Сибирский «гибрид»

Сибирский «гибрид»
Мощность автомобильных двигателей в последние два десятилетия
неуклонно возрастала. Водитель, покупая новый автомобиль, хотел от
него одного — как можно быстрее набрать скорость, агрессивнее
маневрировать на шоссе при обгонах и легче преодолевать подъёмы.
Итогом этой битвы за лошадей стала большая избыточная мощность
при равномерном движении по шоссе и на городских магистралях,
огромный расход бензина и большой выброс вредных веществ в
атмосферу.
Сейчас эта тенденция пошла на убыль, появились новые технологии,
позволяющие более рационально использовать сжигаемое углеводородное
топливо. Одна из них — гибридные силовые установки. Различные комбинации
двигателя внутреннего сгорания с одним или двумя электромоторами
значительно повышают удельный пробег автомобиля, уменьшают общее потребление топлива и резко снижают
вредные выбросы. При трогании с места, на забитых транспортом городских улицах с многочисленными светофорами
или в пробках, когда машины то останавливаются, то проезжают несколько метров, гибридный автомобиль двигается
на одном электромоторе. При равномерном движении на шоссе достаточно двигателя внутреннего сгорания. При
ускорении на шоссе или на подъёме могут работать одновременно обе силовые установки. Электромотор питается
током от блока высокоэффективных (никель-металлогидридных) аккумуляторов, которые подзаряжаются при
движении по инерции, на спуске, при торможении или остановках, когда двигатель внутреннего сгорания не
выключается. В качестве управляющего микропроцессора, как правило, применяется сигнальный процессор,
который оптимизирует процесс старта или разгона. Далее этот же процессор дает команду на начало работы ДВС,
что происходит при достаточно больших оборотах коленчатого вала ДВС, при которых сжигание горючего идет уже
достаточно эффективно. Одновременно процессор переводит электродвигатель (стартер) в режим генератора,
производящего энергию для бортового оборудования и для подзарядки аккумулятора, следит за зарядкой
накопительного конденсатора и за процессами зарядки-разрядки аккумулятора, стабилизирует выходное
напряжение генератора и т.д.
Наибольшего успеха в этом направлении достигла, пожалуй, компания Toyota со своей моделью Prius, которая
начала продаваться в Японии в конце 90-х. В течение нескольких лет шла интенсивная работа по
совершенствованию гибридных систем, в первую очередь для оптимизации соотношения мощностей двигателя
внутреннего сгорания и электромоторов, отработке конструкции последних, повышению надёжности электроники и
т.д. Применение алюминия и пластиков, уменьшающих вес машины, способствовало повышению мощности и
улучшению динамических свойств автомобиля. Ещё одной удачной моделью как с конструктивной, так и с
коммерческой точки зрения, стала Honda Civic Hybrid. Но оказалось, и российским ученым есть что
продемонстрировать мировой автомобильной промышленности. В середине апреля в Новосибирске были
обнародованы сенсационные данные: ученые Новосибирского государственного технического университета
совместно со специалистами Института ядерной физики создали гибридный двигатель для АвтоВАЗа! Чтобы узнать
об этом изобретении все подробности, мы решили обратиться к первоисточникам — специалистам кафедры
электромеханики НГТУ.
Стартер-генератор
Начиная с 2000 года НГТУ совместно с ИЯФ СО РАН разрабатывает стартер-генераторное устройство для
автомобилей класса ВАЗ-2110. Ученые из Академгородка занимались разработкой контроллера, который управляет
устройством, а НГТУ отвечал собственно за механическую часть. В основу устройства легла электрическая машина,
разработанная учеными кафедры электромеханики НГТУ ещё в 1985 году, задолго до начала испытаний первых
гибридных двигателей в Японии. Это многополюсная синхронная машина с постоянными магнитами и дробными
зубцовыми обмотками. Другие типы машин просто не в состоянии выполнять эту задачу по ряду причин:
асинхронная машина имеет как минимум в два раза большие габариты и массу, а индукторные машины
неэффективны из-за необходимости выполнения воздушного зазора большой величины, помимо этого, в них
невозможно получение больших форсировок момента.
