CC BY
271
УДК 621.541
О ТРЕБОВАНИЯХ К КОНСТРУКЦИИ И РАБОЧЕМУ ПРОЦЕССУ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ АВТОМОБИЛЯ
А.Н. Туренко, профессор, д.т.н., В.А. Богомолов, профессор, д.т.н., Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.И. Харченко, доцент, к. т.н., С.С. Жилин, доцент, к.т.н., Р.А. Косый, доцент, к.т.н.,
Е.И. Босенко, инженер, ХНАДУ
Аннотация. Изложены некоторые обобщения отечественного и зарубежного опыта создания и совершенствования поршневых кривошипных пневмодвигателей и сформулированы основные требования к их рабочему процессу и конструкции, выполнение которых открывает возможности их использования на автомобилях.
Ключевые слова: поршневые кривошипные пневмодвигатели, автомобильные пневмодвигатели, рабочий процесс, конструкции, технические характеристики.
Введение
Создание комбинированных (гибридных) энергоустановок (КЭУ) является одной из актуальных проблем современного автомобилестроения. Созданием КЭУ занимаются все ведущие автомобилестроительные компании мира. Применение КЭУ позволяет кардинально снизить расход топлива и количество вредных выбросов автомобилями. К началу ХХІ столетия создание КЭУ вышло за рамки исследований и испытаний опытных образцов, начато серийное производство автомобилей с КЭУ и на сегодняшний день их годовой выпуск исчисляется уже сотнями тысяч.
Судя по публикациям ([1]—[4] и мн.др.), наибольшее распространение получают КЭУ, состоящие из специальным образом настроенного на экономичные и малотоксичные характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электропривода, включающего, как правило, обратимую электрическую машину и аккумуляторную батарею. Экономия топлива и низкий уровень вредных выбросов достигаются тем, что ДВС работает только на самых экономичных и экологически благоприятных режимах, передавая энергию на ведущие колеса наиболее экономичным способом - через механическую передачу. При этом избыток мощности передается на электрогенератор, питающий аккумулятор. На остальных («неблагоприятных») режимах ДВС не работает. Трогание с места, разгонные режимы, движение с малыми нагрузками, например, в «пробках», осуществляется с помощью электропривода. Экономия топлива получается также и за счет
того, что такая КЭУ позволяет рекуперировать и аккумулировать энергию торможения автомобиля.
Однако применение в КЭУ электропривода нельзя считать единственно возможным. При соблюдении определенных требований и условий вполне возможным и целесообразным может оказаться, например, использование пневмопривода, состоящего из обратимой пневмомашины -пневмомотора-компрессора и пневмоаккумулятора (воздушного ресивера). В настоящее время в ХНАДУ ведутся исследования по оценке эффективности различных схем КЭУ, включая схемы «ДВС с электроприводом» и «ДВС с пневмоприводом». В связи с этим изучение накопленного опыта создания и совершенствования поршневых кривошипных пневмодвигателей и выработка на этой основе требований к ним применительно к их использованию на автомобиле представляет практический интерес.
О выборе типа пневмодвигателя для автомобильной КЭУ
По типу пневмодвигатели весьма разнообразны: шестеренные, ротационные, поршневые, турбинные и др. [6; 7]. Проведенный нами анализ позволил для автомобильной КЭУ остановить свой выбор на поршневом кривошипном пневмодвигателе по следующим основным соображениям.
