Метод повышения приемистости комбинированного дизеля с использованием инерционных накопителей энергии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Библиографический список

1. Патрахальцев, Н. Н. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом / Н. Н. Патрахальцев, А. А. Савастен-ко. — М. : Легион Автодата, 2010. — 176 с.

2. Циннер, К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / К. Цинер. — М. : Машиностроение, 1988. — 284 с.

3. Симсон, А. 3. Турбонаддув высокооборотных дизелей/ А. 3. Симсон. — М. : Машиностроение, 1986. — 288 с.

4. Леонов, О. Б. Нагрузка деталей кривошипно-шатунного механизма на неустановившихся режимах работы дизеля / О. Б. Леонов, Н. Н. Мануйлов // Развитие комбинированных двигателей внутреннего сгорания. — М., 1990. — С. 63 — 71.

5. Пат. 101093 Российская Федерация, МПК7 Б02В 37/04, Б02В 37/14. Система управления турбокомпрессором с ресивером транспортного дизеля / Терещенко Е. С., Руднев В. В., Фадеев Д. Ю., Александров Н. Е.; заявитель и патентообладатель Терещенко Е. С. — № 2010113058/06 ; заявл. 05.04.10 ; опубл. 10.01.10, Бюл. № 1. — 3 с.

ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

ФАДЕЕВ Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ремонта БТ и АТ. СУББОТИН Олег Викторович, старший преподаватель кафедры ремонта БТ и АТ. Адрес для переписки: tesa1978@mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.04.2014 г. © Е. С. Терещенко, Д. В. Шабалин, О. В. Субботин

Д. Ю. Фадеев,

УДК 621.337.522:621.43:629.331

Д. В. ШАБАЛИН Е. С. ТЕРЕЩЕНКО С. В. РОСЛОВ А. М. СМИРНОВ

Омский автобронетанковый инженерный институт

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПРИЕМИСТОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

В статье предлагается решение проблемы снижения приемистости комбинированных двигателей в связи с инерционностью турбокомпрессора. Для уменьшения негативных последствий наддува предложен метод повышения приемистости комбинированного дизеля, основанный на идее рекуперации кинетической энергии инерционными аккумуляторами.

Ключевые слова: компрессор, турбина, энергоаккумулятор, маховик, инерционность.

Современные условия эксплуатации автомобильной техники нередко сопряжены с экстремальными нагрузками на силовую установку, связанными с постоянно меняющимися режимами работы. Исследования, проводимые такими авторами, как Н. Н. Настен-ко, И. И. Кринецкий, В. М. Архангельский, А. А. Гру-науэр, А. К. Юлдашев, В. С. Кукис и др., подтверждают, что режимы разгона и торможения наиболее часты и длительны относительно других режимов ^ работы автомобильной и гусеничной техники (табл. 1). § Режимы разгона имеют большую нестационар-

ность и при своей длительности приводят к ощутимому снижению мощностных, экономических и экологических показателей современных комбинированных дизелей [1].

Таким образом, возникает необходимость в проведении дополнительных исследований с целью снижения негативных последствий неустановившихся режимов.

В современном автомобилестроении достаточно эффективно используются режимы торможения для

решения различных задач. Одно из направлений использования замедления (торможения) имеет название «Рекуперативное торможение». Рассмотрим данный вид торможения более подробно.

Движение автомобиля сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и собственно расходуется в холостую. Таким образом имеется необходимость в рекуперации и накоплении кинетической энергии движения транспортного средства.

Для рекуперации кинетической энергии автомобиля используются различные схемы накопителей: электрические, пневматические, механические, гидравлические. Анализ используемых схем говорит о наибольшей эффективности механических накопителей, в частности инерционных.

Инерционные механические энергоаккумулиру-ющие системы, к которым принадлежат маховичные

Таблица 1

Усредненные условия работы автомобильной техники в городских условиях эксплуатации и доля вредных выбросов с отработавшими газами

№ п\п Режим работы двигателя Доля в общем времени работы, % Доля от общего количества вредных выбросов с ОГ, %

1 Номинальный 16,0 16,8

2 Холостой ход 15,0 4,2

3 Разгон (ускорение) 36,7 69,9

4 Торможение (замедление) 32,3 9,1

накопители энергии (МНЭ), предназначены для накопления механической энергии в маховике (системе маховиков), консервации энергии при вращении маховика и выдачи ее потребителю при требуемых режимных параметрах.

Основной, наиболее характерный элемент — маховик, выполняющий функции аккумулятора энергии и источника мощности, обладает следующими потенциально положительными качествами [2]:

— высокая удельная мощность зарядно-разряд-ных режимов;

— автоматический переход с режима аккумулирования (заряда) на режим генерирования (разряда) энергии, что обеспечивает возможность эффективной рекуперации энергии;

— высокий КПД и стабильность характеристик в широком диапазоне изменения условий эксплуатации (давление, температура и др.);

— отсутствие при работе побочных выделений, загрязняющих окружающую среду.

Механическую энергию, которую накапливают и выделяют маховики, сравнительно просто и с высоким КПД можно преобразовать в другие виды энергии. Кроме того, маховик — единственный накопитель, аккумулирующий одновременно с энергией и кинетический момент, что создает ряд дополнительных возможностей при применении МНЭ в различных технических устройствах.