Сам стартер-генератор представляет собой урезанный вариант гибридного двигателя. Он не имеет мощного
накопителя энергии (аккумуляторной батареи). Его функцию выполняет энергоемкий конденсатор, которого хватает
на то, чтобы несколько раз уверенно запустить двигатель и даже приводить автомобиль в движение, правда, не
надолго. Таким образом, стартер-генераторное устройство (СГУ) позволяет автомобилю исправно работать в так
называемом старт-стопном режиме. О том, что это такое, рассказывает доктор технических наук, заведующий
кафедрой электромеханики НГТУ Александр Шевченко: «Старт-стопный режим позволяет, как только автомобиль
подъехал к перекрестку, сразу глушить двигатель. Как только водителю нужно ехать дальше, он давит на педаль
газа. За доли секунды стартер-генератор раскручивает двигатель на холостом ходу до 700 оборотов в минуту, после
чего осуществляет запуск двигателя. Оставшаяся в конденсаторе энергия также помогает в первое время разгонять
автомобиль. Обычный стартер перед запуском раскручивает двигатель до 200 об/мин. При этом большая часть
топлива, затраченная на запуск, не сгорает и выбрасывается через выхлопную трубу. Более того, в условиях
напряженного движения СГУ может несколько раз проехать на незначительное расстояние абсолютно не задействуя
двигатель внутреннего сгорания». Таким образом, добавив к СГУ высокоэффективный никель-металлогидридный
аккумулятор, мы получим полноценный гибридный автомобиль, который будет подключать электродвигатель при
высоких нагрузках и подзаряжаться при слабой загрузке двигателя. Пока в
России таких батарей, к сожалению нет, но как только такой недорогой
аккумулятор появится, можно будет создавать полноценный гибрид. По
словам профессора Шевченко, серьёзных доработок двигателя для этого
не потребуется.
Конструкция электрической машины СГУ приведена на рисунке. Следует
заметить, что вал ротора электрической машины является продолжением
коленчатого вала ДВС, что избавляет конструкцию от зубчатых и/или
клиноременных передач. При диаметре расточки статора 244 мм и длине
пакета статора 40 мм СГУ в режиме стартера развивает усилие на валу с
моментом до 200 Нм. Его выходная мощность в режиме генератора на
частоте вращения 1200 об/мин. составляет около 4 кВт, а на частоте
вращения 4000 об/мин. кратковременно до 20 кВт.
Система включает электромеханическую часть (электродвигатель, он же генератор), силовой преобразователь и
управляющую электронику — контроллер. К электронике контроллера СГУ подводятся сигналы датчиков положения
ротора двигателя, датчика положения педалей акселератора, тормоза и сцепления и, конечно, управление от ключа
зажигания. Для наблюдения за работой СГУ контроллер может быть подключен к внешнему персональному
компьютеру по обычному последовательному COM порту. Питание управляющей электроники СГУ осуществляется от
аккумулятора бортовой сети автомобиля.
Силовой преобразователь СГУ предназначен для выполнения следующих функций:
— подача питающих напряжений на обмотки статора от накопительного конденсатора в режиме «Стартера»;
— приемка выходного напряжения (мощности) с обмоток статора в режиме «Генератора»;
— зарядка накопительного конденсатора от аккумулятора;
— зарядка аккумулятора от накопительного конденсатора;
— зарядка аккумулятора от накопительного конденсатора.
Стендовые испытания
В феврале 2002г. макетный образец стартер-генератора в комплекте со стендовым силовым преобразователем и
управляющим программным обеспечением был испытан на стендах в НГТУ, а затем в Институте ядерной физики СО
РАН при участии представителей АвтоВАЗа. В ходе испытаний были получены следующие результаты:
В стартерном режиме стартер-генератор за 0.2 секунды разгоняется до 750 об/мин. с нагрузкой, момент инерции
которой приблизительно эквивалентен моменту ДВС.
