить від складу, густини і температури робочої суміші;
  •  загальною умовою для системи запалювання є її надійність (забезпечення безперервності утворення іскри).

Несправність системи запалювання викликає помилки як при запуску, так і при роботі двигуна:

  •  трудність або неможливість запуску двигуна;
  •  нерівномірність роботи ;
  •  детонація, пов'язана з невірним моментом запалювання і що викликає дуже швидке зношення двигуна;
  •  порушення роботи інших електронних систем за рахунок високого рівня електромагнітних перешкод і ін.

2.2 Класифікація систем запалювання

Існує безліч типів систем запалювання. Найчастіше системи запалювання розрізняються по:

  •  системі визначення моменту запалювання;
  •  системі розподілу високовольтної енергії по циліндрах.

При аналізі роботи систем запалювання досліджуються основні параметри утворення іскри, значення яких практично не відрізняється в різних системах запалювання:

  •  кут замкнутого стану контактів (КЗСК, Dwell angle) - кут, на який встигає обернутися колінчастий вал від моменту накопичення енергії (у контактній системі - моменту замикання контактів переривника; у інших системах - моменту спрацьовування силового транзисторного ключа) до моменту виникнення іскри (у контактній системі - моменту розмикання контактів переривника). Хоча у прямому розумінні даний термін можна застосувати тільки до контактної системи - він умовно застосовується для систем запалювання будь-яких типів;
  •  кут випередження запалювання (КВЗ, Advance angle) - кут, на який встигає обернутися колінчастий вал від моменту виникнення іскри до моменту досягнення відповідним циліндром верхньої мертвої точки (ВМТ).

Одна з основних завдань системи запалювання будь-якого типу - забезпечення оптимального кута випередження запалювання (фактично - оптимального моменту запалювання). Оптимально підпалювати суміш до підходу поршня до ВМТ в такті стиснення - щоб після досягнення поршнем ВМТ гази встигли набрати максимальний тиск і досягнути максимально корисної роботи на такті робочого ходу. Також будь-яка система запалювання забезпечує взаємозв'язок кута випередження запалювання з оборотами двигуна і навантаженням на двигун.

При збільшенні оборотів, швидкість руху поршнів збільшується, при цьому час згоряння суміші практично не змінюється - тому момент запалювання повинний наступати трохи раніше - відповідно при збільшенні оборотів, КВЗ треба збільшувати.

На однаковій частоті обертання колінчатого валу двигуна, положення дросельної заслінки може бути різним. Це означає, що в циліндрах утворюватиметься суміш різного складу. А швидкість згоряння робочої суміші якраз і залежить від її складу. При повністю відкритій педалі газу суміш згоряє швидше і підпалювати її потрібно пізніше - відповідно при збільшенні навантаження на двигун, КВЗ треба зменшувати. І навпаки, коли дросельна заслінка прикрита, швидкість згоряє робочої суміші падає, тому кут випередження запалювання повинний бути збільшений:

  •  напруга пробою - напруга у вторинному ланцюзі у момент утворення іскри,фактично - максимальна напруга у вторинному ланцюзі;
  •  напруга горіння - умовно стала напруга у вторинному ланцюзі протягом періоду горіння іскри;
  •  час горіння - тривалість періоду горіння іскри.

Розглянемо узагальнену структуру класичної системи запалювання (рис 2.1 ).

1 - АКБ;

2 - вимикач запалювання;

3 - пристрій керування накопиченням енергії;

4 - накопичувач енергії;

5 - розподільник запалення;

6 - дроти високої напруги;

7 - свічки запалювання

Рисунок 2.1 - Узагальнена структура системи запалювання

Щодо класичної системи запалювання (рис. 2.2) - це найстаріша з існуючих систем, - фактично вона є ровесницею самого автомобіля. За межею такі системи припинили серійно встановлювати в основному до кінця 1980-х років, у нас такі системи на "класику" встановлюються дотепер.

