УЧИЛИЩЕ ЗА ХИБРИДНИ АВТОМОБИЛИ. Урок първи. Лекция 3 TOYOTA PRIUS HONDA LEXUS

УЧИЛИЩЕ ЗА ХИБРИДНИ АВТОМОБИЛИ.

ШКОЛАТА на Пламен Пеев. Урок първи. Лекция 3

Можем да видим възела в който си взаимодействат двата мотор/генератора със слънчевото колело на устройството за разпределение на мощността (PSD) – Планетарен механизъм – HSD Hybrid Synergy Drive.

устройството за разпределение на мощността (PSD)

Двата мотор/генератора със слънчевото колело на устройството за разпределение на мощността (PSD)

Ще започнем с ДВГ. Забележка: В тази част от разговора ние ще говорим само за тези особености, които се различават от традиционните конструкции транспортно средство ТС. Предполагам, че читателите (слушателите) са добре запознати с конструкцията на ДВГ на традиционните автомобили.

И още. По време на разговора за ДВГ на Приус20 трябва да се има предвид, че конкретните параметри на неговата конструкция са се отразили много положително за ефективността на транспортното средство. От гледна точка на ремонта, такъв двигател по нищо не се отличава от своите обикновени събратя и не изисква никакво по специално внимание. Но за правилното разбиране на хибридната технология знанията за конструкцията на тези двигатели са много полезни. Въпросите, които могат да се появят у читателя ще получат отговори в следващите раздели, посветени на конкретният модел хибриден автомобил.

Мотора на Toyota Echo за Европа Toyota Yaris

И така ДВГ. Приус20 притежава бензинов двигател с вътрешно горене, с обем 1497 см3. В Приус30 и последващите модификации обемът е увеличен до 1.8л. Тойота означава двигателя на Приус20 като1NZ-FXE, който често е бъркан с мотора на Toyota Echo за Европа Toyota Yaris и можем да разберем защо. В Yaris моторът се означава като 1NZ-FE. Конструкцията на двата двигателя е много близка. И двата са четирицилиндрови редови 16- клапанни двигатели, при които въртенето на двата колянови вала се извършва от верига. И двата са снабдени с еднакви колектори и т.н. Освен това еднакви са и размерите на цилиндрите и клапаните. И така диаметрите и хода на буталото и у двата модела са 75мм и 84мм. Но двигателите са съществено различни: ДВГ на Приус работи по цикъла на Аткинсон (Atkinson), а Toyota Yaris работи по цикъла на Ото (Otto).

TOYOTA PRIUS HONDA LEXUS

 Приус - инвертор

Сглобен вид на силовия агрегат. На преден план добре се вижда инвертора на единия електродвигател.

Съвсем накратко ще разгледаме конструкцията на традиционния ДВГ, без да изпадаме в подробности, освен моментите в които се намалява неговата ефективност. Бензиновият двигател на почти всеки съвременен автомобил работи по цикъла на Ото. Работата на такива двигатели се характеризира с четири такта: впръскване, сгъстяване, изгаряне (работен ход) и изпускане с отваряне и затваряне на клапаните близо до края на такта.

Достойнството на двигателя на Ото се състои във високата термодинамична ефективност, заключаваща се в превъзходното съотношение енергия/тегло и в конструктивната надеждност на агрегата от гледна точка на нейната простота. Повечето усъвършенствания внедрени в двигателите работещи по цикъла на ото са свързани с увеличаване на ефективността и съкращаване на вредните емисии. Производителят в името на казаното намалява теглото и губи мощност и надеждност. Случват ли се Чудеса?

 

Инвертор на електродвигател

Инверторът на електродвигателя с автономната система за охлаждане.

Ще разгледаме къде и по какъв начин се губи ефективността. Известно е, че съвременния ДВГ, работещ по цикъла но Ото, притежава най-голяма ефективност КПД в интервала 40-45% от максимално допустимата скорост на въртене на коляновия вал. Този режим на движение още се нарича оптимален. А най-висок въртящ момент двигателя достига в интервала 70-80% от максимално допустимата скорост на въртене на коляновия вал.

Значи, достигането на максимален въртящ момент винаги води до намаляване на КПД на двигателя. Защо? Защото всяко вдигане на оборотите на коляновия вал над оптималните е свързано с нарастване на загубите от триене. И така се наричат – загуби от триене. Същественото вдигане на оборотите на коляновия вал в името на достигане на необходимия момент се обезпечава с обогатяване на работната смес, а това е загуба на ефективност. А при по-ниски обороти от оптималните двигателя страда от явлението, което наричат помпени загуби (за това ще говорим по късно).

TOYOTA PRIUS HONDA LEXUS

Разрез на ДВГ на хибридния автомобил Тойота Приус

Разрез на редовия 16-клапанен ДВГ на хибридния автомобил Тойота Приус, работещ по цикъла на Аткинсон.

