0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое мощность двигателя автомобиля в квт

Хватает ли гибридным автомобилям и электромобилям тяговой мощности?

Возможно вы считаете, что ведете машину ровно, но ваш двигатель, вероятно, с вами не согласится. Препятствия, которые вы встречаете на пути — светофоры и ограничения скорости — означают, что мощность, потребляемая ходовой частью автомобиля, постоянно меняется. Мы ожидаем, что новые технологии, такие как электромобили и гибридные автомобили, так же мгновенно реагируют на нажатие педали акселератора, как и существующие машины, а значит, проектировщики должны добиться, чтобы это происходило безопасно и надежно. Для этого, в частности, моделируется работа аккумуляторов.

Потребляемая мощность в ходе ездового цикла

Обычным испытанием для автомобиля является такой ездовой цикл: запуск двигателя, ускорение, скоростное движение, торможение, остановка, после чего цикл повторяется заново. На анимации вы видите требования по току, предъявляемые к аккумулятору гибридного электромобиля в ходе такого цикла:

Ток в ездовом цикле гибридного автомобиля. Положительные пики означают мощность, передаваемую двигателю или ходовой части, а отрицательные — рекуперацию мощности от двигателя или при торможении.

Сначала появляется большой положительный пик – двигатель внутреннего сгорания запускается, питаясь от аккумулятора. Аккумулятор также покрывает часть мощности, требуемой для ускорения. Когда автомобиль разогнался, возможна рекуперация аккумулятором части мощности двигателя, так что ток аккумулятора становится отрицательным. На отметке 110 секунд мы видим несколько острых отрицательных пиков, появляющихся из-за рекуперации энергии при торможении и остановке автомобиля. После этого двигатель внутреннего сгорания останавливается на холостом ходу и запускается заново в начале следующего цикла.


«Схема гибридного автомобиля с подзарядкой от электросети (PHEV)», автор Мэтт Ховард (Matt Howard) — Схема гибридного автомобиля с подзарядкой от электросети (PHEV) Загружено Питером Койпером (Pieter Kuiper). Доступно по лицензии Creative Commons 2.0 «Атрибуция — На тех же условиях» на Викискладе.

Как мы видим, токопотребление аккумулятором никак нельзя назвать плавно изменяющимся! Быстрые изменения тока аккумулятора, а также тока рекуперации в гибридном автомобиле, могут вызывать изменения рабочего напряжения и повышение температуры. Хотя аккумулятор может работать с высокой выходной (или входной) мощностью в течение короткого времени, повышенные токовые нагрузки зачастую вызывают его ускоренный нагрев. Система управления аккумулятором должна следить за тем, чтобы он накапливал энергию при рекуперации, но не перегревался. Это, однако, должно происходить незаметно для водителя — никому не понравится, если мощность автомобиля будет непредсказуемо изменяться в зависимости от текущего состояния аккумулятора, о котором водитель не имеет представления.

Как создать модель литий-ионного аккумулятора

Инженеры могут определить диапазон условий, обеспечивающих безопасную работу аккумулятора, моделируя его заряд и разряд с разной скоростью, а также в условиях, приближенных к реальным ездовым циклам в обычной дорожной обстановке. Физическая модель литий-ионного аккумулятора должна учитывать основные физические принципы, определяющие взаимосвязь между напряжением и током ячейки. Среди этих принципов:

  • Кинетика реакции внедрения лития в пористых электродных материалах
  • Теория переноса концентрированных веществ для расчета переноса заряда и массы ионами Li+ и другими ионами в электролите
  • Массообмен лития в электродных материалах
  • Перенос заряда в твердотельных проводниках, например, в коллекторах и пористых электродах

На первый взгляд, это великое множество уравнений, но, к счастью, их можно рассчитать с помощью модуля Аккумуляторы и топливные элементы в COMSOL Multiphysics, сочетая готовый интерфейс Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) с интерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах) и прогнозируя профиль температуры в аккумуляторе.