Максимальный момент сил, полученный на стенде при нулевых оборотах и при токе в обмотках статора 140А,
равнялся 170 Нм. Благодаря наличию предварительно заряженного суперконденсатора, такой момент обеспечивался
в течение 1 секунды практически без потребления тока от аккумулятора (в этот интервал времени). Момент 140-150
Нм обеспечивался в течение 2 секунд, а момент 90-100 Нм удерживался в течение достаточно длительного времени
(более 10 секунд). Эти результаты получены при напряжении на суперконденсаторе всего около 150В (22.5кДж),
тогда как он может быть заряжен до 300В (90кДж).
Оценки показывают, что стартер-генератор с полученными характеристиками позволит разогнать автомобиль до 4050 км/ч (по ровной дороге) только на запасенной электрической энергии.
В начале 2003г. модифицированный комплект СГУ (мотор-генератор и электроника) был испытан на стенде АвтоВАЗ
в комплекте с ДВС 2112 (в отделе функциональных испытаний УСИ ДТР ОАО «АВТОВАЗ»). Получены положительные
результаты в следующих основных режимах:
— режим стартера при отключенных двигателе и нагрузке;
— режим стартера и пуска двигателя без маховой массы;
— режим стартера, пуска двигателя и разгона автомобиля (стенд с эквивалентной маховой массой 1.2 т).
Часть экспериментальных результатов приведена на осциллограммах, полученных по информации, измеренной
сигнальным процессором в режиме реального времени и снятых с экрана переносного компьютера.
При разгоне стартера совместно с коленвалом ДВС при начальном напряжении на накопительной ёмкости около 140
вольт. Из осциллограмм видно, что двигатель достигает 600 об/мин. (уровень холостых оборотов двигателя) за 0.40.5 сек. Запасенной энергии в накопительном конденсаторе при стартовом напряжении около 80 вольт достаточно
для запуска: ДВС завёлся приблизительно через 0.4 сек после старта.
В данный момент СГУ, разработанное в Сибири, установлено на один из автомобилей «десятого» семейства ВАЗ и
уже проходит дорожные испытания. Согласно регламенту испытаний, устройство должно пройти несколько тысяч
километров, после чего руководство завода должно принять решение о том, какие автомобили будут оснащаться
новой установкой. Скорее всего, окончательный протокол дорожных испытаний станет доступен не раньше осени.
Но уже сейчас можно констатировать, что стартер-генераторное устройство, состоящее из электромеханического
модуля и модулей силовой и управляющей электроники, способно перевести обычный автомобиль в класс гибридных
автомобилей с реализацией режима разгона на электрическом приводе с последующим включением ДВС, а также
режима торможения с частичным возвращением энергии движения в
электрическую энергию конденсаторной батареи и аккумулятора. Что же
касается конкретных изменений в плане расхода топлива и снижения
вредных выбросов в атмосферу, которые могут будут достигнуты в
результате применения данного устройства на ВАЗовских моделях,
конкретные цифры можно будет назвать только после завершения
испытаний. Мировой опыт эксплуатации гибридных автомобилей
свидетельствует о том, что расход топлива при использовании таких
двигателей падает примерно на 20% в городском режиме.
А теперь внимание! Посмотрите. Это тоже стратер-генераторное
устройство с небезызвестного автомобиля Honda Civic Hybrid. Не правда ли
очень похож на наш? Только российская разработка несколько проще. Она
не требует сложной системы охлаждения, которая имеется у японского
устройства. Когда мы спросили у Александра Федоровича Шевченко о
надежности и долговечности их изобретения в случае его появления на
автомобилях, один из авторов этого устройства заверил, что в случае
правильной организации производства в данном узле практически нечему
ломаться.
Сейчас уже активно решается вопрос о выборе площадки для
производства новосибирского СГУ. Ученые заинтересованы в том, чтобы
такое предприятие нашлось в Сибири, или хотя бы в России. Но если этого
не случится, у группы авторов этого проекта уже есть предложения от
ряда зарубежных компаний, которые готовы вложить в это производство
необходимые средства.