Стисло принцип роботи виглядає таким чином - живлення від бортової мережі подається на первинну обмотку котушки запалювання через механічний переривник. Переривник пов'язаний з колінчастим валом, що забезпечує замикання і розмикання його контактів в потрібний момент. При замиканні контактів починається зарядка первинної обмотки котушки, при розмиканні первинна обмотка розряджається, але у вторинній обмотці наводитися струм високої напруги, який, через розподільник, також пов'язаний з колінчастим валом, поступає на потрібну свічку.

Рисунок 2.2 - Схема класичної системи запалювання

Також в цій системі присутні механізми коректування випередження запалювання - відцентровий і вакуумний регулятори.

Кут випередження запалювання (Ignition Timing) - фактичний кут випередження запалювання, з яким двигун працює на конкретному циклі, з урахуванням поправки, внесеної до цього кута залежно від фактичної інтенсивності детонації. Цей важливий показник контролюють регулятори випередження запалювання

Відцентровій регулятор випередження запалювання (рис. 2.3) призначений для зміни моменту виникнення іскри між електродами свічок запалювання, поклад від швидкості обертання колінчатого валу двигуна.

1 - кулачок переривника;

2 - втулка кулачків;

3 - рухома пластина;

4 - важки;

5 - шпильки важків;

6 - опорна пластина;

7 - приводний вал;

8 - стягнуті пружини

Рисунок 2.3 - Відцентровій регулятор випередження запалювання

Відцентровій регулятор випередження запалювання знаходиться в корпусі переривника- розподільника. Він складається з двох плоских металевих важків, кожний з яких одним зі своїх кінців закріплений на опорній пластині, жорстко сполученої з приводним валом. Шпильки важків входять в прорізі рухомої пластини, на якій закріплена втулка кулачків переривника. Пластина з втулкою мають нагоду провертатися на невеликий кут щодо приводного валу переривника-розподільника. У міру збільшення числа оборотів колінчатого валу двигуна, збільшується і частота обертання валу переривника- розподільника. Вагарі, підкоряючись відцентровій силі, розходяться в сторони і зсовують втулку кулачків переривника "у відрив" від приводного валу. Тобто кулачок який набігає повертається на деякий кут по ходу обертання назустріч молоточку контактів. Відповідно контакти розмикаються раніше, кут випередження запалювання збільшується.

а - кут випередження запалювання - зменшений;

б - кут випередження запалювання - збільшений

Рисунок 2.4 - Вакуумний регулятор кута випередження запалювання

При зменшенні швидкості обертання приводного валу, відцентрова сила зменшуються і, під впливом пружин, важки повертаються на місце - кут випередження запалювання зменшується.

Вакуумній регулятор випередження запалювання (рис 2.4) призначений для зміни моменту виникнення іскри між електродами свічок запалювання, поклад від навантаження на двигун.

2.3 Система запалювання з транзисторним комутатором

Транзисторний комутатор з безконтактним датчиком - генератором імпульсів (індуктивного типу, типу Холу або оптичного типу) і перетворювачем його сигналів. У цьому випадку замість механічного переривника використовується датчик - генератор імпульсів з перетворювачем сигналів, який управляє тільки транзисторним комутатором, який, у свою чергу, управляє накопичувачем енергії.

Рисунок 2.5 - Система запалювання з транзисторним комутатором

2.4 Загальна схема безконтактної системи запалювання

Одна з модифікацій цієї системи з механічним розподільником і котушкою запалювання, окремо що стоїть від розподільника і комутатора отримала назву, що встояла, "безконтактна система запалювання (БСЗ)".

Щодо регулятор випередження запалювання, то тут вже з'являється електроніка, датчики ЕДС Холу,силові транзисторні і тиристори ключі. Йде спроба підвищити надійність і довговічність системи керування ДВС. Механічні автомати з пружинками прибрали, залишили 4 віконця в розподільнику, встановили датчик ЕДС Холу, і генератор, - ця система вже працює більш краще і постабільніше.

