CC BY
21
УДК 621.4 ГРНТИ 44.41.31
К ВОПРОСУ О КОНЦЕПЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ГОРОДСКОГО ТРАНСПОРТА
Руднев В.В., Хасанова М.Л.
Челябинский государственный педагогический университет Россия, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 69; postbox@cspu.ru
Излагается концепция комбинированной энергетической установки городского транспорта, разработанная на основе принципиальной возможности аккумулирования и утилизации энергии в виде сжатого воздуха в ресиверах и теплоты, содержащейся в отработавших газах, тепловых аккумуляторах, и последующее применение этой энергии для форсирования комбинированной силовой энергоустановкой на пиковых режимах.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, автотранспортные средства, расход топлива, газораспределение, тепловые аккумуляторы.
CONCEPT OF THE COMBINED POWER INSTALLATION OF A MUNICIPAL TRANSPORT
Rudnev V.V., HasanovaM. L.
Chelyabinsk State Pedagogical University
Russia, 454080, Chelyabinsk, pr. Lenina, 69; postbox@cspu.ru
The article deals with the concept of the combined power installation of a municipal transport. The concept is developed on the basis of possibility of accumulation and recycling of the energy in the forms of compressed air in receivers and of warmth contained in fulfilled gases and thermal accumulators. The authors consider follow-on application of this energy for its speeding up by the combined power installation on peak modes.
Keywords: an internal combustion engine, vehicles, fuel consumption, thermal accumulators.
Двигатель внутреннего сгорания был изобретен более ста лет назад. И на протяжении всего периода существования он непрерывно совершенствовался. За последние 10-20 лет для ведущих мировых производителей и потребителей автотранспортных средств одной из актуальнейших стала проблема снижения расхода топлива и выброса вредных веществ. Постоянное ужесточение экологических требований в связи с глобальным загрязнением планеты и намечающимся обострением общемирового энергетического кризиса активизировали в последние годы поиск новых решений.
К настоящему времени успехи в развитии двигателей внутреннего сгорания (ДВС) были достигнуты в упорной конкурентной
борьбе с другими видами энергоустановок. В конце прошлого века ведущие зарубежные фирмы, особенно американские, вели интенсивные исследования по созданию автомобильных газотурбинных двигателей, двигателей Стирлинга и силовых установок других конструкций, в том числе и на топливных элементах. Однако планировавшееся внедрение их в производство так и не было осуществлено ввиду экономической нецелесообразности [4].
У поршневых ДВС, наиболее широко используемого типа силовых установок, есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это, прежде всего, топливная экономичность и возможность удовлетворения международ-
ным требованиям по экологии. Отлажен-ность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость (затраты/ кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров показали, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции.
Например, существенный рост КПД бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува и переходу на четырехк-лапанное газораспределение; повышению степени сжатия до 10,5...13,0; расширению пределов эффективного обеднения смеси путем повышения турбулентности заряда в цилиндре [3].
Все перечисленные эколого-экономиче-ские показатели поршневых ДВС позволяют рассматривать их (на ближайшую перспективу) как основной вид источников энергии для автотранспортных средств.
За прошедшие 30 лет удельный расход топлива был снижен почти в полтора раза. Следует отметить, что в настоящее время другой удельный показатель расхода топлива — в литрах на 100 км, отнесенный к одному литру рабочего объема двигателя, составляет для бензиновых двигателей с искровым зажиганием 4,5; а для двигателей с воспламенением от сжатия — 3,0 [8].
Нерешенная конструкторами ДВС проблема резкого снижения расхода топлива и СО2 автомобилями массового производства привлекла внимание конструкторов других отраслей промышленности (в частности, электротехнической). Они обратились к созданию сначала электромобилей, а затем и автомобилей с гибридными силовыми энергоустановками.
Под гибридной, или комбинированной, силовой энергоустановкой (далее — КЭУ) подразумевают комплексную силовую установку, состоящую из поршневого ДВС, электрогенератора, приводных электродвигателей, накопителя электроэнергии (аккумулятора) и системы микропроцессорного управления и оптимального регулирования. Это может обеспечить снижение расхода топлива в городских условиях движения на 28—32 %.