Да се върнем към автомобила Toyota Yaris. Пиковата мощност на двигателя му е 108 к.с. , а най-ефективна работа има, когато двигателя развива мощност 35-50 к.с. Струва ми се, че тогава при избор на двигател за даден автомобил трябва да се ръководим от следното . Мотора за да работи в оптимален режим трябва да обезпечава само 40% от максималната мощност, която може да развие. А такъв автомобил за да се движи със скорост 105 км/ч по хоризонтален път му стигат 15 к.с. При по-малка скорост дори по-малко. От друга страна, ако на такъв автомобил сложим дори 30 к.с. за да развие 100 км/ч ще му трябват повече от 30 сек.

Но Toyota Yaris, както забелязахме, притежава двигател с мощност 108 к.с. и притежава прилично ускорение. Затова автомобил с двигател 30 к.с. не можем да се ускоряваме съгласно нашите очаквания, и няма да има добра динамика. А това означава, че през по-голямата част от движение автомобила ще работи в режим, при който характеристиката на мощността се намира по-ниско от зелената зона на ефективност. В резултат огромна част от горивото ще се изразходва напразно. Този негативен конструктивен дефект е характерен за всички автомобили, работещи по цикъла на Ото. Специалистите наричат това Проблем с частичната мощност.

Главната причина, за загуба на ефективност в режимите на експлоатация на ДВГ, се нарича помпени загуби. Как да накараме двигателя на Ото да дава 20 к.с. вместо 108 к.с.? Елементарно Уотсън – намаляваме потока на въздух в цилиндрите като притворим дроселната клапа. Ще отбележим между впрочем, че такъв режим на работа принуждава двигателя да дърпа въздух през тесен процеп, създавайки разреждане  във всмукателния колектор. За това малко по надолу.

Ако изключим тази особеност на горивната система на съвременния автомобил, която при това ще започне да компенсира недополучената порция гориво с допълнителното и впръскване, то можем ли да твърдим, че задачата за ефективност е решена? Доколкото въздухът, попадащ в цилиндрите в течение на тракта, получава по-малък въздушно-горивен заряд, двигателя работи с намалена мощност, което е и нашата цел.

Но трябва да се съгласим, че това не е така просто. Създавайки ефект на частичен вакум ние вършим работа, т.е. изразходваме допълнителна енергия. Каква? Когато буталото слиза надолу при такта на всмукване, налягането в подцилиндровото пространство и частичния вакум в горната част на цилиндъра – над буталото, чрез бутало – мотовилковия възел, създават съпротивление на въртенето на коляновия вал. Това намалява изходната мощност на двигателя и мисля, че точно към това се стремим. Но този ефект се получава за сметка на изразходвано напразно гориво, а ние точно това се стремим да избегнем.

TOYOTA PRIUS HONDA LEXUS
Аткинсон - хибридно автостроене

А ето и героят на днешната повест. Конструкцията на Аткинсон е намерила своето достойно място в хибридното автостроене.

Забележете, че автомобилите страдат от помпени загуби дори и на високи обороти. Дроселната клапа се отваря напълно само при ускорение или при изкачване на стръмен наклон. Известно е, че дизеловите двигатели са лишени от този проблем, защото при тях няма дроселна клапа. Низката мощност се постига с просто намаляване на горивото. Това е една от причините дизеловите автомобили да притежават по-висока ефективност. Дадения метод не може да бъде използlан едно към едно в бензиновите двигатели. Това е така, защото температурата на горене на работната смес при намаляване на кислорода става твърде висока, което може да доведе до прогаряне на буталото и клапаните.

Преобразуването на химическата енергия в механическа в цилиндровия двигател се съсредоточава около работния ход. Горивовъздушната смес изгаря бързо и създава налягане поради взривообразното изгаряне на сместа. Това налягане действа на дъното на буталото и с помощта на  коляно – мотовилковия механизъм завърта коляновия вал. Пропорцията на химическата енергия, която се е преобразувала в механическа или в топлина зависи от степента на разширение. Този параметър съответства на отношението между свободния обем в цилиндъра в момента на запалване на сместа и свободния обем на цилиндъра в момента на отваряне на изпускателния клапан. Колкото е по–голямо това съотношение, толкова повече енергия се използва за завъртане на коляновия вал.

За съжаление има предел на степента на сгъстяване, по-високо от която сместа не гори равномерно и предизвиква детонация. Някои източници приписват това на самовъзпламеняване, т.е. явлението когато сместа се запалва спонтанно преди подаването на искра. Тук има смисъл да отбележим само, че двигателя на Ото е конструиран така, че да не допуска появата на самовъзпламеняване при зададеното октаново число на горивото. Такъв двигател не е способен да обезпечи големи степени на разширение на работните газове.

Следва продължение

инж. Пламен Пеев

Bookmark and Share
Copyright © 2018 Service Hybrid. All rights reserved.