Рисунок 2.6 - Загальна схема безконтактної системи запалювання

2.5 Мікропроцесорна система запалювання

Мікропроцесорний блок керування запалюванням (або блок керування двигуном з підсистемою керування запалюванням) - з датчиками і комутатором. Системі запалювання, в яких застосовується такий варіант керування запалюванням мають загальну назву мікропроцесорні системи запалювання. У цьому випадку блок керування одержує інформацію про роботові двигуна (обороти, положення колінчатого валу, положення розподільного валу, навантаження на двигун, температура охолоджуючої рідини і ін.) від датчиків і за наслідками алгоритмічної обробки цих даних управляє комутатором, який, у свою чергу, управляє накопичувачем енергії. Регулювання випередження запалювання реалізовано програмно в блоці керування.

Комутаторі в мікропроцесорних системах запалювання також називаються "запальник" (igniter).

Рисунок 2.7 - Мікропроцесорна система запалювання

Електронній блок керування (ЕБУ, Есu, PCM) - саме він виконує в системі головну роль. Його робота полягає в зборі інформації від датчиків (для керування запалюванням основними датчиками є датчик положення колінчатого валу, датчик положення розподільного валу, датчик детонації, датчик кута відкриття дросельної заслінки), розрахунку оптимального моменту запалювання і годині зарядки котушки і конкретно керування через комутатор первинним ланцюгом котушки. На сучасних автомобілях блок керування системою запалювання з'єднаний з блоком керування уприскуванням палива.

Основними недоліками безконтактних систем запалювання є: механічний спосіб розподілу енергії по циліндрах двигуна, недосконалість механічних автоматів кута випередження запалювання, погрішності моменту іскроутворення  через механічну передачу від колінчатого вала двигуна до розподільника.

Найбільше повно відповідають всім вимогам, пропонованим до сучасних систем запалювання, системи з електронним регулюванням кута випередження запалювання. Серед способів реалізації цих систем можна виділити два основних - аналоговий і цифровий.