Проблемным вопросом для КЭУ остается необходимость оптимизации характеристик ДВС на различных режимах и при
различных частотах вращения вала в зависимости от требуемой для автомобиля мощности, то есть для различных условий работы ДВС в городских условиях и на магистралях. Изучение влияния формы универсальной характеристики двигателя на топливно-экономические и экологические показатели автомобиля ведется с 60-х— 70-х гг. минувшего столетия. При движении автомобиля в городских условиях на малых скоростях - от 10 до 60 км/ч - ДВС работает в диапазоне малых нагрузок и малых частот вращения вала. Реальные режимы работы ДВС находятся далеко от зоны минимальных удельных расходов топлива. При этом до 40 % времени в городских условиях ДВС работает вообще без нагрузки [5]. Исходя из вышеизложенного, необходимо, чтобы двигатель работал в экономичном установившемся режиме с постоянной нагрузкой и постоянной частотой вращения коленчатого вала весь период эксплуатации, совершая полезную работу.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для получения наибольшего эффекта по снижению расхода топлива и СО2 (парникового газа), а также выброса вредных веществ необходимо уменьшение литража ДВС, чтобы соединить режимы работы автомобиля в условиях города с зоной наименьших удельных расходов топлива и иметь накопленную энергию для преодоления импульсных нагрузок во время разгона.
В настоящее время в мировой практике двигателестроения рассматриваются (исследуются и активно патентуются) два направления: первое — это гибридные силовые установки с электрическим приводом и накопителями энергии в электрических аккумуляторах; второе - это применение гибридных силовых установок с пневматическим приводом с накоплением энергии в виде сжатого воздуха в баллонах.
Оба направления не используют энергию сжигаемого топлива в полном объеме. Имеются неиспользуемые резервы повышения эффективности автомобильных энергетических установок путем утилизации с последующим накоплением (аккумулированием) энергии в форме теплоты, содержащейся в отработавших газах и охлаждающих жидкостях двигателей [7].
Повысить потенциал электрической энергии в гибридных силовых установках с накоплением в электрических аккумуляторах достаточно сложно и дорого, в то же время прямое воздействие на сжатый воздух тепловой энергии из тепловых аккумуля-
торов может обеспечить повышение коэффициента полезного действия установок на 30-50 %, а также существенно снизить токсичность отработавших газов.
Наиболее эффективными для мобильных машин являются тепловые аккумуляторы на основе фазового перехода (далее — ТАФП). В ТАФП необходимо накапливать бросовую теплоту отработавших газов и системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Рассмотрим математическую модель процесса хранения теплоты в тепловом аккумуляторе на примере утилизации из системы охлаждения. Во время работы ДВС при температуре окружающей среды (Т0) поток охлаждающей жидкости (ОЖ) с переменным во времени массовым расходом (Ож = Сж(т)) и постоянной температурой входа (Тжвх = const) поступает в ТАФП, отдаст часть своей теплоты и с параметрами Ож = Ож(т) и Тжвх = Тжвых (т) вновь поступает в ДВС, где Тжвых (т) - температура ОЖ на выходе из ТАФП. В процессе зарядки ТАФП часть утилизируемой энергии рассеивается в окружающей среде с переменной во времени интенсивностью Qa =Qa(т).
Накопление ТАФП теплоты происходит за счет плавления фазопереходного те-плоаккумулирующего материала (далее -ТАМ), когда по трубному теплообменнику проходит поток ОЖ. Слой тепловой изоляции препятствует интенсивному теплообмену ТАМа с окружающей средой.
Конструкция системы теплового аккумулятора двигателя [2] позволяет эксплуатировать его в трех режимах: первый — режим зарядки ТАФП; второй — режим хранения теплоты; третий — режим разрядки ТАФП.
Целью создания детерминированной математической модели процесса хранения теплоты в ТАФП является получение зависимостей, позволяющих изучать его функционирование в течение этого процесса.
Основной математической зависимостью для рассматриваемого процесса является зависимость, позволяющая рассчитывать среднюю по всему теплоаккумулирующему объему температуру теплоаккумулирующего материала: Тт в каждый момент времени т.
Для построения математической модели введем следующие допущения.
1. Тепловое состояние ТАМа будем описывать с помощью средней по всему тепло-аккумулирующему объему температуры Тт, изменяющейся во времени.
Весь процесс хранения тепловой энергии условно разделим на два периода. Пер-
вый период — охлаждение ТАМа в жидкой фазе от начальной температуры, равной конечной температуре нагрева ТАМа Т
х х ^х т КОн
в процессе зарядки ТАФП до средней температуры Тт, равной температуре фазового перехода Тф = Тпл . Второй период — кристаллизация ТАМа при Тф = Тпл. Практический интерес представляет только первый период. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать процесс хранения теплоты в интервале температур Т, < Т < Т .