Из всех типов пневматических двигателей поршневой является единственным двигателем, который можно изготовить с переменной степенью наполнения [5]. Это означает, что этот двигатель
может иметь регулируемую изменением фаз воз-духораспределения степень расширения, что открывает возможности оптимизации рабочего процесса в зависимости от условий его осуществления. Важнейшим достоинством поршневого пневмодвигателя является и то, что он в сравнении с другими типами обладает наибольшим пусковым моментом, в 1,8 раза превышающим номинальный [6] и имеет наиболее благоприятную тяговую характеристику. У него есть и другие достоинства: допускает перегруз, его рабочая камера имеет высокую степень уплотнения за счет поршневых колец, поэтому утечки сжатого воздуха в нем сравнительно невелики. Однако заметим, что у ряда авторов [5; 7; 8] встречаются указания на такие преимущества поршневого двигателя как «прост в управлении», «легко реверсируется изменением направления подачи сжатого воздуха к общей золотниковой коробке». При более внимательном рассмотрении этих «преимуществ» признать их таковыми невозможно. Так «простота управления» означает возможность регулирования режима дросселированием впуска рукояткой пуска, остановки и реверса. Но известны и другие, более экономичные способы регулирования режима, например, изменением фаз воздухораспределения или отключением части цилиндров. А за «легкий реверс» приходится платить слишком высокую цену - более чем двукратным перерасходом сжатого воздуха (вследствие полного наполнения, отсутствия обратного сжатия и предварения впуска и др.).
О технико-экономических показателях поршневых пневмодвигателей
Конструирование, доводка и производство поршневых пневмодвигателей в мире было ориентировано, по крайней мере до настоящего времени, на удовлетворение прежде всего нужд горнодобывающей промышленности и в бывшем СССР было сосредоточено на специализированных предприятиях - Ленинградском заводе «Пневматика» и Криворожском рудоремонтном заводе
«Коммунист». Их разработкой, испытаниями и исследованиями занимались заводские КБ, а их совершенствованием были заняты также отраслевые проектные и научно-исследовательские институты НИПИГормаш, Донгипроуглемаш, горной механики им. М.М. Федорова и другие [8].
Еще в 30-х годах прошлого столетия на заводе «Пневматика» изготавливались четырехцилиндровые пневмодвигатели, имевшие двухколенный кривошипный вал, У-образное расположение цилиндров и воздухораспределение поступатель-но-двигающимися золотниками. Впоследствии от этой конструкции отказались и в послевоенные годы было освоено серийное производство радиально-поршневых реверсивных пневмодвигателей: четырех-, пяти- и семицилиндровых со звездообразным расположением цилиндров, однокривошипным валом и вращающимся трехканальным (трехлинейным) золотником [8]. Дальнейшее усовершенствование этих пневмодвигателей велось путем замены подшипников скольжения подшипниками качения, увеличения проходных сечений внутренних пневмолиний и диаметра распределительного вала (золотника), улучшения формы его окон. В результате у пневмодвигателей, не увеличивших своих размеров, почти вдвое повысилась мощность и частота вращения вала. В СССР в целях унификации серийное производство радиально-поршневых пневмодвигателей было стандартизовано [8].
Радиально-поршневые пневмодвигатели широко применяются для привода горных машин и зарубежными фирмами [9].
В табл. 1 помещены данные на 1982 г. о серийно выпускавшихся четырех- и пятицилиндровых радиально-поршневых пневмодвигателях [8].
В дополнение к данным по радиальным поршневым пневмодвигателям в табл. 1 приведены для сравнения также параметры близкого по литражу Ул бензинового ДВС ЗМЗ-402 автомобиля ГАЗ-24 «Волга».