Аналоговий спосіб ставиться до електронних систем запалювання більше раннього покоління, коли елементарна база, використовувана для їхньої побудови, мала малий ступінь інтеграції. Цифрові системи запалювання  є більше зробленими. В основу їхньої роботи покладені принципи, широко застосовувані в обчислювальній техніці, зокрема  імпульсний метод обробки сигналів. При цьому високий і низький рівні імпульсного сигналу прийнято позначати цифрами відповідно "1" і "0". Звідси й назва системи - цифрова система запалювання. Цифрові блоки керування (контролери) являють собою невеликі, різні по складності обчислювачі, порядок роботи яких задається спеціальним алгоритмом.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45299. Классификация радиорелейных линий связи. РРЛ прямой видимости: принципы построения, методы разделения каналов 75.5 KB
  РРЛ прямой видимости: принципы построения методы разделения каналов. Тропосферные РРЛ. Радиорелейные линии РРЛ представляют собой цепочку приемопередающих радиостанций оконечных промежуточных узловых которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию прием преобразование усиление и пе редачу передаваемых сигналов. Классификация радиорелейных линий В зависимости от используемого вида распространения радиоволн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные.
45300. Спутниковые системы связи. Принцип действия, классификация. Примеры спутниковых систем связи 47.5 KB
  Спутниковые системы связи. Примеры спутниковых систем связи. СС отличаются орбитами спутников: формой круговая эллиптическая высота над Землёй наклон к экватору экваториальные полярные наклонные. На ней несколько сотен спутников что потребовало международного регулирования.
45301. Классификация и особенности транкинговых систем связи. Системы подвижной радиосвязи: принципы построения и функционирования, диапазоны частот, методы аналоговой и цифровой модуляции, методы кодирования, управление в СПС 104.5 KB
  Используемый частотный диапазон 400 450 800 900 1800 1900 МГц 2. Возможность роуминга Эстафетная передача Принцип выбора базовой станции с наибольшим уровнем сигнала MPS800 усовершенствованная мобильная телефонная служба диапазон частот 800МГц. Система работает в диапазоне 824894 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине полосы каждого канала 30КГц. Диапазон частот 825890 МГц.
45302. Характеристики систем подвижной связи. Стандарт сотовых систем связи (ССС). Пути усовершенствования ССС 45 KB
  Характеристики систем подвижной связи. Стандарт сотовых систем связи ССС. Системы подвижной радиосвязи предназначены для связи между движущимся абонентом и абонентом ТФОП или между двумя движущимися абонентами. Виды систем связи подвижной службы К основным видам ССПС относятся: региональные мобильные системы наземной связи; глобальные мобильные системы спутниковой связи; системы персонального радиовызова СПРВ.
45303. Стандарт GSM: услуги, архитектура, назначение узлов MSC, кодирование и модуляция, интерфейсы, каналы сигнализации и трафика, хэндовер, протоколы, частотный план структура кадров трафика и управления, речевое кодирование 1.08 MB
  Стандарт GSM: услуги архитектура назначение узлов MSC кодирование и модуляция интерфейсы каналы сигнализации и трафика хэндовер протоколы частотный план структура кадров трафика и управления речевое кодирование. Система сотовой связи стандарта GSM. Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26 Европейских национальных телефонных компаний. В 1989 году Европейский Телекоммуникационный Институт Стандартов ETSI взял ответственность за дальнейшее развитие GSM.
45304. Стандарт CDMA: услуги, архитектура, кодирование и модуляция, прямые и обратные каналы трафика и управления, хэндовер и управление мощностью, борьба с многолучевостью. Кодирование в прямом и обратном каналах. Достоинства и недостатки CDMA 4.39 MB
  Стандарт CDM: услуги архитектура кодирование и модуляция прямые и обратные каналы трафика и управления хэндовер и управление мощностью борьба с многолучевостью. Достоинства и недостатки CDM. CDM англ. 1995 год – коммерческая эксплуатация первой СПС с CDM.
45305. Перспективный план нумерации для ЕСЭ РФ. Отличия нумерации в СПС, нумерация в GSM. Перспективы развития плана нумерации 342.1 KB
  Перспективный план нумерации для ЕСЭ РФ. Отличия нумерации в СПС нумерация в GSM. Перспективы развития плана нумерации. Под системой нумерации понимается совокупность правил позволяющих идентифицировать сети их фрагменты а также вызывающих и вызываемых пользователей.
45306. Сотовые сеты связи третьего поколения. Концепция, отличительные черты, услуги. Основные стандарты, их характеристика, пути развития. Цели проекта IMT-2000 92.86 KB
  Радиоинтерфейсы: IMTDS – использует DSCDM и FDD IMTMC – использует MCCDM и FDD IMTTC – использует TDM CDM и TDD IMTSС – использует TDM и FDD IMTFT – MCTDM и FDD TDD IMT dvnced – для систем связи с одновременной передачей нескольких ортогональных несущих OFDM и FDD. Характеристика систем 3 поколения Системы основанные на CDM WCDM: Разработана японской фирмой REB. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDM хотя например GPRS может многократно транслироваться через сеть CDM. Отличия от CDM One – отсутствие...
45307. Система UMTS: архитектура, состав и назначение узлов UTRAN и CN. Контроллер радиосети RNC. Центр коммутации, типы каналов: логические, транспортные, физические. Частотный план, кодирование речи, управление мощностью 164.12 KB
  Центр коммутации типы каналов: логические транспортные физические. UE должно обеспечивать: передачу речи с принятым для системы набором скоростей услуги служб видеоконференции и приложений видеотелефонии использующие как коммутацию каналов так и пакетов; услуги Internet со скоростями 4736 кбит с в обычном режиме и с mx возможной скоростью в режиме best effort негарантированное обслуживание с наилучшими из возможных в данный момент характеристиками; удаленный доступ к локальным сетям; приложения электронной почты. Контроллер...