А ^ А ф т т кон
2. Коэффициенты переноса (коэффициенты теплопроводности, теплоотдачи) и удельные массовые теплоемкости материалов, участвующие в процессе теплопередачи, не зависят от температуры.
С учетом сделанных выше допущений справедливы следующие уравнения в дифференциальной форме:
— уравнение теплопередачи от ТАМа к окружающему воздуху
aQ = к0 F (Тт-Т0) ат, (1)
^пот 0 пов 4 Т 0/ 7 4 '
где aQ — бесконечно малое количество те-
^ ^пот
плоты, рассеиваемое ТАФП в окружающую среду в течение времени ат, Дж; к0 - коэффициент теплопередачи от ТАМа к окружающему воздуху, Вт/(м2К); Fпов — площадь поверхности ТАФП, излучающей теплоту, м2: ; Т0 — температура окружающей среды, К; — уравнение теплового баланса для ТАМа aQT = тт Сжт а Тт , (2)
где aQT — бесконечно малое изменение энергоемкости ТАФП при изменении температуры ТАМа на aTT, Дж; тт — масса ТАМа, кг; Сжт — удельная массовая теплоемкость ТАМа в жидкой фазе, Дж/(кгК). Так как
aQnom = - aQт , (3)
то с учетом (1), (2) после несложных преобразований получаем следующее линейное дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами:
dTj- к0 -Fnoe
Тт-
. (4)
ат ' тт-С$ ~ ' тт-Ст
Известно, что при т = 0 средняя по те-плоаккумулирующему объему температура ТАМа тт равна конечной температуре его нагрева ТТкон в процессе зарядки ТАФП. Следовательно, начальным условием для решения дифференциального уравнения (4) будет являться следующее выражение:
тт(°) = тт кон
Тогда, решая уравнение (4) с учетом начального условия (5), получаем:
7>(т) = Т0 + (7> кон - Т0)ехр [- ■ т].(6)
Исследуем общее решение (6). Если т=0, то в соответствии с (6) Тт(0) = ТТкон, что соответствует начальному условию (5).
Функция (6) позволяет определить время т , в течение которого ТАМ охлаждает-
ном' 1 ^
ся от Т = Т Т Т,. Действительно, если
Т Т кон до Т= ф г 1 7
положим т = т , Т(т )_Т, получаем
ном I 4 ном = ф, то ^
1п-
ф, то
(7)
Таким образом, уравнения (6), (7) и представляют собой искомые математические зависимости, позволяющие анализировать функционирование ТАФП в процессе хранения теплоты.
Полученное уравнение (6) представляет собой экспоненциальную зависимость, что соответствует ходу изменения большинства физических величин, изменяющихся во времени.
В отличие от математической модели процесса зарядки ТЛФП, в которой потери учитывались введением КПД зарядки ц, в рассматриваемой модели тепловые потери рассчитываются в явной форме — путем вычисления коэффициента теплопередачи к0.
Решение вопроса долгосрочного аккумулирования тепловой энергии — актуальная задача для обеспечения эффективности КЭУ. В результате разработана математическая модель одного из режимов эксплуатации системы, получены аналитические выражения и математические зависимости, позволяющие анализировать функционирование ТЛФП в процессе хранения теплоты.
Разработана схема альтернативной КЭУ, реализующая изложенный принцип новыми техническими средствами.
Их особенностями является использование аккумуляторов энергии не только в традиционной форме работы, но и в форме теплоты [1,4,9,10]. Аккумуляторы накапливают постоянно вырабатываемую энергию и отдают ее в зависимости от интенсивности потребления. Вариант альтернативной КЭУ с параллельным преобразованием энергии и аккумуляторами энергии в формах теплоты и работы представлен на рис. 1.
Анализ показывает большую эффективность установок с параллельными потоками энергопреобразований, причем тепловая энергия накапливается в тепловом аккумуляторе, а механическая — в аккумуляторе механической энергии. После объединения их в интеграторе происходит передача энергии потребителю в зависимости от потребности транспортного средства в преодолении дорожных сопротивлений.
Химическая реакция с выделением тепловой энергии
Аккумулятор тепловой энергии
I
Преобразование тепловой энергии в механическую
С
Аккумулятор механической энергии
Интегратор
тт
Потребитель механической энергии
Рис. 1. Альтернативная КЭУ с параллельным преобразованием, рекуперацией и аккумулированием энергии
При этом возможна рекуперация энергии, например при торможении автомобиля, с помощью аккумуляторов, что позволит значительно повысить его экономичность.
Анализ показал, что наиболее целесообразным техническим решением для практической реализации предлагаемых схем является комбинированная энергетическая установка (рис. 2), состоящая из первично -го теплового двигателя (ПТД), аккумуляторов энергии в форме теплоты и работы (АТ и АР) и вторичного теплового двигателя (ВТД), использующего накопленную в аккумуляторах энергию и способного пополнять её путем рекуперации, например в режимах торможения.
Мощность, развиваемая первичным тепловым двигателем, не связана с потребляемой для преодоления дорожного сопротивления в конкретный момент времени. Поэтому ПТД может работать в наиболее экономичном стационарном режиме. Необходимая эффективная мощность ПТД определяется из баланса выработанной энергии в формах теплоты и работы и используемой энергии в форме работы с учетом возможной рекуперации.
Таким образом, с позиций целесообразности расходования ресурсов СУ легкового автомобиля недостаточно эффективна, особенно в городе. Для реализации концепции городского автомобиля, которая позволит существенно повысить его эффективность,
топливо воздух Ц^) Двигатель внутреннего сгорания (мощность 1-1,5 кВт, продолжительность работы до 20 часов в сутки)
Привод компрессора
воздух Компрессор (мощность 1 кВт, Горячие отработавшие газы
давление до 20-30 МПа)
Сжатый воздух
Аккумулятор механической энергии (рессивер сжатого воздуха с давлением до 20-30 МПа, накапливаемая мощность до 20 кВт ч)
Аккумулятор тепловой энергии (накапливаемая мощность до 20 кВт ч)
Холодные тработавшие газы
Тепловая расширительная машина (тепловой пневмодвигатель, средняя мощность до 10 кВт, максимальная мощность до 30 кВт, продолжительность работы 4-6 часов в сутки)
Потребитель механической энергии
Рис. 2. Альтернативная КЭУ с первичным тепловым двигателем, расширительной машиной (вторичный тепловой двигатель) и различных аккумуляторов
необходимо сформулировать концепцию его СУ. Её главными положениями являются:
— целесообразность максимально возможного снижения мощности теплового двигателя и оптимизации его рабочих режимов для повышения экономичности и снижения токсичности ОГ;
— необходимость аккумулирования энергии отработавших газов и инерции движения автомобиля с ее последующим использованием для обеспечения требуемых динамических показателей автомобиля;
— возможность частичного восстановления запаса энергии за счет внешнего источника;
— возможность использования различных сортов топлива.
При проведении эксперимента и расчетов для определения мощности предлагаемых двигателей использовали имеющиеся опытные данные по структуре цикла движения автомобиля и доле времени рекуперации (режимы торможения) [1,3], а также данные по потерям энергии при её аккумулировании и передаче в подводных аппаратах с тепловыми аккумуляторами. Например, при умеренно интенсивной эксплуатации автомобиля массой 800 кг в городском цикле, в течение 10 часов, с пробегом 400 км, с характерной средней скоростью движения 18-20 км/час [4] и времени работы двигателя в течение 18-20 часов, его мощность составляет не более 5-10 кВт. Полученная мощность в 5-7 раз меньше мощности двигателя автомобиля-аналога, выполненного по традиционной схеме, и на 20 % меньше мощности ДВС для схемы гибридной силовой установки с электропреобразованием энергии теплового двигателя. При этом возможности аккумулятора теплового и аккумулятора сжатого воздуха позволяют кратковременно увеличивать мощность предлагаемых двигателей для обеспечения требуемых динамических показателей городского автомобиля.
Вывод. Повышение эффективности двигателей городского транспорта связано с их способностью рекуперировать и накапливать энергию в различного рода аккумуляторах. Радикальным методом решения указанной задачи является реализация принципиальной возможности аккумулирования и утилизации энергии в виде сжатого воздуха в ресиверах и теплоты, содержащейся в отработавших газах, в тепловых аккумуляторах, и последующее применение этой энергии для форсирования КЭУ на пиковых режимах. Реализованы возможности утилизации и аккумулирования энергии с последующим ее использованием на переходных режимах работы в городских условиях эксплуатации.
Смесь использованного воздуха и отработавших газов
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Арав Б.Л., Руднев В.В. Концепция экологически безопасной комбинированной энергетической установки городского автомобиля // Вестн. Рос. Акад. транспорта. — Вып. 5. — Курган: КГУ, 2005. - С. 112-114 с.
2. Дружинин П.В., Коричев А.А., Косенков И.А. Предпусковая подготовка двигателей внутреннего сгорания при технической эксплуатации транспортных машин // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2009. - № 4 (10). - С. 7-12.
3. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. - М.: Транспорт, 1990. - 135 с.
4. Кукис В.С. Утилизация теплоты отработавших газов как средство повышения мощност-ных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС // Авиационно-космическая техника и технологии. - Вып. 41/6. - Харьков: ХАИ,2003. - С. 174-176.
5. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.
6. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.
7. Руднев В.В., Кукис В.С. Двигатель для утилизации теплоты отработавших газов // Тр. международного форума по проблемам науки, техники и образования. — М.: Академия наук о земле, 2000. — Т. 1. — С. 56—57.
8. Руднев В.В., Арав Б.Л., Александров Н.Е., Костров В.Ю., Амелин Д.И. Решение экологических проблем в городском транспорте применением комбинированных энергетических установок // Вестник КГТУ. Сер. Транспорт. — Красноярск: КГТУ, 2005. — Вып. 39. — С. 192—195.
9. Умняшкин В.А. Филькина А.Н. и др. Автомобили особо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. —138 с.
10. Патент на полезную модель № 85561. Комбинированный парогазовый двигатель / В.В. Руднев, М.Л. Хасанова, Нестеров К.Б. Приоритет 20.03.2009. Опубл. 10.08.2009. Бюл. № 22.
REFERENCES
1. Arav B.L., Rudnev V.V. Kontseptsiya ekologicheski bezopasnoy kombinirovannoy energeticheskoy ustanovki gorodskogo avtomobilya // Vestn. Ros. Akad. transporta. —Vyp. 5 — Kurgan: KGU, 2005. - S. 112-114.
2. Druzhinin P.V., Korichev A.A., Kosenkov I.A. Predpuskovaya podgotovka dvigateley vnu-trennego sgoraniya pri tehnicheskoy ekspluatatsii transportnyh mashin/ Tehniko-tehnologicheskie problemy servisa. - 2009. - № 4 (10). - S. 7-12.
3. Govoruschenko N. Ya. Ekonomiya topliva i snizhenie toksichnosti na avtomobiTnom transport«. - M.: Transport, 1990. -135 s.
4. Kukis V.S. Utilizatsiya teploty otrabo-tavshih gazov kak sredstvo povysheniya moschnost-nyh, ekonomicheskih i ekelogicheskih pokazateley porshnevyh DVS//Aviatsionno-kosmicheskaya tehnika i tehnologii. - Vyp. 41/6. - Har4kov: HAI, 2003 - S. 174-176.
5. Litvinov A.S., Farobin Ya. E. AvtomobiT: Teoriya ekspluatatsionnyh svoystv. - M.: Mashi-nostroenie, 1989. - 240 s.
6. Rudnev V.V., Kukis V.S. DvigateP dlya utilizatsii teploty otrabotavshyh gazov // Tr. mezh-dunarodnogo foruma po problemam nauki, tehniki i obrazovaniya. —M.: Akademiya nauk o zemle, 2000. - T.1. - S. 56-57.
7. Rudnev V.V., Arav B.L., Aleksandrov N.E., Kostrov V.Yu., Amelin D.I. Reshenie ekologicheskih problem v gorodskom transporte primeneniem kom-binirovannyh energeticheskih ustanovok // Vestnik KGTU. Seriya Transport. — Krasnoyarsk: KGTU, 2005. - Vyp. 39. - S. 192-195.
8. Matskerle Yu. Sovremenny ekonomichny avtomobiT. - M.: Mashinostroenie, 1987. - 320 s.
9. Umnyashkin V.A., FiPkina A.N. i dr. Av-tomobili osobo malogo klassa (kvadritsikly) s gi-bridnoy energosilovoy ustanovkoy. - Izhevsk: NITS «Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika», 2004. -138 s.
10. Patent na poleznuyu modek № 85561. Kombinirovanny parogazovy dvigatek / V.V. Rudnev, M.L. Hasanova, K.B. Nesterov. Prioritet 20.03.2009. Opubl. 10.08.2009. Byul. № 22.
Руднев Валерий Валентинович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобилей и автомобильного хозяйства Челябинского государственного педагогического университета;
Хасанова Марина Леонидовна — кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и автомобильного хозяйства Челябинского государственного педагогического университета © В.В. Руднев, М.Л. Хасанова, 2015
Статья поступила в редакцию 14 августа 2015 г.