Таблица 1 Показатели радиально-поршневых пневмодвигателей (ГОСТ 10736-71) и бензинового
двигателя ЗМЗ-402
Показатели Марки пневмодвигателей ДВС:
П7,5-12 П16-25 П2,5-Ф1 П6,3-12 ЗМЗ-402
1 2 3 4 5 6
Рабочий объем цилиндров (литраж), Ул, л 2,613 2,613 2,613 2,090 2,445
Давление сжатого воздуха на входе, р1, МПа 0,4 0,5 0,5 0,4 -
Номинальная мощность, Ые, кВт 7,5 16 9,5 6,3 73,5
Номинальная частота вращения, п, мин 1 750 1500 800 750 4500
Средняя скорость поршня, сп, м/с 1,625 3,250 1,733 1,625 13,8
Удельный массовый расход сжатого воздуха, g, кг/(кВт • ч) 83,2 92,8 77,3 80,9 топливо: 0,307
Часовой расход воздуха, О, кг/ч 624 1485 734 510 топливо: 22,6
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6
Диаметр цилиндра, Б, мм 101,2 101,2 101,2 101,2 92
Ход поршня, £, мм 65 65 65 65 92
Число цилиндров, 2 5 5 5 4 4
Литровая мощность, Ыл, кВт/л 2,87 6,12 3,63 3,01 30,1
Удельная металлоемкость, Мы, кг/кВт 12,7 6,3 10,5 15,1 2,45
Среднее эффективное давление, ре, МПа 0,229 0,245 0,272 0,241 0,802
Масса, Мдв, кг 95 100 100 95 180
Из рассмотрения данных табл. 1 приходим к выводу, что поршневые пневмодвигатели по причинам своей тихоходности сп = 1,6^3,2 м/с и низкому среднему эффективному давлению ре = = 0,23^0,28 МПа имеют сравнительно низкую литровую мощность Ыл = 3^6 кВт/л и большую удельную металлоемкость Мы = 6,3^15,1 кг/кВт. Такую же и даже большую металлоемкость Мы = =13^20 кг/кВт имеют и радиально-поршневые пневмодвигатели, серийно выпускаемые зарубежными фирмами США, Англии, Швеции, Чехословакии и др. стран [9]. К тому же отечественные и зарубежные радиально-поршневые пневмодвигатели имеют очень высокий удельный расход сжатого воздуха g = 77^93 кг/(кВт • ч) [9]. Как следует из работ [5-8], удельный расход сжатого воздуха пневмодвигателей других типов имеет такой же высокий уровень. В какой-то мере большие расходы сжатого воздуха вызываются потерями, связанными с несовершенством конструкций пневмодвигателей (большие утечки воздуха, большие потери давления в органах воздухораспределения, малая степень расширения, большой мертвый объем и др.).
Тем не менее высокие расходы энергоносителя пневмодвигателей не являются следствием только их конструктивного несовершенства - это главным образом естественное свойство двигателей, у которых энергоноситель служит одновременно и рабочим телом, особенно если оно имеет невысокую температуру.
Об особенностях пневмоэнергии
Сжатый воздух при атмосферной температуре имеет весьма низкую массовую работоспособность (эксергию), например, при t0 = 20 °С и рабочем давлении 0,5 МПа она будет равна 135,3 кДж/кг, а при давлении 1,0 МПа - 193,6 кДж/кг, что соответственно в 348 и в 243 раза меньше работоспособности (эксергии) бензина*. В работе д.т.н. В. Д. Зиневича и Л. А. Гешлина [8] указывается, что основным недостатком пневмоэнергии является довольно большая затрата первичной энергии на единицу полезной механической работы, получаемой на валу пневмодвигателя.
* Эксергия бензина весьма близка его высшей теплоте сгорания [11].
Эффективность использования пневмоэнергии нельзя оценивать только по КПД пневмодвигателя. Действительная экономическая эффективность применения пневмоэнергии должна оцениваться по КПД всей пневмосистемы как отношение полезной работы, снимаемой с вала пневмодвигателя к работе, затраченной на получение сжатого воздуха. Это справедливо, если сжатый воздух получается на борту автомобиля. Если же сжатый воздух получается на компрессорной станции, то, естественно, надо принимать во внимание его коммерческую стоимость и внутренние затраты на транспортировку, хранение и т.д. Особенно дорогостоящей получается пневмоэнергия, если воздух вначале сжимается до высокого давления, закачивается в ресиверы (баллоны), а перед использованием дросселируется в газовом редукторе до рабочего давления.
Еще один недостаток сжатого воздуха как энергоносителя, аккумулированного и хранящегося в баллонах - это постепенное его обесценивание по мере расходования вследствие снижения давления. При расходовании 40^50% первоначальной массы оставшаяся в баллоне часть сжатого воздуха становится уже практически непригодной для дальнейшего использования. Этим сжатый воздух как энергоноситель принципиально отличается от таких энергоносителей как электроэнергия или органические топлива, удельная эксергия которых не изменяется при их расходовании.
Отсюда следует, что сжатый воздух, как дорогой энергоноситель, надо расходовать бережно, дозировано и только в тех случаях, когда это будет экономически оправдано.
О рабочем процессе поршневого пневмодвигателя
В работах [5^8; 13 и др.] подчеркивается, что для поршневого пневмодвигателя наиболее целесообразным является четырехпроцессный рабочий цикл: наполнение, расширение, выхлоп-выталкивание и обратное сжатие (рис. 1). Мертвый объем У0 должен быть минимально возможным. Расширение должно быть частичным, ограничиваемым минимально допустимой температурой рабочего тела в конце расширения, при которой не происходит обмерзания выхлопного тракта.
Рис. 1. Обобщенная теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого пневмодвигателя
По многочисленным опытным данным процесс расширения воздуха в цилиндре можно считать адиабатным. Степень обратного сжатия ез = Уз / Vp подлежит оптимизации. Для диапазона р1 = =0,2^0,6 МПа давление р4 = 0,5(р1 + р2). Наивыгоднейшее давление в напорной магистрали р1 может быть определено экспериментально. Максимальное проходное сечение органа впуска должно составлять не менее 8-^10% от площади поршня [8]. Проходное сечение органа выпуска должно быть в два раза больше сечения органа впуска [8]. Фазы воздухораспределения подлежат оптимизации.
Особенности конструкции радиальнопоршневых пневмодвигателей
Поршневые пневмодвигатели делаются коротко-ходными - S/D = 0,6^0,7 [5; 7; 8]. Этим достигается большая частота циклов при меньшей средней скорости поршня сп, которая из-за нарастания гидравлических потерь ограничивается уровнем 3,0^3,5 м/с [8]. Короткоходность также снижает размеры двигателя в направлении осей цилиндров, что особенно важно при их радиальном расположении.
Радиально-поршневые пневмодвигатели имеют реверсивное золотниковое воздухораспределение от единого на все цилиндры вращающегося золотника, расположенного на одном конце коленчатого вала. Цилиндры соединены с золотником каналами. Объем этих каналов 1 (рис. 2) входит в мертвый объем V0 и величина s0 = V0/ Ур достигает 35%. Высокие значения s0 - один из недостатков такой конструкции воздухораспределения. Вторым её недостатком являются большие утечки сжатого воздуха.
Рис. 2. Схема воздухораспределения стандартного (ГОСТ 10736-71) радиально-поршневого реверсивного пневмодвигателя П16-25: 1 -воздушный канал; 2 - распределительная коробка; 3 - распределительный вал (золотник); 4 - цилиндр; 5 - поршень; 6 - кривошипный вал; 7 - муфта; 8 - трехпозиционный распределитель; 9 - напорная пневмолиния; 10 - выхлопная пневмолиния; 11 -выхлопные окна
В двигателях П7,5-12, П2,5-Ф1 и П6,3-12 (табл. 1) впуск и выпуск осуществляется только через золотник - основной механизм воздухораспреде-ления. Но есть радиально-поршневые пневмодвигатели, например П16-25, которые имеют и дополнительный механизм, связанный только с выхлопной пневмолинией и сообщающий с ней рабочие камеры при нахождении поршней возле внутренних мертвых точек (рис. 2).
Кривошипный вал разъемный, вращается на двух шариковых подшипниках. Главный шатун на шейке вала вращается на двух роликоподшипниках, а прицепные шатуны соединены с главным игольчатыми подшипниками. Аналогично соединяются все шатуны с поршнями. Смазка кривошипно-шатунного механизма в двигателях без выхлопных окон в цилиндре 11 обеспечивается жидкой смазкой (индустриальное масло И-40А ГОСТ 20799-75), находящейся в картерной полости и разбрызгиваемой специальным разбрызгивателем. Двигатели, в которых выхлоп происходит через окна 11 в картер и далее в атмосферу, работают без картерной смазки, благодаря тому, что поступающий в картер выхлопной воздух содержит распыленную смазку, подаваемую магистральной автомасленкой на напорной пневмолинии [8]. Этот наиболее распространенный способ смазки пневмодвигателей всех типов имеет серьезный недостаток - происходит загрязнение воздушной среды масляными аэрозолями [6].