Конструктивно-силовые схемы маховиков можно разделить на три большие группы:

Рис. 1. Механический способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного торможения:

I — дизель; 2,7 — электрическая муфта; 3 — турбина;

4 — маховик (инерционный аккумулятор): 5 — обгонная муфта; 6 — повышающий редуктор; 8 - трансмиссия автомобиля; 9 — педаль тормоза; 10 — педаль подачи топлива;

II — электронный блок управления; 12 — компрессор;

13 — датчик давления наддувочного воздуха

Рис. 2. Пневмомеханический способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного торможения: 1 — дизель; 2 — турбина; 3 — ресиверы; 4 — электрическая муфта; 5 — маховик (инерционный

аккумулятор); 6 — электрическая муфта; 7 — повышающий редуктор; 8 — электрическая муфта;

9 — трансмиссия автомобиля; 10 — педаль тормоза; 11 - электронный блок управления; 12 — педаль подачи топлива; 13 — компрессор высокого давления; 14 — регулирующий орган; 15 — компрессор; 16 — воздухопроводы высокого давления

о

го >

Рис. 3. Электромеханический способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного

торможения: 1 — дизель; 2 — электродвигатель; 3 — турбина;

4 — маховик (инерционный аккумулятор);

5 — обгонная муфта; 6 — повышающий редуктор;

7 — электрическая муфта; 8 — трансмиссия автомобиля;

9 — педаль тормоза; 10 — педаль подачи топлива;

11 — электронный блок управления; 12 — генератор; 13 — аккумуляторная батарея; 14 — компрессор.

1) монолитные маховики из изотропных материалов;

2) маховики из высокопрочных анизотропных материалов;

3) маховики из высокоэластичных материалов.

Для целей аккумулирования энергии перспективны два типа маховиков первой группы: маховики-диски и маховики-стержни (вращающиеся вокруг по-перечной оси). Обычно диски значительно превосхо-дят стержни по объемной эффективности, их энерго-емкостные возможности определяются прочностны-ми характеристиками материала [3].

Анализ инерционных накопителей энергии свидетельствует о необходимости дополнительных исследований с целью использования маховиков как наиболее эффективных рекуперационных устройств в современном двигателестроении.

Авторским коллективом разработан метод повышения приемистости комбинированного дизеля с использованием инерционных накопителей энергии. Для энергетического заряда инерционных накопителей используются режимы торможения транспортного средства.

Анализируя результаты исследований проводимые [1] можно сделать вывод об эффективности различных способов интенсификации режимов разгона. Наиболее приемлемыми для этих целей являются подкрутка ротора турбокомпрессора (ТК) с подводом дополнительной энергии, а также подача дополнительного воздуха перед впускными органами либо непосредственно в цилиндры двигателя.

Современные методы, обеспечивающие подвод дополнительной энергии к ротору ТК, а также подачу

дополнительного воздуха малоэффективны и используются крайне редко в связи с затратами дополнительной энергии на питание электродвигателя в первом случае и привод компрессоров высокого давления во втором.

Предлагаемые авторами способы практически полностью решают данную проблему.

Механический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 1) обеспечивает подкрутку ротора ТК на режимах разгона, используя энергию маховика, запасаемую на режимах торможения.

Отличные результаты показывают гибридные схемы энергоаккумуляторов, приумножая индивидуальные особенности друг друга.

Пневмомеханический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 2) обеспечивает подачу дополнительного воздуха из ресиверов (пневматических аккумуляторов), заряжаемых компрессором. Который, в свою очередь, приводится в движение от маховичного накопителя энергии, заряжаемого на режимах торможения. Данный способ может быть применен как на безнаддувных двигателях, так и на двигателях, оборудованных различными системами наддува.

Электромеханический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 3) обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей для питания электродвигателя, подкручивающего ротор ТК на режимах разгона. Для привода генератора используется энергия маховика, запасаемая на режимах торможения.

Перспективность использования маховиков и супермаховиков не вызывает сомнений. В дальнейшем эффективность новых гибридных автомобилей предполагается повысить путем объединения двух типов двигателей — теплового и инерционного, используемого в качестве рекуператора кинетической энергии.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: оснащение автомобилей техники предложенными средствами повышения приемистости позволяет уменьшить на 60...80% время переходного процесса, увеличить среднюю скорость движения транспортного средства на 10.15%, а так же на 6.8% снизить расход топлива по сравнению с серийными автомобилями.

Библиографический список

1. Шабалин, Д. В. Стабилизация температуры наддувочного воздуха : моногр. / Д. В. Шабалин, Д. Ю. Фадеев, Е. С. Терещенко. — Омск : Омское кн. изд-во, 2013. — 100 с.

2. Гулиа, Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии / Н. В. Гулиа. — Воронеж : Изд-во ВГУ, 1973. — 240 с.

3. Гулиа, Н. В. Инерция / Н. В. Гулиа. — М. : Наука, 1982. — 152 с.

ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей. ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей. РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры двигателей.

СМИРНОВ Антон Михайлович, адъюнкт кафедры двигателей.

Адрес для переписки: shabalin_d79@mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.04.2014 г. © Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко, С. В. Рослов, А. М. Смирнов