После того, как заданы физические уравнения, можно установить условия по току или напряжению. Мы можем начать с моделирования заряда и разряда с постоянной скоростью. Скорости обычно измеряются в единицах C, в которых 1 C означает полный разряд или заряд аккумулятора за один час. Как вы можете видеть на графике тока в ездовом цикле (выше), пиковая требуемая скорость может доходить до 20 C, но на практике столь большие скорости требуются лишь на малое время. Измерив экспериментально зависимость тока аккумулятора от времени в реальном испытании, мы можем установить типичную длительность и распределение скачков тока.

Давайте посмотрим на характеристику состояния заряда аккумулятора. Состояние заряда (SOC) — это мера доступного заряда, оставшегося в аккумуляторе. Когда перезаряжаемый аккумулятор используется в гибридном автомобиле или другом устройстве с переменной потребляемой мощностью, система управления аккумулятором (BMS) отслеживает состояние аккумулятора и определяет возможный потребляемый ток.

Состояние заряда можно определить по измеряемым параметрам электрической цепи несколькими способами. Один из них — кулоновский, при котором ток аккумулятора интегрируют по времени. Системы управления гибридных автомобилей могут также измерять состояние заряда и допустимый диапазон рабочих напряжений аккумулятора согласно спецификации производителя. Физическая модель аккумулятора позволяет сравнить фактическое состояние заряда ячейки, определенное по количеству лития в каждом электроде, и экспериментальные измерения состояния заряда, выполненные в соответствии с различными протоколами. Таким образом инженеры могут лучше представлять себе динамическую характеристику аккумулятора, снимать с него данные и определять безопасные условия работы.

Читать еще:  Двигатель ваз 21083 его неисправности

Кулоновское состояние заряда аккумулятора в ходе ездового цикла отображено на графике ниже:


Состояние заряда ячейки в ходе ездового цикла, рассчитанное кулоновским методом (интегрированием тока).

Эти данные говорят нам, что аккумулятор начинает работу с 56% заряда и разряжается, отдавая мощность трансмиссии в ходе первого цикла. Состояние заряда увеличивается при рекуперации энергии в гибридном автомобиле, но в целом состояние заряда уменьшается, поскольку в каждом следующем ездовом цикле потребляется больше мощности, чем возвращается.

Связь между током и состоянием заряда задается просто, но она ничего не сообщает нам о том, какую мощность можно получить от аккумулятора. Идеальный аккумулятор в теории будет всегда поддерживать равновесное напряжение, как бы быстро ее ни заряжали или разряжали, так что мощность просто равна произведению напряжения ячейки и тока. На практике, однако, электрическое сопротивление, кинетика реакций и массообмен приводят к поляризации аккумуляторов. Это означает, что часть напряжения разомкнутой цепи, измеренного при нулевом токе, теряется, когда через цепь начинает течь ненулевой ток.

В пределе при очень высоком токе может иметь место истощение аккумулятора — в нем попросту закончится химически активное вещество. Все это увеличивает часть химической энергии аккумулятора, которая расходуется на обеспечение выработки тока — эта часть не преобразуется в механическую работу, что снижает КПД.

Чтобы оценить величину этого эффекта, давайте посмотрим на напряжение ячейки в ходе ездового цикла.


Напряжение ячейки в ходе ездового цикла колеблется вокруг равновесного напряжения (напряжения разомкнутой цепи), близкого к 4 В.

Мы видим, что напряжение ячейки колеблется вокруг равновесного напряжения (около 4 В) в то время, как аккумулятор отдает или получает заряд. На графике ниже построена разность между равновесным напряжением ячейки для данного состояния заряда и измеренным напряжением ячейки. Этот график демонстрирует различия в поляризации ячейки при различной токовой нагрузке:


Поляризация ячейки в ходе ездового цикла. Положительные значения поляризации соответствуют процессу разряда.

Величина поляризации ячейки всегда меньше 0,4 В, а напряжение ячейки близко к 4 В. Таким образом, мы можем сказать, что потери заметно меньше полезной мощности. Мы также можем построить график полезной мощности:

Заметим, что это мощность одной ячейки в аккумуляторе, который на практике может содержать множество ячеек, соединенных по параллельной или смешанной схеме. С мощностью ниже 1 кВт далеко на автомобиле не уедешь! Обычный двигатель выдает примерно 75 кВт.

