Uk³ady mechaniczne pojazdów hybrydowych

Transkrypt

1 Monografia dotyczy uk³adów mechanicznych pojazdów z uk³adami napêdu hybrydowego. Zawarto w niej podzia³ napêdów hybrydowych, uwzglêdniaj¹c zarówno aspekty konstrukcyjne, jak i funkcjonalne. Przedstawiono konstrukcje uk³adów napêdu hybrydowego, ze szczególnym uwzglêdnieniem silników spalinowych oraz rozwi¹zañ uk³adów przeniesienia napêdu. Zaprezentowano szeregowe i równoleg³e uk³ady napêdowe. Podano wyniki badañ eksploatacyjnych pojazdów z uk³adami napêdu hybrydowego. Wskazano na rozwijaj¹ce siê hydrauliczne uk³ady hybrydowe oraz dokonano charakterystyki uk³adów akumulacji energii. J. Merkisz I. Pielecha Uk³ady mechaniczne pojazdów hybrydowych Uk³ady mechaniczne pojazdów hybrydowych Jerzy Merkisz Ireneusz Pielecha Uk³ady mechaniczne pojazdów hybrydowych Wydawnictwo Politechniki Poznañskiej

2 Jerzy Merkisz Ireneusz Pielecha Układy mechaniczne pojazdów hybrydowych Poznań 2015 Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej

3 Spis treści Skróty i oznaczenia Wprowadzenie Podział układów napędu hybrydowego Wstęp Konstrukcyjny podział układów napędu hybrydowego Funkcjonalny podział układów napędu hybrydowego Hybrydyzacja układów napędowych Konstrukcje układów napędu hybrydowego Wiadomości wstępne Obiegi silników spalinowych pojazdów hybrydowych Silniki spalinowe układów napędu hybrydowego Silniki spalinowe w układach napędu full hybrid Silniki spalinowe w układach napędowych mild hybrid Wskaźniki pracy silników spalinowych Silniki spalinowe pojazdów range extender Układy napędu hybrydowego Wprowadzenie Układ napędowy firmy Toyota w pojeździe Prius Podstawy systemu dwuzakresowego Układ napędowy firmy Lexus w pojeździe GS450h Układ napędowy firmy GM Układ napędowy firmy Chevrolet Rozwiązania układów napędu hybrydowego Przykłady układów napędu hybrydowego Rozwiązania układów mild hybrid Rozwiązania układów napędowych full hybrid Układy szeregowe napędu hybrydowego Przykłady pojazdów typu range extender Układy napędu hybrydowego pojazdów ciężarowych i autobusów Badania układów napędu hybrydowego Badania układów napędu hybrydowego w warunkach rzeczywistych Badania układów napędu hybrydowego na hamowni podwoziowej

4 4 Spis treści 5. Układy hydrauliczne napędu hybrydowego Wprowadzenie Podział układów hydraulicznych napędu hybrydowego Elementy układu hydraulicznego napędu hybrydowego Konstrukcje układów hydraulicznych napędu hybrydowego Układy akumulacji energii Podział akumulatorów Akumulatory mechaniczne Akumulatory hydrauliczne Zakończenie Literatura

5 Skróty i oznaczenia AC AER AT-PZEV BASM CD CNG CPR CS CVT DC DCT DME DOD DPF E85 eawd ECB EDTM EEA EPA E-RAD ERS ESS EUDC EV EVT alternating current prąd o napięciu przemiennym all electric range zasięg pojazdu w trybie elektrycznym advanced technology partial zero emissions vehicle zaawansowane technologicznie pojazdy o częściowo zerowej emisji spalin belt alternator starter machine napęd silnika spalinowego silnikiem elektrycznym (prądnicą) charge depleting rozładowanie akumulatora compressed natural gas sprężony gaz ziemny common pressure rail ciśnienie cieczy hydraulicznej charge sustaining ładowanie podtrzymujące continuously variable transmission przekładnia o ciągłym zmiennym przełożeniu direct current prąd o napięciu stałym dual clutch transmission przekładnia dwusprzęgłowa digital engine electronics system sterowania silnikiem depth on discharge stopień rozładowania akumulatora diesel particulate filter filtr cząstek stałych mieszanina 15% benzyny i 85% etanolu electric all whell drive elektronicznie sterowany napęd na wszystkie koła pojazdu electronically controlled braking system system elektronicznej kontroli hamowania electrical drive train machine napęd silnikiem elektrycznym European Environment Agency Europejska Agencja Środowiska Environmental Protection Agency Agencja Ochrony Środowiska electric rear axle drive elektryczny napęd tylnej osi energy recovery system układy odzyskiwania energii energy storage system układ gromadzenia energii extra urban driving cycle cykl jezdny pozamiejski testu NEDC electric vehicle pojazd z napędem elektrycznym (zwany także pojazdem elektrycznym) electric variable transmission elektrycznie zmienne przełożenie

6 6 Symbole f FC-HV FE FHSPV FPEG FPLG g e H H 2 HD HEV HHV HLA HMMWV HPI HSD HSM HV, WN i i-dsi i-eloop IMA i-mmd I-SAM KERS LDV Li-Ion frequency częstotliwość fuel cell hybrid vehicle ogniwo paliwowe w układzie napędu hybrydowego fuel economy ekonomika paliwowa flywheel hybrid system for premium vehicles system odzyskiwania energii kinetycznej dla pojazdów klasy premium free piston engine linear generator jednocylindrowy silnik tłokowy zintegrowany z liniowym generatorem prądu free piston linear generator jednocylindrowy silnik tłokowy zintegrowany z generatorem prądu specific fuel consumption jednostkowe zużycie paliwa hybridness stopień hybrydyzacji napędu hydrogen wodór heavy duty pojazd ciężki hybrid electric vehicle pojazd z układem napędu hybrydowego (zwany także pojazdem hybrydowym) hydraulic hybrid vehicle układ hydrauliczny napędu hybrydowego hybrid launch assist układ równoległy napędu hybrydowego high mobility multi-purpose wheeled vehicle wielozadaniowy pojazd kołowy o dużej mobilności high precision injection wysokociśnieniowy wtrysk bezpośredni benzyny hybrid synergy drive trzecia generacja układu napędu hybrydowego firmy Toyota hybrid synchron motor hybrydowy silnik synchroniczny high voltage wysokie napięcie ratio przełożenie intelligent dual-point sequential ignition dwie świece na cylinder intelligent energy loop inteligentne, cykliczne użycie energii w silniku firmy Mazda integrated motor assist zintegrowany rozruszniko-generator firmy Honda intelligent multi-mode drive inteligentny system o dwóch trybach pracy firmy Honda integrated starter alternator motor silnik elektryczny zintegrowany z rozrusznikiem kinetic energy recovery system system odzyskiwania energii kinetycznej wykorzystujący koło zamachowe light duty vehicle lekki pojazd samochodowy lithium-ion battery akumulator litowo-jonowy

7 Symbole 7 LPG liqufied petroleum gas skroplony propan-butan LV, NN low voltage niskie napięcie M torque moment obrotowy MD medium duty vehicle lekki pojazd ciężarowy MDS motor drive system Volvo moduł silnika elektrycznego/generatora firmy Volvo MG motor/generator silnik elektryczny/prądnica MGU-H motor generator unit-heat generator napędzany gazami spalinowymi MGU-K motor generator unit-kinetic generator odzyskujący energię kinetyczną MiEV Mitsubishi innovative electric vehicle innowacyjne pojazdy z napędem elektrycznym firmy Mitsubishi MPI multi point injection wielopunktowy wtrysk benzyny n speed prędkość obrotowa N e power engine moc silnika spalinowego NEDC new european driving cycle nowy europejski cykl jezdny NG natural gas gaz ziemny NiMH nickel-metal hydride battery akumulator niklowo-wodorkowy N mi motor power moc i-tego silnika elektrycznego w pojeździe z układem napędu hybrydowego N V volume power factor objętościowy wskaźnik mocy napędu N w maksymalna moc na kołach pojazdu przenoszona przez układ napędu hybrydowego PCCI premixed charge compression ignition samozapłon wstępnie przygotowanego ładunku PE emission exceed przekroczenie emisji, dotyczy CO 2 p e brake mean effective pressure średnie ciśnienie użyteczne PHEV plug-in hybrid electric vehicle doładowanie pojazdu z układem napędu hybrydowego z sieci elektrycznej P-HEV power-assist hybrid electric vehicle pojazd z układem napędu hybrydowego wykorzystujący silnik elektryczny do wspomagania pracy (mild hybrid) r radius promień RDS regenerative drive system regeneracyjne układy napędowe (hydrauliczne) REEV/PHEV range extender electric vehicle/parallel hybrid electric vehicle układ szeregowo-równoległy REX napędu hybrydowego o zwiększonym zasięgu RESS rechargeable energy storage systems akumulacyjne systemy gromadzenia energii

