يك سلان با اندازة متوسط براي انتشارات آلودگي كم و اقتصاد صرفه جويي سوخت زياد

چكيده:
تيم US Davis Futur car ، يك وسيله به نام AIV را به صورت يك دستگاه الكتريك هيبريد موازي( HEW ) با اهداف سه گانة صرفه جويي سوخت، حصول انتشارات آلودگي بسيار كم و تعيين كيفي انتشارات صفر جزئي در كاليفرنيا طراحي مجدد كرده است با استفاده از يك ترن قوي با راندمان بالا وزن وسيله كم شد و

سيستم هاي كنترل پيشرفته بكار رفت . US Davis روش را براي صرفه جويي حداكثر انرژي را ايجاد كرده و توانايي هاي عملياتي تمام برقي را ارائه مي كند. ترن برقي يك موتور ۶۵۸CC سوبارو و يك موتور مغناطيسي دائم بدون برس ۷۵KW يونيك موبيليته را با يك سيستم انتقال متغير پيوسته نيسان جفت مي كند. اين ترن حركتي موازي، ساده، فشرده و كارآمد است. موتور با بسته باتري هيدريد فلز نيكل با قدرت زياد حركت مي‌‌نمايد. نتايج شبيه سازي پيش بيني مي كند كه اين وسيله بر اساس زمان بندي و حركت شهري دولتي و بر اساس زمان بندي حركت بزرگراه فدرال بدست مي آورد.

 

مقدمه:
در ۱۹۹۸ از دانشگاه كاليفرنيا ، تيم Furtune car براي سومين سال متوالي شركت كرد، بخش انرژي و شوراي تحقيق خودرو مسئول اين امر بود. رقابت مهندسان و دانشجويان را به طراحي مجدد يك سدان با اندازة متوسط تشويق كرد تا به صرفه جويي سوخت به سه برابر مقدار فعلي برسد بدون آنكه عملكرد، قابليت استفاده يا هزينه را قرباني نمايد. با اين اهداف روي تعيين كيفي ۸۰% اعتبار تحت تنظيم هاي دستگاه با انتشار آلودگي كم كاليفرنيا (LEVII) تمركز كرد.

در طي دوسال قبل، us Davis را وارد كرد كه يك مدل فورد تانوس ۱۹۹۶ تبديل شده بود، براي ۱۹۹۸، us Davis به طرف آلودگي هاي كم و صرفه جويي سوخت با معرفي يك دستگاه متمركز بر آلومينيم پايدار (AIV) مدل مركوري توسعه مي يابد . در صرفه جويي سوخت وسيله مضاعف تركيبي بزرگراه/شهر را بدست آورد. كارايي بعدي افزايش مي يابد، طراحي مجدد ترن قدرت، و بهينه سازي كنترل ها، كولمب اين تغييرات را نشان مي‌دهد. قاب آلومينيمي جرم وسيله را به اندازه كاهش مي دهد. يك انتقال متغير پيوسته، بهينه سازي راهبرد كنترل را آسان مي كند و يك ترن قدرت از مؤلفه هاي مشتري استفاده مي‌نمايد كه با توليدكنندگان طراحي شده اند تا راندمان، قابليت اعتماد و قابليت حركت را زياد كند.

اهداف طراحي:
بر اساس جدول زماني توسعه براي تيم تقسيم توسعة كولمب به دو مرحله دراز مدت را انتخاب كرد. اولين سال بر روي توسعة يك ترن قوي تمام جديد، يك سيستم كنترل آب و هوايي با عملكرد بالا و تبديل به لوازم جانبي تمام الكترونيك تمركز كرد. در سال دوم، us Davis آئورديناميك دستگاه را اصلاح خواهد كرد، راهبرد كنترل را براي آلودگي ها و كارايي بهينه تضمين مي نمايد و جرم وسيله را كاهش مي دهد. جدول زير اهداف اولين و دومين سال را فهرست مي كند. اين اهداف در انتخاب اجزاي دستگاه و راهبردهاي كنترل بكار مي رود.

 

« انتخاب تركيب بندي دستگاه »
وسايل الكتريكي EV و ICEV وسايل موتور احتراق داخلي هر كدام داراي مزاياي عملكرد هستند ولي اهداف رقابت با محدوديت هاي يك راندمان ICEV را تامين نمي‌كنند. هر دو نوع دستگاه اهداف را با توسعه كافي تامين مي كنند ولي بررسي ها نشان مي دهد كه اهداف مي توانند با تركيب هاي از فن آوري الكتريكي و قدرت كمكي در يك آرايش هيبريد، تامين شوند.

