Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Современное развитие транспорта характеризуется неуклонным повышением массы машин и скоростей их движения. При этом значительно возрастает роль кинетической энергии в общем энергетическом балансе машины. Этому способствует также тенденция к увеличению КПД энергетических установок (двигателей), трансмиссий и ходовых частей машины.
Для большинства транспортных машин характерен цикличный график-работы, включающий необходимую остановку в конце цикла. Сюда можно отнести машины пригородного и городского транспорта (за исключением эскалаторов и движущихся тротуаров), и ряд других. Для остановки машины кинетическая энергия должна быть каким-либо образом поглощена, что достигается обычно ее переводом в тепло с последующей диссипацией при помощи различных устройств – механических, электрических, гидравлических и прочее.
Анализ использованной при этом энергии показывает, что для боль-шинства транспортных машин она составляет значительную часть общей энергии, затраченной двигателем. Так, например, при регулярном импульсивном движении автобуса с максимальной скоростью движения 60 км/час и расстоянии между остановками 300 м для совершения полезной работы (перемещения экипажа) используется около 25 % общей энергии двигателя, остальная ее часть (соответствующая кинетической) поглощается при торможении. Для рельсового транспорта доля потерянной энергии значительно больше из-за высокого КПД рельсового хода. Так, при том же регулярном импульсивном цикле используется немногим более 10 % затраченной энергии, остальная энергия расходуется на торможение. В реальных условиях городской транспорт не работает по регулярному импульсивному циклу и редко развивает высокие скорости. Но даже при этом энергия, поглощаемая тормозами, все же составляет 30–40 % общей энергии.
В пригороде расстояние между остановками больше, чем в городе, но выше скорости движения. Поэтому показатели полезно затрачиваемой и рассеиваемой энергии пригородного транспорта аналогичны городскому.
Такое положение приводит к вынужденному ограничению скоростей движения, увеличению расстояния между остановками и в конечном итоге к значительному снижению эффективности машин. В связи с этим использование энергии торможения для последующего разгона машины сулит большие выгоды как с точки зрения повышения общей эффективности, так и значительного улучшения тормозных качеств транспортных машин. [1]
На практике иногда применяется свободное качение (накат) за счет накопленной кинетической энергии. Однако, как показали многочисленные исследования, например на автомобильном транспорте, регулярное использование наката нерентабельно вследствие незначительного интервала скоростей импульсивного движения, износа силового агрегата, ухудшения устойчивости движения и других причин.
Наиболее рациональное использование кинетической энергии может быть осуществлено путем ее рекуперации в момент торможения.
Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно не крутому уклону вниз и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.
В основном, рекуперативным торможением оборудуются электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭД в режим генератора. В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный (так как тяговый ток в контактной сети переменный), однако эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей [2].
Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение. Одно из исполнений системы рекуперации электрической энергии представлено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Система рекуперация кинетической энергии
на легковом автомобиле
Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобиле. Для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы и другие устройства. Самым радикальным представляется метод рекуперации кинетической энергии посредством накопления ее в каком-либо собственном аккумуляторе с дальнейшим выделением для последующего разгона машины.
В настоящее время в технике наиболее распространены электрические, гидравлические и механические аккумуляторы энергии. Для аккумулирования механической энергии иногда применяются статические (пружинные) аккумуляторы, но из-за малой энергоемкости они не годятся для аккумулирования энергии торможения автомобиля.
Энергию торможения выгодно аккумулировать в маховике, однако при этом некоторые трудности возникают из-за привода, соединяющего трансмиссию тормозимой машины с маховиком. Привод должен обеспечивать весьма широкий диапазон бесступенчатого изменения передаточного отношения при достаточно высоком КПД и мощности. Это вызвано тем, что в процессе замедления машины маховик разгоняется, а в процессе разгона машины – замедляется, причем при максимальной скорости одной массы скорость второй приближается к нулю.
Так же, широкое применение мощных маховиков для хранения энергии в автомобилях сдерживалось их большими габаритами и массой. Решить эту проблему может создание маховиков с очень высокой скоростью вращения (десятки тысяч оборотов в минуту). В этом случае массу и размеры маховика удается заметно уменьшить.
Использование эффективных высокоскоростных маховиков в гибридных автомобилях считается весьма перспективным. При использовании маховика механическая энергия не требует преобразования в другие виды энергии, удается избежать связанных с такими преобразованиями потерь. С другой стороны, маховик достаточно быстро теряет энергию из-за того, что его вращению препятствует сила трения. Однако в благоприятном для гибридов режиме движения с частыми разгонами и остановками потери от трения не столь страшны, так как запасенная при торможении энергия достаточно быстро высвобождается при разгоне.
Самым известным проектом по внедрению гибридного привода на базе маховика стал проект KERS (система рекуперации кинетической энергии), реализуемый совместными усилиями компаний Flybrid Systems, Torotrak и Xtrac. В 2009 году эта система была внедрена на гоночные автомобили формулы-1.