8 8 Symbole REX SCR SHHV SOC SSC SUV TD TFSI THS TTW U UDDS v VGT V OC WTT z ZEV range extender pojazd z układem napędu hybrydowego o zwiększonym zasięgu selective catalytic reduction system selektywnej redukcji tlenków azotu series hydraulic hybrid vehicle układ szeregowy hydrauliczny napędu hybrydowego state of charge stopień naładowania akumulatora super sport car grupa pojazdów sportowych sport utility vehicle sportowy pojazd użytkowy time density charakterystyka gęstości czasowej turbo fuel stratified injection bezpośredni wtrysk benzyny w silniku doładowanym Toyota hybrid system układ napędu hybrydowego firmy Toyota tank-to-whell sprawność tzw. ciągniona napędu od zbiornika do kół pojazdu voltage napięcie urban dynamometer driving schedule miejski amerykański test jezdny velocity prędkość variable geometry turbocharging turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek kierownicy open circuit voltage napięcie akumulatora bez obciążenia well-to-tank sprawność tzw. ciągniona napędu od wydobycia do zbiornika number of (gear) teeth liczba zębów (koła) zero emission vehicle pojazdy o zerowej emisji spalin compression ratio stopień sprężania efficiency sprawność angular speed prędkość kątowa

9 1 Wprowadzenie Współczesny rozwój układów napędowych pojazdów wiąże się z koniecznością uwzględniania często sprzecznych wymagań, które dotyczą z jednej strony ochrony środowiska przez zmniejszanie emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery, a z drugiej dążenia do uzyskiwania maksymalnych wskaźników pracy tych jednostek. Ciągłe dążenie do zmniejszania zużycia paliwa, a tym samym do zmniejszania emisji dwutlenku węgla (CO 2) skłania do poszukiwania nowych rozwiązań układów napędowych, umożliwiających częściowe lub całkowite zastąpienie nimi silnika spalinowego. Rozwój pojazdów o alternatywnym sposobie zasilania wynika z konieczności spełnienia ograniczeń, dotyczących m.in. emisji dwutlenku węgla. Biorąc także pod uwagę rygorystyczne limity emisji zanieczyszczeń w poszczególnych państwach świata, konieczne okazuje się poszukiwanie rozwiązań e-mobilności. Działania te wiążą się z postępowaniem niektórych państw lub organizacji dotyczącym długoterminowego zmniejszania tej emisji (rys. 1.1). W związku z tym obserwuje się znaczne zmniejszenie emisji CO 2 w krajach lub regionach świata wysoko uprzemysłowionych. W mniej uprzemysłowionych wskazuje się na ograniczone możliwości wprowadzania nowoczesnych technologii na rynku motoryzacyjnym, co może wiązać się z niedoskonałym ustawodawstwem. W ramach strategii zmniejszania emisji gazów cieplarnianych Unia Europejska w 2007 roku wprowadziła limity emisji dwutlenku węgla dla nowych samochodów osobowych. Europejska Agencja Środowiska (EEA European Environment Agency) wspiera Komisję Europejską w monitorowaniu emisji CO 2 z pojazdów osobowych, zgodnie w rozporządzeniem EC 443/2009 [146]. Rozporządzenie to ustanawia poziom emisji dwutlenku węgla do wartości 130 g CO 2/km w 2015 roku (w 2020 roku proponowana wartość ma wynosić 95 g/km). Wartość tę definiuje się jako średnią emitowaną z floty pojazdów każdego z producentów nowo zarejestrowanych pojazdów samochodowych. Założenia te są wprowadzane stopniowo od 2012 roku. Ustalono również średnią wartość emisji CO 2 na podstawie średniej masy z floty pojazdów: