CC BY
45
94
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
УДК 621.5
ИЗМЕНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ ПО СКОРОСТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ БЕЗ ПОДОГРЕВА ЗАРЯДА НА ВПУСКЕ
А.И. Воронков, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрены экспериментальные данные об изменении по скоростным характеристикам энергетических индикаторных показателей четырехцилиндрового поршневого пневмодвигателя D/S = 76/66 с золотниковым воздухораспределителем при неизменной температуре сжатого воздуха на входе.
Ключевые слова: поршневой пневмодвигатель с золотниковым воздухораспределением, рабочий процесс, индикаторные показатели, стендовые испытания, скоростная характеристика, индикаторная диаграмма.
ЗМІНА ЕНЕРГЕТИЧНИХ ІНДИКАТОРНИХ ПОКАЗНИКІВ ПНЕВМОДВИГУНА ЗА ШВИДКІСНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ БЕЗ ПІДІГРІВАННЯ ЗАРЯДУ НА ВПУСКУ
О.І. Воронков, доц., к.т.н., Харківський національний автомобільно-дорожній університет
Анотація. Розглянуто експериментальні дані щодо зміни за швидкісними характеристиками енергетичних індикаторних показників чотирициліндрового поршневого пневмодвигуна D/S = 76/66 із золотниковим повітророзподільником за незмінної температури стисненого повітря на вході.
Ключові слова: поршневий пневмодвигун із золотниковим повітророзподільником, робочий процес, індикаторні показники, стендові випробування, швидкісна характеристика, індикаторна діаграма.
CHANGE ON SPEED AIR CHARACTERISTICS THE POWER INDICATOR INDEXES OF PNEUMATIC ENGINE WITHOUT HEATING THE CHARGE DURING THE ADMITTANCE
A. Voronkov, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.),
Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The experimental data on change according to speed characteristics of power indicator indexes of the four cylinder pneumatic engine D/S = 76/66 with a slide-valve air distributor at unchangeable temperature of compressed input air is considered.
Key words: piston pneumatic engine with slide-valve air distribution, working process, indicator indexes, stand tests, speed description.
Введение
Объектом экспериментального исследования принят поршневой четырехцилиндровый F-образный пневмодвигатель, созданный ка-
федрой ДВС ХНАДУ и установленный для лабораторных исследований на действующем испытательном стенде в лаборатории кафедры. На двигателе установлено золотниковое воздухораспределение.
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
95
Рассматриваемое в данной статье экспериментальное исследование лежит в русле накопления экспериментальных данных по проблеме изучения рабочего процесса пневмодвигателя.
Приведены результаты экспериментального исследования рабочего процесса пневмодвигателя при его работе по скоростным характеристикам рвх = idem при подаче сжатого воздуха в цилиндр с температурой окружающей среды (без подогрева на входе). Данное исследование является частью цикла работ, выполненных по изучению экономических и энергетических показателей пневмодвигателя.
Анализ публикаций
На сегодняшний день известно большое количество публикаций [1-13] по применению пневмодвигателя на автомобиле или других установках. Однако работ по изучению рабочего процесса и, в частности, экспериментальных исследований рабочего процесса пневмодвигателей, проведено недостаточно.
Цель и задачи исследования
Целью работы является проведение испытаний и анализ результатов стендовых испытаний пневмодвигателя по скоростным характеристикам без подогрева сжатого воздуха на входе. В работе были поставлены следующие задачи:
1. Снять во время испытаний пневмодвигателя индикаторные диаграммы для определения основных энергетических индикаторных показателей: цикловой индикаторной работы Ц, кДж, среднего индикаторного давления Р , МПа, и индикаторной мощности Nf, кВт.
2. При давлениях сжатого воздуха на входе рвх = 0,5; 0,7; 0,9 и 1,1 МПа определить экспериментальные закономерности изменения площади индикаторной диаграммы Ft = Ц в функции частоты вращения коленчатого вала п, мин-1, и давления рвх.
3. Получить в графическом виде экспериментально полученные закономерности изменения индикаторных энергетических показателей р и N по названным скоростным характеристикам и дать соответствующий анализ полученных закономерностей.
Экспериментальное исследование
На первом этапе испытаний, который выполнялся без подогрева сжатого воздуха на входе в воздухораспределительную систему при его температуре Гвх = 293 + 2 К, было зафиксировано 27 режимов, относящихся к четырем скоростным характеристикам при давлениях сжатого воздуха на входе рвх = 0,5; 0,7; 0,9; 1,1 МПа с индицированием первого цилиндра. Диаграммы представлены такими, какими их зафиксировала измерительная аппаратура - без осреднения и какой-либо коррекции.
Для демонстрации в данной статье выбраны диаграммы с самой низкой и самой высокой частотами вращения п при одинаковых давлениях сжатого воздуха на входе.
На рис. 1 показано, как изменяется по скоростным характеристикам рвх1 = 0,5 МПа = idem, рвх2 = 0,7 МПа = idem, рвх3 = 0,9 МПа = idem и рвх4 = 1,1 МПа = idem цикловая индикаторная работа Ц, кДж, которая равна площади диаграммы F, имеющей ту же размерность.
Рис. 1. Изменение цикловой индикаторной работы Lf пневмодвигателя при его стендовых испытаниях по скоростным характеристикам без подогрева сжатого воздуха на входе
По своей физической сущности Ц и F представляют собой одно и то же - цикловую работу рабочего тела. Как видно из
96
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
рис. 1, величина Ц с увеличением п снижается, и чем выше давление рвх, тем резче происходит снижение.
что очень, как видно из сопоставления диаграмм на рис. 2 и 3, сдеформировало контур диаграммы при неизмененном давлении на входе 0,7 МПа.
Такой характер изменения цикловой индикаторной работы объясняется, главным образом, возрастанием по мере роста п и рвх гидравлических потерь давления в цилиндре в процессах наполнения и выталкивания из цилиндра отработанного воздуха. Это легко можно понаблюдать по снятым индикаторным диаграммам, по изменению среднего давления в цилиндре в процессе наполнения рнаполн и средней величины гидравлических потерь в процессе наполнения Арнаполн = рвх -- рнаполн. Так, например, на режиме № 8, при рвх = 0,7 МПа и п = 206 мин1 (рис. 2),
рнаполн — 0,60 МПа, а Арнаполн 0,1° МПа. Н°
уже на следующем режиме № 9, при том же давлении на входе рвх = 0,7 МПа и возросшей скорости вращения до п = 414 мин1, среднее давление в цилиндре в процессе наполнения упало до рнаполн = 0,55 МПа, что вызвало увеличение Арнаполн до 0,15 МПа.
Рис. 2. Индикаторная диаграмма, снятая при работе пневмодвигателя на скоростном режиме n = 206 мин-1 и давлении сжатого воздуха на входе рвх = 0,7 МПа. Среднее давление процесса наполнения рнаполн = 0,60 МПа. Средняя величина гидравлических потерь в процессе наполнения Арнаполн = 0,10 МПа
При максимальной частоте вращения п = 1009 мин1 рнаполн снизилось до 0,382 МПа (рис. 3), а гидравлические потери Арнаполн выросли до 0,318 МПа; вся линия наполнения и расширения диаграммы значительно опустилась, а линия выталкивания и обратного сжатия отработанного воздуха поднялась вверх,
При других давлениях сжатого воздуха на входе, т.е. при работе пневмодвигателя по другим скоростным характеристикам происходят деформации индикаторных диаграмм, подобные оборотам п.
Рис. 3. Индикаторная диаграмма, снятая при работе пневмодвигателя на скоростном режиме n = 1009 мин-1 и давлении сжатого воздуха на входе рвх = 0,7 МПа. Среднее давление процесса наполнения рнаполн = 0,382 МПа. Средняя величина гидравлических потерь в процессе наполнения Арнаполн = 0,318 МПа
Как изменяются величины среднего давления в цилиндре в процессе наполнения рнаполн и гидравлические потери в этом процессе Арнаполн при работе пневмодвигателя по всем четырем рассматриваемым скоростным характеристикам, показано на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Изменение по скоростным характеристикам среднего давления в цилиндре в процессе наполнения пневмодвигателя
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
97
Характер изменения по скоростным характеристикам цикловой индикаторной работы L. влияет и на закономерности изменения других индикаторных параметров, которые будут рассмотрены ниже.
0,6 х
^Рнапо/ 1Н -Р« \Х і 1,11 Vina \ = ІС 1ет У
МПа
0,4 У
л у
0,3 п у у
У 0, У У
0,2 ✓ *07
0,1 о;г
0
100 300 500 700 мин1 1100
П ---►
Рис. 5. Изменение по скоростным характеристикам разности давления сжатого воздуха на входе и среднего давления в цилиндре в процессе наполнения рвх - рнаполн, полученное обработкой индикаторных диаграмм, снятых при стендовых испытаниях пневмодвигателя
На рис. 6 показано, как по рассматриваемым скоростным характеристикам изменяется среднее индикаторное давление
pt = ц / Vh = Ц /0,2994, МПа. (1)
Рис 6. Изменение среднего индикаторного давления рі при испытании пневмодвигателя по скоростным характеристикам без подогрева сжатого воздуха на входе
Из этой формулы видно, что р. полностью повторяет закономерности L., рассмотренные выше. Заметим, что среднее индикаторное давление р. является важнейшим удельным параметром пневмодвигателя. Он показывает, какое количество полезной индикаторной работы получается на один литр рабочего объема цилиндра в результате осуществления рабочего процесса на данном режиме работы пневмодвигателя. Среднее индикаторное давление от режима к режиму существенно изменяется. При неизменном давлении энергоносителя на входе, т.е. в течение одной и той же скоростной характеристики, оно изменяется, как это видно из рис. 6, в два раза. Изменяется p. так же, как и L., - нелинейно: по мере роста частоты вращения п снижение этих параметров становится все более интенсивным.
На рис. 7 представлено изменение по скоростным характеристикам индикаторной мощности N., кВт, - определяющего параметра, формирующего главный энергетический показатель двигателя - его эффективную мощность.
стикам индикаторной мощности пневмодвигателя N при его стендовых испытаниях без подогрева сжатого воздуха на входе
98
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
Вычисляется индикаторная мощность по известной зависимости
N = p Vh • z • n /60 = Lt • z • n / 60, кВт, (2)
где z = 4 - число цилиндров пневмодвигателя.
Важно отметить, что Nt есть функция произведения двух параметров Lt и n, изменяющихся по скоростным характеристикам прямо противоположно и с различной интенсивностью. Известно, что такая функция обязательно имеет экстремум. В данном случае имеет место максимум.
При Рвх = 0,5 МПа, Ni max = 2,15 кВт; при Рвх = 0,7 МПа, Ni max = 3,75 кВт; при
Рвх = 0,9 МПа, Ni max = 5,75 кВт; при
Рвх = 1,1 МПа, N max = 8,25 кВт. По мере роста давления сжатого воздуха на входе положение режима Nf max имеет тенденцию
сдвига в сторону более высокой частоты вращения вала.
В статье рассмотрены экспериментальные зависимости энергетических индикаторных показателей рабочего процесса, не зависящих от количества потребляемого сжатого воздуха, т.е. не имеющих отношения к экономичности и КПД пневмодвигателя.
Выводы
1. В работе показано, что исходными данными для определения основных энергетических индикаторных показателей: цикловой индикаторной работы Lt, кДж, среднего индикаторного давления pt, МПа, и индикаторной мощности Nt, кВт, служат снятые во время испытаний пневмодвигателя индикаторные диаграммы; в работе для примера дан анализ двух индикаторных диаграмм для режимов работы пневмодвигателя, отличающихся частотой вращения коленчатого вала и нагрузкой.
2. Главное, что достигнуто в результате стендовых испытаний пневмодвигателя по четырем скоростным характеристикам при давлениях сжатого воздуха на входе рвх = 0,5; 0,7; 0,9 и 1,1 МПа, - это получение экспери-
ментальных закономерностей изменения по названым характеристикам площади индикаторной диаграммы F = Ц в функции частоты вращения коленчатого вала п, мин-1 и давления рвх.
3. В работе представлены в графическом виде экспериментально полученные закономерности изменения индикаторных энергетических показателей pt и Nt по названным скоростным характеристикам и дан соответствующий анализ полученных закономерностей.
Литература
1. Автомобили с комбинированным энерге-
тическим приводом: обзор разработок за рубежом // Автостроение за рубежом. -2002. - № 3. - С. 5-11.
2. Гибридная силовая установка // Автостро-
ение за рубежом. - 2002. - № 4. -
С. 18.
3. О требованиях к конструкции и рабочему
процессу пневмодвигателя для комбинированной энергоустановки автомобиля / А. Н. Туренко, В. А. Богомолов, Ф. И. Абрамчук и др. // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2006. -Вып. 18. - С. 7-12.
4. Гібридні автомобілі / О. В. Бажинов, О. П. Сми-
рнов, С. А. Сєріков та ін. - Х: ХНАДУ, 2008. - 328 с.
5. Смирнов О. П. Характерні режими роботи
гібридної енергетичної установки автомобіля / О. П. Смирнов, В. І. Калмиков // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр.
- Вып. 18. - С. 13-15.
6. Жданов Е. Международный автосалон
NAJAS-2010 в Детройте / Е. Жданов // Автостроение за рубежом. - 2010. -№ 4. - С. 2-5.
7. Борисенко К. С. Пневматические двигате-
ли горных машин / К. С. Борисенко. -М.: Углетехиздат, 1958. - 208 с.
8. Зеленецкий С. Б. Ротационные пневмати-
ческие двигатели / С. Б. Зеленецкий, Е. Д. Рябов, А. Г. Микеров. - Л.: Машиностроение, 1976. - 240 с.
9. Дегтярев В.И. Шахтные пневмоторы /
В.И. Дегтярев, В.И. Мялковский, К.С. Борисенко. - М.: Недра, 1979. - 192 с.
10. Зиневич В.Д. Поршневые и шестерные пневмодвигатели горно-шахтного оборудования / В.Д. Зиневич, Л.А. Гешлин.
- М.: Недра, 1982. - 200 с.
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
99
11. Муратов В. А. Пневмопривод в отечественных и зарубежных горнорудных машинах / В.А. Муратов, Л.И. Пирогов, И.Г. Чернилов. - М.: НИИинформтяж-маш, 1970.
12. Ильичев А. С. Рудничные пневматические установки / А. С. Ильичев. - М.: Углетехиздат, 1953. - Т. 1. - 632 с.
13. Пневмодвигатель для автомобильной гиб-
ридной силовой установки / А.Н. Турен-ко, В.А. Богомолов, Ф.И. Абрамчук и др. // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2009. - Вып. 24. - С. 7-10.
References
1. Avtomobyly s kombinirovynnym ener-
getycheskym pryvodom: obzorrazrabotok za rubezhom. Avtostroenye za rubezhom, 2002, vol. 3. рр. 5-11.
2. Gybridnaja sylovaja ustanovka. Avtostroenye
za rubezhom, 2002, vol. 4. p.18.
3. Turenko A.N., Bogomolov V.A., Abram-
chuk F.Y. O trebovanyjah k konstrukcii y rabochemu processu pnevmodvygatelja dlja kombynyrovannoj energoustanovki avtomobylja. Avtomobyl'nyj transport: sb. nauch. tr., 2006, vol. 18. рр. 7-12.
4. Bazhynov O.V., Smyrnov O.P., Sjerikov S.A.
Gibrydni avtomobili. Kharkov, KhNADU Publ., 2008, 328 p.
5. Smyrnov O.P., Kalmykov V.I. Harakternii
rezhymy roboty gibrydnoi' energetychnoi' ustanovky avtomobilja. Avtomobyl'nyj transport: sb. nauch. tr., 2006, vol. 18. рр. 13-15.
6. Zhdanov E. Mezhdunarodnyj avtosalon
NAJAS-2010 v Detrojte. Avtostroenye za rubezhom, 2010, vol. 4. рр. 2-5.
7. Borysenko K. S. Pnevmatycheskye dvygately
gornyh mashyn. Moskow, Ugletehyzdat Publ., 1958. 208 p.
8. Zeleneckyj S.B., Rjabov E.D., Mykerov A.G.
Rotacyonnye pnevmatycheskye dvygateli. Leningrad, Mashynostroenye Publ., 1976. 240 p.
9. Degtjarev V.Y., Mjalkovskyj V.Y., Borysenko K.S. Shahtnyepne v motory. Moskow, Nedra Publ., 1979. 192 p.
10. Zynevych V.D., Geshlyn L.A. Porshnevye y
shesternye pnevmodvygately gorno-shaht-nogo oborudovanyja. Moskow, Nedra Publ., 1982. 200 p.
11. Muratov V.A., Pyrogov L.Y., Cherny-lov Y.G. Pnevmopryvod v otechestvennyh y zarubezhnyh gornorudnyh mashynah. Moskow, NYYinformtjazh-mash Publ., 1970.
12. Yl'ychev A.S. Rudnychnye pnevmaty-cheskye ustanovky. Moskow, Ugletehyzdat Publ., 1953, vol. 1. 632 p.
13. Turenko A.N., Bogomolov V.A., Abramchuk F.Y. Pnevmodvygatel' dlja avtomo-byl'noj gybrydnojsylovoj ustanovky. Avtomobyl'nyj transport: sb. nauch. tr., 2009, vol. 24. рр. 7-10.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 июля 2014 г.