Заключение
Поршневые кривошипные пневмодвигатели имеют общеизвестные достоинства: экологическая чистота, пожаро- и взрывобезопасность, высокий пусковой момент, благоприятная тяговая характеристика. Серийно выпускаемые радиально-поршневые пневмодвигатели имеют простую конструкцию, пуск, изменение режима работы,
реверс и остановка осуществляется одной рукояткой крана на подводе сжатого воздуха. Однако они имеют и недостатки, которые сужают область их применения. Это прежде всего большой расход сжатого воздуха, 80^90 кг/(кВт • ч), что связано с его низкой работоспособностью (в сотни раз меньше работоспособности бензина) и невозможностью реализовать даже эту невысокую работоспособность (из-за обмерзания при повышении степени расширения). Кроме того, поршневые пневмодвигатели имеют малую литровую мощность, большую удельную массу (кг/кВт) и большую шумность. Эти недостатки служат причиной того, что поршневые пневмодвигатели применяются только там, где их невозможно заменить никакими другими двигателями, например, в шахтах и других взрывоопасных производствах. Но отсюда следует, что многолетние совершенствования этих двигателей проводились с учетом условий их применения. В опасных производствах, как известно, на первом плане простота, надежность, безопасность, а экономичность - на втором плане. Поэтому не случайно после десятилетий совершенствования утверждаются ГОСТы на серийное производство радиально-поршневых пневмодвигателей, у которых:
а) в ущерб экономичности допускается большой мертвый объем (35%) и большие утечки сжатого воздуха в золотнике с целью упрощения воздухораспределительного устройства;
б) в ущерб экономичности, но в целях простоты реверса принимаются фазы воздухораспределе-ния без обратного сжатия и без предварения впуска;
в) в ущерб экономичности, но в целях упрощения конструкции воздухораспределения применяется рабочий цикл с полным наполнением и очень ранним предварением выхлопа (двигатель П16-25, табл. 1, [8]). Среди отечественных и зарубежных поршневых пневмодвигателей нет ни одного, который бы имел автоматически регулируемые фазы воздухораспределения в зависимости от условий осуществления рабочего цикла.
Поэтому в связи с разработкой конструкции поршневого пневмодвигателя для автомобильной КЭУ мы не можем выбрать в качестве аналога ни одной из описанных в публикациях конструкций.
В отношении разработок и рекомендаций по теоретическому циклу поршневого пневмодвигателя, впервые системно изложенных в работе академика А. С. Ильичева [13], следует отметить, что они универсальны, и безусловно, их необходимо положить в основу для предстоящих теоретических исследований. Основные выводы из анализа упомянутых выше публикаций могут быть следующими:
1) для автомобильной КЭУ схема «ДВС с пневмоприводом» может быть экономически целесообразной, если пневмодвигатель будет использоваться вместо ДВС только на тех режимах, где ДВС работает с низкой экономичностью;
2) одновременная (параллельная) работа на ведущие колеса ДВС и пневмодвигателя не может быть экономически выгодной.
О требованиях к поршневому пневмодвигателю, работающему в составе КЭУ автомобиля
Эти требования вытекают прежде всего из накопленного на данный момент опыта создания и совершенствования этих двигателей, но также учитывают нужды и условия работы на автомобиле и уже достигнутые на сегодняшний день технологии.
Принимая во внимание функции поршневого пневмодвигателя, можно указать на следующие основные требования, которые к нему предъявляются:
а) это должна быть реверсивная и обратимая воздушная машина (мотор-компрессор) с независимым автоматическим регулированием фаз возду-хораспределения в соответствии с задаваемой программой, в основе которой должна быть положена оптимизация фаз по критериям минимального удельного расхода сжатого воздуха и развития необходимого крутящего момента при пуске под нагрузкой и разгоне;
б) конструкцией машины должна быть предусмотрена возможность регулирования эффективных (внешних) параметров работы путем отключения цилиндров и снижением давления питающего воздуха от р^ до p:mm;
в) машина должна сохранять работоспособность при предельных сезонных температурах атмосферного воздуха в Украине от минус 25 °С до плюс 40 °С при подаче питательного воздуха с такой же температурой и стопроцентной влажностью;
г) в машине не должно быть жидкостной системы смазки (в том числе путем подачи жидкой смазки автоматической масленкой в напорной воздушной магистрали);
д) в моторном режиме рабочий цикл должен быть четырехпроцессным: впуск, расширение, выхлоп-выталкивание и обратное сжатие; при этом процесс расширения должен быть частичным - ограничиваемым минимально допустимой температурой отработавшего воздуха, при которой не происходит обмерзание выпускного тракта; прямой и обратный моторные режимы должны быть идентичными;
е) впускной и выпускной клапаны должны иметь наиболее прогрессивный привод - электро-гидравлический с электронным программным управлением, благодаря которому должно обеспечиваться высокое качество рабочих циклов в моторном и компрессорном режимах при прямом и обратном вращении;
ж) достигнутая к настоящему времени средняя скорость поршня сп = 3,0^3,5 м/с должна быть увеличена по крайней мере в 1,5^2,0 раза за счет применения клапанов с большими проходными сечениями и более рациональными законами их подъема и посадки, что позволит существенно повысить литровую мощность и снизить удельную металлоемкость двигателя;
з) значительное снижение удельного расхода сжатого воздуха в сравнении с существующими поршневыми пневмодвигателями должно обеспечиваться следующими основными мероприятиями:
- увеличением полноты индикаторной диаграммы за счет снижения потерь в клапанах;
- разработкой конструкции с минимальным мертвым объемом;
- сведением к минимуму утечек сжатого воздуха;
- преимущественной работой на режимах с максимально возможной степенью расширения;
- применением глушителя шума с малым гидравлическим сопротивлением;
- преимущественным применением подшипников качения;
- применением для поршневых колец пластмасс с малым коэффициентом трения;
- выполнением воздушных каналов с высокой чистотой поверхностей и высокими аэродинамическими качествами;
- оптимизацией давления в напорной воздушной магистрали;
и) машина должна иметь хорошую динамическую уравновешенность;
к) число цилиндров машины должно быть таким, чтобы обеспечивался надежный пуск с одновременным троганием автомобиля с места при полной нагрузке.
Литература
1. Токарева Н. Автогибриды: паллиатив или ре-
шение на сегодня? // Экология и жизнь. -2003. - №3. - С. 26-29.
2. Автомобили с комбинированным энергетиче-
ским приводом: Обзор разработок за рубежом // Автостроение за рубежом. - 2002. -№3. - С. 5-11.
3. Гибридная силовая установка // Автостроение
за рубежом. - 2002. - №4. - С. 18.
4. Коммерческие концептуальные автомобили из
Японии // Автостроение за рубежом. - 2004.
- №3. - С. 2-3.
5. Борисенко К.С. Пневматические двигатели
горных машин. - М.: Углетехиздат, 1958. -205 с.
6. Зеленецкий С.Б., Рябков Е.Д., Микеров А.Г.
Ротационные пневматические двигатели. -Л.: Машиностроение, 1976. - 240 с.
7. Дегтярев В.И., Мялковский В.И., Борисенко
К.С. Шахтные пневмомоторы. - М.: Недра, 1979. - 189 с.
8. Зиневич В. Д., Гешлин Л. А. Поршневые и шес-
теренные пневмодвигатели горно-шахтного оборудования. - М.: Недра, 1982. - 200 с.
9. Муратов В.А., Пирогов Л.И., Чернилов И.Г.
Пневмопривод в отечественных и зарубежных горнорудных машинах. - М.:
НИИИНФОРМТЯЖМА111. 1970.
10. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомо-
бильных и тракторных двигателей. - М.: Высш. школа, 1980. - 400 с.
11. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К.
Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В.М. Бродянского. - М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 288 с.
12. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. -
Л.: Машиностроение, 1969. - 744 с.
13. Ильичев А.С. Рудничные пневматические установки. Т.1. - М.: Углетехиздат, 1953. -630 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 21 апреля 2006 г.