تركيب بندي هيبريد ـ يك ترن قوي هيبريد يك موتور الكتريكي را با يك واحد
قدرت كمكي تركيب مي كند اين اجزا مي توانند در سه تركيب بندي اصلي تركيب شوند. سري، موازي يا هر دو× هر آرايشي داراي مزايا و معايب است كه بايد در طي طراحي يك هيبريد در نظر گرفته شود. هيبريد سري ـ در يك آرايش سري APV ، برق توليد مي كند. بستگي به شرايط حركت، برق از طريق موتور يا باتري توزيع مي شود. يك تركيب بندي سري را از بار جاده جدا مي كند و استفاده از هر دستگاه توليد نيرويي را ممكن مي نمايد. بعلاوه ، مي تواند با سرعت و بار

ثابت كار كند و راندمان سوخت موتور و آلودگي ها را بهينه نمايد. ولي بدليل عدم كارايي هاي انباشتة مراحل انتقال گوناگون، راندمان توزيع از سوخت به چرخ ها نسبتاً كم است. بعلاوه، توليد برق اغلب مستلزم وصل شدن ژنراتور با APV و يك موتور الكتريكي مجزا براي حركت دادن دستگاه است. هيبريد موازي ـ در يك

آرايش موازي و موتور الكترونيك مي‌توانند هر كدام نيرو را مستقيماً براي چرخ ها فراهم كنند. اتصال مستقيم به خط حركت منجر به راندمان انتقال خيلي بالا مي شود ولي انتخاب هاي عملي را براي موتورهاي احتراق داخلي محدود مي كند كه در يك دامنة گشتاور و سرعت مختلف كار مي كند. موتور مقداري از تقاضاي نيروي فوري را فراهم مي كند و استفاده از باتري ها را كاش مي دهد. ترن قدرت مستلزم يك موتور/ ژنراتور است ولي آرايش قدرت تركيب موتور مي تواند مشكل باشد.

هيبريد دو گانه ـ يك هيبريد دو گانه از يك طراحي ترن قدرت استفاده مي كند كه عمليات سري و موازي را تركيب مي نمايد . Toyota Drius مثالي از يك هيبريد دو گانه است و از يك موتور و يك ژنراتور تركيبي استفاده مي نمايد. موتور و ژنراتور به دو ورودي از يك مجموعه دنده وصل مي گردد و موتور و داريو نهايي به سومين ورودي متصل مي‌باشند. ژنراتور براي تنظيم رابطة سرعت بين درايو و موتور است و يك CVI براي موتور ايجاد مي نمايد. مقداري از نيروي موتور از ژنراتور

به موتور منتقل مي شود و به چرخ ها مي رود. اين باعث مي شود كه توان خروجي موتور بين مسير دنده مكانيكي و مسير موتور الكتريكي ، تقسيم شود. اين سيستم پيچيدگر مكانيكي را با حذف سيستم كلاچ كردن مكانيكي از يك انتقال خودكار، كم مي كند و راندمان را با تغيير دادن پيوستة دندة موثر افزايش مي

دهد. ولي، كاهش هاي حركت را توسط گردش پيوستة مقداري از نيرو از طريق مسير الكتريكي، ممكن مي نمايد. انتخاب تركيب بندي يك آرايش هيبريد موازي را بدليل توان حصول راندمان بالا انتخاب كرد. افزايش در راندمان به سختي حاصل مي گردد ولي كاهش هاي در آلودگي ها مي تواند توسط فن‌آوري عمليات بعدي دود خروجي با راندمان بالا و راهبرد كنترل ترن قوي كاهش مي يابد . داراي پنج سال تجربه در طراحي و ساخت ترن هاي برقي موازي است.
راهبرد كنترل وسيله:

كولمب از راهبرد كنترل تهي سازي بار الكتريكي مانند شكل ۶ استفاده مي كند. در سرعت روشن موتور، انتقال هاي ترن برق از عمليات تمام الكتريك به عمليات به كمك موتور صورت مي گيرد. در طي رانندگي شهري در حالت هاي شارژ باتري، كولمب بصورت يك عمل مي كند. در سرعت هاي بزرگراه يا در حالت هاي شارژ كم، وسيله از موتور استفاده مي كند تا سرعت تهي سازي باتري را كاهش دهد. كاهش سرعت روشن موتور، ميزان زماني را افزايش مي دهد كه موتور روشن است و مصرف انرژي واحد برق بيشتري را مي دهد. راهبرد عمليات وسيله اوليه را براي برق تخمين مي كند ولي كاربرد بنزين را افزايش مي دهد هنگامي كه شارژ باتري خالي مي شود يك محدودة حركت شهري امكان پذير است قبل از اينكه شارژ كردن مجدد باتري انجام شود. حركت بزرگراه در سرعت هايي از رژيم موتور رخ مي دهد. طوري كه دامنه توسط ظرفيت ذخيرة سوخت محدود مي شود، نه انرژي ذخيره شده در بسته باتري.

تخليه شارژ:
در يك تهي‌سازي‌شارژ‌CD‌باتري ها از ديوار سوكت و ترمز كردن مولد شارژ مي‌شوند.
در طول يك زمان بندي حركت نمونه، حالت شارژ بستة باتري كم مي شود. اين امر متفاوت با راهبرد تحمل كنندة شارژ است كه اغلب در HEV استفاده مي شود. جايي كه APV براي حفظ حالت شارژ باتري، استفاده مي شود. راهبرد CD از كاهش هاي تبديل انرژي ذاتي در يك تركيب اكترناتور/ و كاهش هاي تخليه/شارژ باتري پرهيز مي‌كند. يك دستگاه CD با استفاده از يك راهبرد حركت كه در يك حالت تمام الكتريك در حالت هاي بالايي شارژ عمل مي كند، به وسيله اجازه مي دهد كه كاربرد بنزين را با كاربرد انرژي برق، جايگزين نمايد. جابجايي بنزين كلي بويژه وقتي موثر است كه توزيع حركت روزانة متوسط در نظر گرفته شود.

اطلاعات حاصل از پيشنهاد مي كند كه يك وسيله تهي سازي شارژ مي تواند براي ۷۳% از حركت ساليانه اش با استفاده از برق ذخيره شده عمل نمايد (CARB) . اين جابجايي بنزين را تاييد كرده است و مقررات را تجديد نظر مي‌كند. اعتبارهاي انتشارات صفر وسيله را به دستگاهي مي دهد كه استاندارد وسيلة انتشارات بسيار كم را در ۰۰۰/۲۵۰ كيلومتر تامين مي‌نمايد و داراي آلودگي هاي سوختگيري مجدد و تبخير صفر است. اعتبار با استفاده از انتشارات چرخة

سوخت محاسبه خواهد شد و از باتري هاي پيشرفته استفاده مي‌نمايد. در كولمب، براي تا ۸۰% اعتبار جزئي تحت اين مقررات ناچيز خواهد بود. راهبرد كنترل تهي سازي شارژ براي حداكثر سازي اقتصاد( صرفه جويي) سوخت طراحي مي‌شود و اين در حالي است كه آلودگي ها حداقل شده باشند. در عمل، اين استراتژي مستلزم يك موتور برق قوي براي شتاب دادن و ترمز كردن است، يك موتور كوچك براي حركت، و يك بسته باتري بزرگ براي حركت تماماً برقي در شهر بكار مي رود.

نيازهاي عملكرد وسيله:
اهداف طراحي و راهبرد كنترل در يك شبيه سازي رايانه براي تعيين مؤلفه هاي ترن برق Power train ، تنظيم سيستم كنترل، و پيش بيني اقتصاد انرژي بكار مي رود. برنامه fortan از نقشه هاي استفاده از انرژي ايجاد شده از اطلاعات اجزاي توليد كننده استفاده مي كند. اين روش بر روي كاهش هاي مؤلفه در مقايسه با راندمان ها تمركز دارد و اجازة مدل سازي دقيق را در طي سرعت كم، شرايط حركت با گشتاور كم را مي دهد. مدل هاي مؤلفه (اجزا) به آساني براي فيرو مقياس بندي نمي شوند، ولي نقشه ها براي اجزاي ترن برقي خاص مي توانند براي بهينه سازي عملكرد دستگاه بكار بروند. مدل بكار رفته نتايجي را

بدست مي آورد كه در محدودة ۵/۱% نتايج واقعي بودند. براي طراحي ترن برقي در اين سال، برنامه شبيه سازي با خصوصيات CVT روز آمد گرديد. شبيه سازي يك ايده كلي خوب از نيازهاي سيستم را فراهم مي كند و مقايسة راهبردهاي انتقال و توسعة روش ها براي تنظيم پارامترهاي سيستم را ممكن مي نمايد. اهداف عملكرد ارائه شده در مقدمه، براي تعيين توان خروجي لازم موتور براي شتاب دادن استفاده شدند. موتور بر اساس كار قبلي انتخاب شد كه نيازهاي براي راهبرد كنترل كلي را تعيين كرد. نيازهاي طراحي شبيه سازي شده در جدول ۲ و پيش بيني هاي عملكرد در جدول ۳ ارائه مي شوند. شبيه سازي براي اجراي يك تحليل حساسيت وسيله به تغييرات در خصوصيات فيزيكي استفاده گرديد. جدول ۴ كاهش هاي در خصوصيات سيستم گوناگون را نشان مي دهد كه براي بهبود اقتصاد سوخت معادل به ميزان ۵% بر اساس برنامه زمان بندي حركت شهري و بزرگراه دولتي لازم بود.

بر اساس اين تحليل حساسيت و تحليل هاي انجام شده ، تصميم گرفته شد كه بهبودهاي آيروديناميك در اولين سال ناشي از مقدار زمان زياد لازم براي حصول يك كاهش جزئي dras ، بدست آيد. حساسيت كاهش وزن ۷% براي افزايش صرفه جويي سوخت ۵% تصميم گيري را براي استفاده از پشتيباني مي كند. كاهش جرم پيش بيني شده منجر به يك افزايش چشمگير در صرفه جويي سوخت مي گردد. شبيه سازي با نتايج دينامومتر حاصل از چالش Future car 1998 كاليبره خواهد شد و در توسعة راهبرد كنترل براي وسيلة ۱۹۹۹ بكار مي رود.

توسعة ترن برقي:
پيش بيني هاي شبيه سازي نيروي ترن برقي مورد نياز و ظرفيت باتري براي طراحي ترن برقي استفاده گرديد. بعضي ملاحظات عملي بدست آمده نيز براي تعيين يك ترن برقي با عملكرد خوب، اقتصاد انرژي، و بهره برداري استفاده گرديد. ترن برقي استفاده شده راندمان بالايي دارد ولي از مسائل قابليت حركت رنج برد كه آن را براي يك مشتري غير قبول مي كند. از يك موتور الكتريكي و انتقال حركت دستي استفاده كرد. انتقال نيروي دندة متمايز و موتور، انرژي بازيافت شده را در طي ترمز كردن مولد بازيافت كرد و از ترن برقي خودكار قوي پيش بيني شدة وسايل در اين كلاس تفاوت داشت. تعيين شد كه فقط يك انتقال نيروي متغير

مي تواند اهداف موثر را تامين كند در حاليكه عمليات خودكار تقاضا شده توسط خريداران سدان هاي خانوادة مدرن فراهم مي كنند. بر اساس تحقيق كنترل الكترونيك در . يك آلگوريتم انتقال پيشرفته طراحي شد و يك سيستم ترن برقي تعيين شد. عملكرد منحصر به فرد اجازة افزايش‌هاي زياد را در كار اين ترمز كردن مولد و كاربرد بهتر موتور را مي دهد. علاوه بر اين، انتقال نيروي جديد به موتور اجازه مي دهد كه از تقاضاهاي قدرت و سرعت خودبخودي جاده جدا شود. كنترل الكترونيك اجازة افزايش كارايي و شتاب به طور همزمان را مي دهد.

همچنين مسائلي با دو مؤلفه انتقال نيروي اصلي داشت. تسمة نقالة لاستيكي كه موتور را به سطوح بالاي نويز توليد شده به انتقال نيرو متصل كرد. كلاچ الكترومغناطيسي كه موتور را به انتقال نيرو وصل كرد باعث ايجاد يك ضربة مختصر به وسيله شد هنگامي كه با آن درگير گرديد. اين مشكلات توسط جفت كردن مستقيم موتور با عقب قسمت انتقال نيرو حل شدند و از يك كلاچ اصطكاك خودروي كنترل شده براي درگير شدن با موتور استفاده گرديد. كولومب از يك ترن

نيروي هيبريد موازي استفاده مي كند كه آخرين فن آوري ها را در موتورهاي احتراق داخلي، انتقال نيروها و الكتروموتورها استفاده مي نمايد. يك موتور جابجايي كوچك و موتور DC بدون برس با مغناطيسي دائمي مستقيماً به يك وصل مي شوند. نمودار ترن نيرو در شكل ۲ نشان داده مي شود. تمام لوازم جانبي موتور( موتور استارتر، آلترناتور، بادبزن خنك كردن، و كمپرسور AC) و سيستم معكوس كنندة مكانيكي حذف شده اند. اين طراحي مسير نيرو بر روي سهولت، قابليت اعتماد و قابليت توليد، تمركز مي‌كند. اجزا از نوع توليدي هستند يا يك توليد كننده آنها را طراحي كرده است. اصلاحات از مواد استاندارد، تلرانس ها و عمليات طراحي استفاده مي كنند. اجزاي مسير نيرو بطور مجزا در بخش هاي زير بحث مي شوند.

 

انتقال نيروي متغير بطور پيوسته:
يك CVT براي بهبود راندمان و سهولت مكانيكي اصلاح گرديد. اين انتقال نيرو از يك تسمه فلزي براي انتقال گشتاور بين دو قرقره استفاده مي كند كه باز و بسته مي‌شود تا شعاع هاي موثر قرقره ها را تغيير دهد. تغييرات عمدة ايجاد شده براي سيستم شامل اين موارد است: حذف مجموعة دندة معكوس كننده و مبدل شتاور، افزودن يك موتور الكتريكي و تعويض سيستم كنترل فشار هيدروليك ـ مكانيك با يك سيستم كنترل فشار هيدروليك الكتريكي كنترل شده توسط رايانه.

سخت افزار:
تغييرات مكانيكي براي EVT با هدف حذف كردن اجزاي غير ضروري ساخته شدند در حاليكه اجزا و طراحي هاي احتمالي بسياري را حفظ مي كند.
گردش دو جهتي موتور الكتريكي اجازة حذف دنده هاي معكوس كننده و تمام اجزاي كلاچ مربوطة آن را داد. گشتاور موتور الكتريكي و فقدان بيكاري موتور در راهبرد كنترل، نياز براي يك مبدل گشتاور را حذف كرد. اين اصلاحات پيچيدگي مكانيكي و كاهش هاي عملياتي ايجاد شده توسط اين سيستم ها را كاهش مي

دهند. براي اتصال موتور برق به انتقال نيرو، يك قسمت داخلي از دستگاه ماشين كاري شد و موتور در بدنه قرار گرفت و روان كاري محور موتور الكتريكي انجام شد. پمپ هيدروليك و سيستم كنترل الكترومكانيكي با پمپ هاي هيدروليك سرور كنترل شده با رايانه تعويض گرديد تا راندمان سيستم بهبود يابد. پمپ براي سرعت جريان مورد نياز براي حركت، روان كاري و حداكثر فشار در سرعت هاي موتور پايين تنظيم شد تا شتاب اولية وسيله خوب باشد. وقتي سرعت موتور زياد مي شود. سرعت جريان از پمپ جابجايي مثبت زياد مي گردد. فشار بستگي به گشتاور دارد و بنابراين باعث افزايش خروج سيال، اين فشار را تنظيم مي

نمايند. اين امر كاهش هاي سيستم را با افزايش سرعت موتور، زياد مي كند. سيستم پمپ هيدروليك سرعت جريان را از سرعت موتور جدا مي نمايد. اين سيستم سرعت جريان لازم را فراهم مي كند و فشار بر اساس تقاضا تنظيم مي گردد. آزمايش مقداري كاهش تلفات هيدروليك را نشان داده است. مواد هيدروليك شامل پمپ ها، تنظيم كننده هاي فشار و آشكار سازهاي فشار در شكل ۳ ديده مي شود.

اجراي كنترل ها:
هيدروليك فشار بالاي دو مقصود را دنبال مي نمايد: نگهداري فشار و جابجايي فشار براي پيستون ها بكار برده مي شود و اصطكاك بين تسمه و سطوح قرقره را براي انتقال نيرو ايجاد مي نمايد. افزايش فشار امكان انتقال گشتاور بيشتري را بدون لغزش تسمه فراهم مي كند ولي تلفات در انتقال نيرو را افزايش مي دهد. فشار بهينه بايد براي مقدار گشتاوري انتخاب شود كه بايد انتقال يابد.