Гибридная система KERS основана на высокоскоростном маховике, представленном на рисунке 1.2, из стали и углеродного волокна, который вращается со скоростью 60000 оборотов в минуту в вакуумной камере. Маховик подключается к трансмиссии через несколько зубчатых передач с фиксированным передаточным числом, сцепление и вариатор. Система при массе в 24 кг обеспечивает передачу мощности в 60 кВт в обе стороны и может запасать до 600 кДж энергии с учетом потерь. Особая гордость создателей KERS – это система герметизации вакуумной камеры. Сама система KERS помимо Формулы-1 может использоваться в других спортивных машинах, а также и в обычных автомобилях и даже в поездах. [3]
Рисунок 1.2 – Маховик для автомобилей формулы-1
В последнее время широкое распространение получили гидравлические системы для рекуперации кинетической энергии. Эти системы имеют потенциальную возможность применения их на дизель-поездах, так как двигатель внутреннего сгорания связывает с колесными парами гидравлическая передача.
Суть работы таких систем заключается в следующем: в процессе торможения гидравлическая жидкость перетекает из резервуара низкого давления в гидроаккумулятор, запасенная таким образом энергия затем используется, например, когда автомобиль начинает движение или интенсивно разгоняется.
В числе первых созданием гидравлических гибридов занялась американская корпорация Eaton, в которой были разработаны сразу две схемы. Первая из них получила название HLA (Hydraulic Launch Assist, что означает «гидравлическая помощь запуску») и предназначена для использования в качестве вспомогательного привода в тяжелых машинах, эксплуатирующихся в городском цикле с частыми остановками.
Работает HLA в двух режимах: накопления энергии и ее повторного использования. В процессе торможения (рисунок 1.3) HLA сохраняет до 70% кинетической энергии машины в гидроаккумуляторе, где рабочая жидкость через разделительную мембрану сжимает газообразный азот.
Рисунок 1.3 – Система HLA в режиме торможения
Запасенную таким образом энергию можно затем использовать для облегчения старта или разгона (рисунок 1.4). При разгоне жидкость меняет направление, насос переключается в режим гидромотора, отдавая крутящий момент в трансмиссию. В этом случае крутящий момент на ведущих колесах создается одновременно дизельным двигателем и гидромотором. Имеется также экономичный режим, при котором движение осуществляется только за счет гидропривода.
Рисунок 1.4 – Система HLA в режиме разгона
Вторая схема, названная производителем последовательной, была разработана Eaton в сотрудничестве с компанией International Trucks. Известно, что она нашла свое практическое применение на автомобилях почтовой службы UPS. В экспериментальном гибридном фургоне гидравлическая система Eaton полностью заменяет механическую трансмиссию. Дизельный двигатель приводит в действие насос, нагнетающий рабочую жидкость в гидроаккумулятор. Затем жидкость из накопителя поступает в гидромотор, связанный непосредственно с ведущим мостом. Такая схема дает еще одно преимущество: силовой агрегат постоянно работает в оптимальном режиме (с минимальным выбросом отработавших газов) вне зависимости от нагрузки. Дополнительная «подзарядка» гидроаккумулятора осуществляется за счет рекуперативного торможения. Благодаря запасенной энергии фургон может ездить и с выключенным дизелем, вовсе не выбрасывая вредных веществ в атмосферу.
Eaton – не единственная корпорация, разрабатывающая гидравлические гибридные проекты. В этой области работает и другой крупный игрок – немецкая компания Bosch Rexroth. На прошлогодней автобусной выставке в бельгийском Кортрейке предприятие группы Bosch представило гидравлическую систему рекуперативного торможения HRB (Hydrostatic Regenerative Braking), предназначенную для автобусов и тяжелых грузовиков.
Система HRB рассчитана на интеграцию в трансмиссию любых из широко распространенных шасси тяжелых грузовиков. Причем как новых, так и уже находящихся в эксплуатации. Установочный комплект включает в себя обратимый поршневой насос (A4VSO), мембранный аккумулятор высокого давления, блок управляющих и защитных клапанов, а также систему датчиков и центральный процессор. Насос стыкуется с КП и подобно гидроретардеру находится в постоянном зацеплении с главным валом трансмиссии. Поток жидкости, создаваемый насосом в процессе торможения, направляется в гидроаккумулятор (функционал этого узла напоминает резервуар газонаполненного амортизатора, отличие лишь в размерах и внутреннем давлении). Степень зарядки накопителя и тормозное усилие регулируются системой клапанов по командам электроники. В процессе разгона жидкость меняет направление на противоположное, а насос переключается в режим гидромотора, отдавая крутящий момент в трансмиссию. Совместная работа дизеля и гидравлики улучшает динамику транспортного средства, как следствие водителю требуется меньше переключений КП. Дублирующая система перепускных клапанов обеспечивает высокий уровень защиты на максимальных нагрузках.
Специалисты Bosch Rexroth отмечают, что использование гидрогибридной схемы HRB позволяет сэкономить до 25% топлива. В подтверждение приводятся результаты испытаний: мусоровоз снаряженной массой 16 т, отработавший за год 1300 часов, способен в этот период уменьшить свой аппетит на 2925 литров. А дополнительным бонусом можно считать снижение расходов на ремонт тормозной системы, за счет уменьшения ее износа [4].
Немецкий производитель гидропередач Voith GmbH разработал гидравлическую систему рекуперации энергии торможения Hydrobrid для неэлектрического подвижного состава, которая позволяет уменьшить расход топлива, уменьшить загрязнение окружающей среды, а так же увеличить межремонтный пробег подвижного состава. Схема работы такой системы представлена на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 – Схема работы системы Hydrobrid
Таким образом, мы видим, что применение систем рекуперации кинетической энергии при торможении уже дает положительные результаты для автомобильного транспорта и электрического подвижного состава. На основе этих разработок ведутся работы по применению таких систем на неэлектрическом подвижном составе.