Рассчитав поляризацию, мы можем оценить потери мощности, связанные с сопротивлением переносу заряда, кинетикой электродных реакций и массообменом в ячейке:

Мы видим, что потери мощности не превышают 0,1 кВт даже для пиковой выходной мощности около 1 кВт. Это означает, что потери, хотя и не являются пренебрежимо малыми, все же не накладывают жестких ограничений на эффективность отдачи или приема мощности при исследованных величинах тока.

Потерянная мощность рассеивается в виде тепла и может привести к повышению температуры. Для безопасной работы аккумуляторов очень важно следить за температурой. Тепловой разгон литий-ионного аккумулятора может привести к возгоранию, так что в любой аккумуляторной системе, особенно рассчитанной на большие мощности или непредсказуемые нагрузки, жизненно важно избегать перегрева. Кроме того, высокие температуры приводят к ускоренному износу и старению аккумулятора при повторных циклах заряда и разряда, особенно для стандартного литий-ионного аккумулятора при температуре выше 50°C. В конечном счете это снижает энергоемкость и максимальную выдаваемую мощность аккумулятора. Комбинируя модель литий-ионного аккумулятора с моделью теплопередачи в ячейке, можно рассчитать температуру в переходном режиме.

Комбинированная модель учитывает рассеяние тепла ячейки за счет конвекционного охлаждения, тепловыделение за счет резистивного нагрева и в химических реакциях, а также температурную зависимость электрической проводимости и констант скорости реакций.

Для двух точек в ячейке на графике ниже показан профиль температуры:


Расчетные значения температуры в ходе ездового цикла для двух точек в аккумуляторе.

Результаты можно интерпретировать по-разному! Хорошо, что аккумулятор нагревается достаточно равномерно — разность температур между центром ячейки и поверхностью ячейки пренебрежимо мала. Это позволяет избежать повреждения ячейки, связанного с неравномерным нагревом и термическим напряжением. Кроме этого, температура не сильно выросла в ходе 10-минутного ездового цикла, всего лишь с 25°C до 35°C. Мы знаем, что в этом диапазоне температур деградация аккумулятора происходит медленно.

Проблема заключается в том, что температура аккумулятора продолжает расти. Если рост температуры продолжится в течение неопределенного периода времени, долго работающий аккумулятор может перегреться. Разумеется, это неприемлемо и может быть предотвращено увеличением мощности системы охлаждения, но такая система увеличит массу и энергопотребление автомобиля.

Читать еще:  Что такое метановый двигатель

Будущее электромобилей

До сих пор мы говорили о гибридных автомобилях, в которых аккумулятор работает совместно с двигателем внутреннего сгорания. Чем отличаются от них электромобили?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания легковых автомобилей работает на оборотах от 1000 до 4000 об./мин. Если двигатель останавливается, на его повторный запуск тратится значительная энергия аккумулятора. Пока двигатель работает, система трансмиссии передает мощность на колеса с помощью зубчатых передач, а также ручной коробки передач или автоматической коробки с гидротрансформатором, которые позволяют значительно варьировать мощность, выдаваемую на колеса, без необходимости такого же изменения скорости двигателя. Даже с учетом этого ускорение автомобиля за счет увеличения подачи топлива ограничено.


Ходовая часть электромобиля. Nissan Leaf 012, автор изображения Tennen-Gas. Доступно по лицензии Creative Commons 3.0 «Атрибуция — На тех же условиях» на Викискладе.

Электромобили работают по-другому. Аккумулятор может прекратить подачу мощности, не отключаясь, поэтому мощность можно сразу передавать на колеса, не используя систему трансмиссии. Кроме того, мощность, выдаваемую аккумулятором, можно очень быстро изменить. Мгновенная передача крутящего момента позволяет быстро разгоняться от 0 до 100 км/ч (меньше, чем за 10 секунд), обеспечивая комфортные ощущения от управления, по словам тех, кто попробовал эти машины в деле.

Но у этих преимуществ есть своя цена. Если аккумулятор становится единственным источником энергии, требования к выдаваемой мощности и быстроте изменения выдаваемой мощности возрастают по сравнению с гибридными автомобилями. Создание аккумуляторной системы, которая сможет обеспечивать такую мощность на протяжении многих циклов без перегрева и износа — важная задача для проектировщиков электромобилей следующего поколения. Мультифизические модели аккумуляторов, сочетающие электрохимию и физику теплопередачи, могут помочь определить, какие детали конструкции следует улучшать и какие улучшения могут оказаться наиболее полезными.

Эффективность работы двигателя автомобиля.

Основные показатели, характеризующие работу двигателя — крутящий момент, мощность, экономичность и токсичность отработавших газов. Как правило, по этим показателям оценивают эффективность работы двигателя.

Экoнoмичнoсть хaрaктеризуется рaсхoдoм тoпливa, зaтрaчивaемoгo нa пoлучение единицы мoщнoсти. Тoксичнoсть oпределяется кoличествoм вредных для oкружaющей среды и челoвекa веществ, выбрaсывaемых в aтмoсферу с oтрaбoтaвшими гaзaми.

Помимо конструктивных параметров, эти показатели зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр. Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:

  • рабочего объема. Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом.
  • давления горящих газов в цилиндрах, которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком, ошибочно называется «стуком поршневых пальцев») или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах, они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:

  • Рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
  • Оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
  • Давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Читать еще:  Чего производство дизельный двигатель

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя, определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Итак, подведем итоги… На практике более важны выходные характеристики работы двигателя:

  • Мощность. Она измеряется в лошадиных силах (л.с. — традиционная единица измерения) или киловаттах (кВт). Именно она определяет скорость и время разгона автомобиля.
  • Крутящий момент. Т.е. создаваемое двигателем максимальное тяговое усилие. Измеряется в Ньютон-метрах (Н·м). Косвенно влияет на скорость и разгон и прямо — на «эластичность» двигателя, т. е. способность ускоряться на низких оборотах.
  • Максимально допустимое число оборотов коленчатого вала в минуту (об/мин). Показывает, сколько оборотов коленвала в минуту сможет выдержать двигатель без потери в ресурсной прочности. Чем больше число оборотов, тем более резкий и динамичный характер имеет автомобиль.

Однако не менее важны расходные характеристики:

  • Расход топлива. Обычно измеряется в литрах на 100 километров. Расход в городском, загородном и смешанном вариантах различен.
  • Тип топлива. Марка потребляемого бензина, дизельного топлива, газа. В современных автомобилях возможно использование любых марок, но при снижении октанового числа падают ресурсная прочность и мощность, а при повышении сверх нормы — повышается мощность, но снижается ресурс. Также при повышении октанового числа увеличивается теплоотдача, что может привести к раннему перегреву. Пример марок топлива: А-76, А-92, АИ-98, А-95Евро, ДТ, ДТ Евро, ДТ Супер.
  • Расход масла. Измеряется в литрах, но на 1000 км. Максимальный показатель — 1л/1000км для исправной машины.
  • Марка потребляемого масла. Обычно обозначется ххWхх. Первое число — густота масла, второе — его вязкость. Например — 0W40 и 5W40 — синтетические масла, 10W40 — полусинтетическое масло, 15W40 и 20W40 — минеральные масла. Более густые и вязкие масла улучшают прочность и надежность двигателя, менее густые — улучшают динамические выходные характеристики.

Внимание! Масла типа 70W90 или 95W100 являются трансмиссионными и ни в коем случае не могут быть использованы в двигателе — это гарантированно приведет к неисправности двигателя!

  • Ресурсная прочность, т. е. как часто двигателю необходимо техническое обслуживание. Обычно в пределах 5 000—30 000 км пробега. Предельный пробег позволяет примерно определить полный срок службы, после гарантийного пробега прекращаются гарантийные обязательства.

Это основные потребительские характеристики.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector