CC BY
96
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
УДК 621.541
О ДОСТОИНСТВАХ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ В СОСТАВЕ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.И. Воронков, доцент, к.т.н., И.Н. Никитченко, инженер, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены и проанализированы публикации, посвященные экспериментальным работам по оценке эффективности применения поршневого пневмодвигателя в составе гибридной силовой установки автомобиля, как перспективного направления ее совершенствования.
Ключевые слова: гибридные силовые установки автомобилей, поршневые пневмодвигатели, эффективность применения.
ПРО ПЕРЕВАГИ ТА ДОЦШЬШСТЬ ВИКОРИСТАННЯ
ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГУНА У СКЛАД1 АВТОМОБ1ЛЬНО1 Г1БРИДНО1 СИЛОВО1 УСТАНОВКИ
Ф.1 Абрамчук, професор, д.т.н., О.1. Воронков, доцент, к.т.н., 1.М. Шкггченко, шженер, ХНАДУ
Анотаця. Розглянуто та проанал1зовано публжаци, присвячен експериментальним роботам з оцтки ефективност1 застосування поршневого пневмодвигуна у склад1 г1бридног силовог установки автомобтя, як перспективного напрямку гг вдосконалення.
Ключовi слова: г1бридш силов1 установки автомобтв, поршнев1 пневмодвигуни, ефективтсть використання.
ADVANTAGES AND EXPEDIENCY OF PISTON PNEUMATIC ENGINE APPLICATION AS А PART OF AUTOMOBILE HYBRID POWER UNIT
F. Abramchuk, Professor, Doctor of Technical Science, A. Voronkov, Associate Professor, Candidate of Technical Science, I. Nikitchenko, engineer, KhNAHU
Abstract. Publications devoted to experimental work concerning the estimation of efficiency application of piston pneumatic engine as а part of vehicles hybrid power unit as a perspective way of its improvement are considered.
Key words: vehicles hybrid power unit, piston pneumatic engine, application efficiency.
Как известно из многих публикаций [1-25], суть идеи создания гибридной (комбинированной) силовой установки для автомобиля состоит в следующем.
Введение
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) как силовой агрегат автомобиля на ряде эксплуатационных режимов (разгон, малые нагрузки, холостой ход и др.) работает крайне неэкономично и с повышенным содержанием вредных компонентов в отработавших газах.
Идея состоит в том, чтобы на всех этих неблагоприятных с точки зрения расхода топлива и экологии режимах работу ДВС заменить другим вспомогательным двигателем, например, электрическим, пневматическим, гидравлическим, инерционным, маховичным и т.д. Это позволит снизить расход топлива на 100 км пробега (в целом, снизить стоимость пробега) и улучшить экологические показатели. Существующий опыт свидетельствует, что применение такой комбинированной энергоустановки открывает и возможности существенного улучшения тягово-динамичных характеристик автомобиля.
Целью изучения и анализа литературных данных о результатах исследований поршневых пневмодвигателей и их применения в автомобильных гибридных силовых установках является оценка перспективности их использования в городских транспортных средствах, а, следовательно, и целесообразности этого направления исследовательских работ как альтернативы электрическим обратимым машинам.
О современном этапе развития гибридных силовых установок автомобилей
Вопросам создания и эффективности применения гибридных автомобилей на сегодняшний день посвящено большое количество публикаций [1 - 25]. Обращает на себя внимание многообразие конструктивных и схемных решений гибридов различных фирм. Как правило, «гибридизация» силовой установки состоит в том, что на автомобиль с традиционным двигателем внутреннего сгорания ставится дополнительная энергетическая установка, которая включает один или несколько тяговых электрических двигателей. Соотношение между мощностями ДВС и электродвигателей бывает самое разнообразное. Так, например [1], Honda Insight оснащена гибридной силовой установкой, состоящей из бензинового двигателя мощностью 50 кВт и электромотора мощностью 7 кВт. В появившемся двумя годами позднее гибриде фирма увеличила только мощность ДВС на 7 кВт. У Toyota Prius образца 1997 г. пропорция иная - 43 кВт бензинового двигателя плюс 30 кВт электромотора. Гибрид Ford Escape имеет бензиновый двигатель 98 кВт плюс два электромотора по 28 кВт каждый. Во всех этих случаях бензиновый двигатель служит основным источником
энергии. Например, у Toyota Prius второго поколения силовую пару составляют бензиновый двигатель 57 кВт и электромотор 50 кВт. Здесь главная роль отведена электромотору. На электромоторе Prius трогается с места, совершает короткие перемещения в пробках и у светофоров, а подключение бензинового двигателя к тяге происходит только тогда, когда автомобиль разгоняется до скоростей выше средних. В остальное время бензиновый двигатель выполняет лишь функции бортовой электростанции.
Различия в гибридах касаются не только соотношений мощностей силовых агрегатов, но и схем соединения с ведущими колесами -широко применяются как последовательное, так и параллельное соединения. И то и другое имеют свои достоинства. Каждый автомобилестроитель имеет свой подход [1].
О темпах развития данной области автомобилестроения свидетельствует тот факт, что начиная с 1995 г. на международных автосалонах регулярно демонстрируются все новые и новые модели автомобилей-гибридов, сначала только легковых, а затем и грузовых, пассажирских и специального назначения. Первое время это были только экспериментальные выставочные экземпляры, но вскоре появились и коммерческие образцы. Спрос на гибридные автомобили на всех континентах стал так нарастать, что к середине нынешнего десятилетия их производство исчислялось уже сотнями тысяч. По прогнозам авторитетных экспертов, к 2020 г. доля гибридных автотранспортных средств на мировом рынке достигнет порядка 25 % [5]. Это значит, что к 2020-му году годовой выпуск гибридных автомобилей будет исчисляться уже десятками миллионов [6].
Созданием гибридных автомобилей занимаются сегодня все ведущие автомобилестроительные компании мира. Стимулируют капиталовложения в это направление три главных фактора. Во-первых, гибридные автомобили укладываются во все сверхжесткие нормы токсичности выхлопных газов, зафиксированные в современных стандартах. Во-вторых, в сравнении с обычными, гибридные автомобили расходуют на 100 км пробега на 30-40 % меньше топлива [1; 21]. В-третьих, в гибридных автомобилях существенно лучше динамика - меньше время разгона, что очень важно в городских условиях движения.
Высокая эффективность в экономическом и экологическом плане в условиях нефтяного и экологического кризиса, спрос и темпы наращивания продаж гибридных транспортных средств указывают на актуальность всех научно-исследовательских работ, связанных с совершенствованием автомобильных гибридных силовых установок.
Обобщение литературных данных, по конструкции и рабочему процессу поршневых пневмодвигателей
В работах [18, 26, 27, 28] дается анализ конструкций серийно выпускаемых в Украине, России, США, Англии, Швеции, Польше, Чехословакии и других странах поршневых пневмодвигателей. В работе [18] отмечаются достоинства поршневого пневмодвигателя в сравнении с другими типами пневматических двигателей:
- поршневой - это единственный двигатель, который можно изготовить с переменной степенью наполнения, а значит, и регулируемой степенью расширения, что открывает возможности оптимизации рабочего процесса фазами воздухораспределения в зависимости от условий осуществления рабочего цикла;
- поршневой пневмодвигатель обладает наибольшим пусковым моментом в 1,8 раза превышающим номинальный момент;
- поршневой пневмодвигатель имеет наиболее благоприятную тяговую характеристику Ме(п);
- рабочая камера поршневого пневмодвига-теля имеет высокую степень уплотнения за счет поршневых колец, поэтому утечки сжатого воздуха в нем сравнительно невелики.
Из публикаций [18, 26] следует также, что везде поршневые двигатели делаются корот-коходными, с отношением хода поршня к диаметру цилиндра Б/Ю = 0,6 - 0,7. Этим достигается большая частота циклов при меньшей средней скорости поршня Сп, которая из-за нарастания дроссельных потерь в процессах наполнения и выпуска ограничивается уровнем 3,0-3,5 м/с. Короткоходность также снижает размеры двигателя в направлении осей цилиндров.
Преимущественное распространение имеют радиально-поршневые пневмодвигатели с одноколенным валом и числом цилиндров от четырех до семи со звездообразным их расположением. Встречаются и ¥-образные конструкции многоцилиндровых поршневых пневмодвигателей [18, 21].
Воздухораспределение в поршневых пнев-модвигателях, как правило, золотниковое от единого на все цилиндры вращающегося золотника. Цилиндры соединяются с золотником каналами, полости которых входят в мертвый объем ¥0 цилиндров, который соизмерим с рабочим объемом цилиндров ¥р. Относительный мертвый объем е0=¥о/¥р серийно выпускаемых пневмодвигателей обычно не превышает е0 ~ 0,3 - 0,4 [18], но иногда может достигать и е0 ~ 1,0 [21].
В работах [18, 26 - 28] подчеркивается, что для поршневого пневмодвигателя наиболее целесообразным является четырехпроцесс-ный рабочий цикл: наполнение, расширение, выпуск, выталкивание и обратное сжатие (рис. 1).
Рис. 1. Обобщенная теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого пневмодвигателя
Мертвый объем ¥0 должен быть минимально возможным - всякое увеличение ¥0 ведет к увеличению удельного расхода энергоносителя - сжатого воздуха g, кг/(кВт-ч). Расширение должно быть не полным (до величины противодавления на выпуске р2), а частичным, ограничиваемым минимально допустимой температурой рабочего тела в конце
расширения, при которой не происходит обмерзание выпускных каналов.
По многочисленным опытным данным [26, 27, 28] процесс расширения воздуха в цилиндре является адиабатным, с показателем адиабаты £=1,4, если сжатый воздух подается в пневмодвигатель сухим, и с показателем £=1,32, если поступающий в цилиндры сжатый воздух имеет относительную влажность 90-100 % [27]. Выбор наивыгоднейшей величины давления сжатого воздуха на входе в двигатель рвх=р1 (рис 1) должен осуществляться с помощью оптимизационного исследования по критерию получения максимальной полезной работы за счет расходования находящегося в баллонах сжатого до определенного давления рбал воздуха. Максимальное проходное сечение органа впуска (окна золотника, клапана) должно составлять не менее 8-10 % от площади поршня [26]. Проходное сечение органа выпуска должно быть, по крайней мере, в два раза больше сечения органа впуска [26], так как объем рабочего тела после его расширения в цилиндре в несколько раз больше в сравнении с его объемом при наполнении. Степень обратного сжатия г3=У3/Ур подлежит оптимизации по критерию минимального удельного расхода сжатого воздуха [19].
Опыт применения пневмодвигателей на автомобилях
Наибольшее распространение в гибридных силовых установках автомобилей, как уже было отмечено выше, имеют на сегодняшний день схемы, включающие двигатель внутреннего сгорания, один или несколько тяговых электродвигателей (или обратимых электромашин) и аккумуляторную батарею. Вместе с тем рядом фирм уже много лет весьма успешно ведутся работы по использованию пневмодвигателей как в составе автомобильных гибридных установок, так и в роли самостоятельного силового агрегата [2, 3, 4].
Поршневые и иного типа пневмодвигатели давно применяют в производствах, где требуется экологическая чистота, взрыво- и пожаробезопасность (шахтные выработки, закрытые помещения, где недопустимы искрение, открытый огонь и высокая температура поверхностей) [25, 26, 27]. В ХНАДУ также ведутся исследовательские работы по
созданию гибридных силовых установок как по схеме ДВС-электромашина, так и по схеме ДВС-пневмодвигатель [13-16, 18-20].
В перечисленных публикациях содержится ценный материал по апробированным конструкциям, схемам и параметрам поршневых пневмодвигателей и опытные данные по их эксплуатации. Особенно ценным является опыт применения пневмодвигателей на автомобилях.
В последние годы в печатной и электронной прессе появилась информация о конструкторских разработках нескольких компаний, занимающихся пневмотранспортом. Рассмотрим конкретные достижения некоторых компаний.
Фирма Energine (Южная Корея) [2] разработала легковой автомобиль PHEV (Pneumatic hybrid electric vehicle) с гибридным электропневматическим приводом. В этой машине два двигателя: пневматический поршневой и электрический. Эти двигатели питаются соответственно от бортовых баллонов со сжатым воздухом и от аккумуляторов. Автомобиль стартует, набирает скорость и преодолевает подъемы на пневматической тяге. Движение с постоянной скоростью свыше 25 км/ч осуществляется с помощью электродвигателя. При такой работе используются достоинства обоих типов двигателей и сглаживаются их недостатки. Так, высокий стартовый крутящий момент и большая мощность на валу пневмодвигателя прекрасно дополняются относительно низким потреблением энергии электродвигателем на «крейсерских» режимах движения. Утверждается, что создан экологически чистый автомобиль для поездок в условиях городского цикла (частые остановки и разгоны). Эта разработка запатентована в восьми странах, в том числе в пяти европейских, а также в США. Фирма Energine объявила, что автомобиль готов для коммерческого использования, несколько экземпляров автомобиля уже эксплуатируются на дорогах Южной Кореи. Технические данные: максимальная скорость 120 км/ч, масса 1260 кг, оба мотора весят по 30 кг каждый, 100-литровый воздушный баллон весит 40 кг, Ni-MH батареи имеют рабочее напряжение 280 В.
Европейская фирма MDI (Moteur Development International) в Люксембурге под руко-
водством Guy Negre создала ряд автомобилей с приводом только от поршневого пнев-модвигателя. Электродвигатель имеется и здесь, но ему отведена вспомогательная роль: дозаправлять воздушные баллоны и упрощать парковку машины. В пневмодвига-теле применен поршневой механизм, обеспечивающий задержку поршня в районе верхней мертвой точки на время, составляющее пятую часть продолжительности рабочего цикла (72° поворота коленвала). Благодаря этому в цилиндр подается достаточное количество воздуха и, как следствие, получена удовлетворительная характеристика крутящего момента. Чтобы ликвидировать динамическую несбалансированность в пневмо-двигателе применили оппозитное расположение цилиндро-поршневых групп. Во всех элементах двигателя применены шарикоподшипники, упростившие систему смазки.
Фирмой MDI представлен целый ряд моделей автомобилей. В него входит многоцелевой автомобиль Family, развозной мини-фургон, такси, пикап и городской мини-автомобиль Mini Cat's. Все автомобили, кроме последнего из упомянутых, рассчитаны на 6 мест. Их длина составляет 3,84 м, высота 1,75 м, ширина 1,72 м, масса 750 кг. Максимальная расчетная скорость 110 км/ч, время разгона с места до 100 км/ч - 11,5 с. Пробег без дозаправки 200 - 300 км. Максимальный перевозимый груз 500 кг. Возможна заправка баллонов от бортового компрессора, для чего требуется 4 часа. Заправка же на компрессорной станции высокого давления занимает 3 минуты. Чтобы конденсат не замерзал в магистралях, устанавливают влагоотдели-тель. Размеры трехместного Mini Cat's составляют примерно 60 - 75 % от указанных выше, остальные данные как у других моделей. Мощность двухцилиндрового пневмо-двигателя с рабочим объемом 1200 см3 составляет 18,3 кВт при 3500 об/мин [3]; максимальный крутящий момент 61,7 Нм при 1500-2500 об/мин. Последние модели MDI имеют задний привод, двигатель помещается сзади под полом автомобиля, что позволило уменьшить потери в трансмиссии. Примененная на автомобиле рекуперативная пневматическая система торможения позволяет возвращать приблизительно 13 % энергии торможения. Машины снабжены баллонами из композиционных материалов (углеволокно в термопласте) с рабочим давлением 300 бар. Эти резервуары общей мас-
сой всего 35 кг вмещают 100 л сжатого воздуха. Фирма MDI объявила о готовности конструкций названных выше моделей к широкому производству [2].
Значительный интерес представляет разработка [30] исследователей из швейцарского Федерального технологического института Цюриха ЕТН Zürich. Гибридная установка представляет собой ДВС, оснащенный дополнительным впускным клапаном для сжатого воздуха. Установка снабжена баллоном со сжатым воздухом и системой рекуперации энергии торможения. Тестирование прототипа показало снижение расхода топлива на 33 % по сравнению с бензиновым ДВС. В городском режиме снижение расхода - до 50 % за счет работы системы рекуперации.
В публикации [31] сообщается, что в Калифорнийском университете при участии специалистов компании Ford создана оригинальная автомобильная силовая установка на базе ДВС, которая может работать на нескольких режимах. Пуск двигателя осуществляется на сжатом воздухе. После разгона автомобиля двигатель переключается в режим со сжиганием топлива. При торможении ДВС работает в режиме компрессора.
В статье [4] подчеркивается преимущество пневмодвигателей перед электромобилями: аккумуляторы, даже простые свинцово-кислотные, дороже современных баллонов из композиционных материалов и являются загрязнителями окружающей среды после выработки ресурса; аккумуляторы и электродвигатели тяжелы, что повышает расход энергии машины.
Выводы
Из рассмотренного следует, что применение КЭУ с пневмодвигателем более выгодно, особенно на грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности и автобусах малого и особо малого класса с дизельными, бензиновыми и газовыми двигателями, эксплуатируемыми в городе. По данным [32] скорость движения автомобиля при наличии заторов в городе составляет не более 11 км/ч. ДВС в данном случае может выступать как поршневой пневмодвигатель и как поршневой компрессор для рекуперации энергии торможения. При движении без заторов скорость возрастает до 58 км/ч и в этом случае
установка работает в режиме со сжиганием топлива, одновременно пополняя запас сжатого воздуха.
Таким образом, исследовательские работы по созданию экономичных поршневых пневмодвигателей для гибридных автомобильных силовых установок, а также по созданию легко конвертируемых поршневых машин, способных выполнять роль ДВС, пневмодвигате-ля и компрессора являются на сегодняшний день актуальными, перспективными, имеющими большое экономическое значение.
Литература
1. Савченко А. Будущее за гибридными автомобилями / А. Савченко // Автостроение за рубежом. - 2006. - № 8. -С. 3-5.
2. Соколовский Д. Надули - и поехали! / Д. Соколовский // Научно-технический журнал «Двигатель». - 2005. - №1 (37). -Режим доступа : http://engine.aviaport.ru.
3. Сухов А. Альтернатива традиционному мотору / А. Сухов [Электронный ресурс].
- Режим доступа : http://www.ekip-gas.ru/ alt/2/altl.shtmb.
4. Австралийский и французский воздух успешно заменяют бензин [Электронный ресурс]. - Режим доступа : // http://www. membrana.ru, 16 октября 2004.
5. Двигатели для автомобилей США в будущем // Автостроение за рубежом. -
2006. - № 8. - С. 2-5.
6. Афанасьев В. Рейтинг продаж автомобилей / В. Афанасьев // Автостроение за рубежом. - 2006. - № 8. - С. 8-10.
7. Савченко А. Гибридные автомобили и концепткары на Международном автосалоне во Франкфурте 2007 г. / Савченко А. // Автостроение за рубежом. -
2007. - № 11. - С. 17 - 19.
8. Савченко А. Разработки автомобилей с гибридным приводом / А. Савченко // Автостроение за рубежом. - 2007. - № 9.
- С. 3-4.
9. Голубничий М. Гибридная техника на выставке в Нью-Йорке / М. Голубничий // Автостроение за рубежом. - 2007. -№ 8. - С. 21-23.
10. Коммерческие концептуальные автомобили из Японии // Автостроение за рубежом. - 2004. - № 3. - С. 2-3.
11. Гибридная силовая установка // Автостроение за рубежом. - 2002. - № 4. -С.18-20.
12. Стратегия разработок конструкции автомобилей Toyota // Автостроение за рубежом. - 2006. - № 8. - С. 7-8.
13. Бажинов О. В. Пбридш автомобш / Ба-жинов О. В., Смирнов О. П., Сер> ков С. А., Гнатов А. В., Колесшков А. В.
- Харюв : «Крок», 2008. - 327 с.
14. Смирнов О. П. Характерш режими робо-ти пбридно! енергетично! установки ав-томобшя / Смирнов О. П., Калмиков В. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр.
- Харьков : ХНАДУ. - 2006. - Вып. 18. -С.13-15.
15. Смирнов О. П. Анатз схемних ршень побудови автомобшя з пбридною енер-гетичною установкою / О. П. Смирнов // Вестник ХНАДУ : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ. - 2006. - Вып. 32. -С. 41-43.
16. Паникарский А. С. Экономические предпосылки развития гибридного автотранспорта в Украине / А. С. Паникар-ский // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ. - 2006. -Вып. 18. - С. 16-18.
17. Титков А. И. От концепции к стратегии развития автомобильной промышленности России в первой четверти ХХ1 века / А. И. Титков // Автомобильная промышленность. - 2005. - № 2. - С. 38-40.
18. Туренко А. Н. О требованиях к конструкции и рабочему процессу пневмодви-гателя для комбинированной энергоустановки автомобиля / Туренко А. Н., Богомолов В. А., Абрамчук Ф. И. и др. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - Харьков : ХНаДу. - 2006. -Вып. 18. - С. 7-12.
19. Туренко А. Н. Результаты исследования по оптимизации процесса обратного сжатия в поршневом пневмодвигателе / Туренко А. Н., Богомолов В. А., Абрам-чук Ф. И. и др. // Вестник ХНАДУ : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ. - 2007. -Вып. 39. - С. 7-11.
20. Туренко А. Н. О выборе параметров поршневого пневмодвигателя, работающего в составе гибридной энергоустановки автомобиля / Туренко А. Н., Богомолов В. А., Абрамчук Ф. И., Харчен-ко А. И., Шилов А. И. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ. - 2008. - Вып. 22. - С. 7 - 16.
21. Туренко А. Н. Пневмодвигатель для автомобильной гибридной силовой установки / Туренко А. Н., Богомолов В. А., Абрамчук Ф. И. и др. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - Харьков : ХНАДУ. - 2009. - Вып. 24. - С. 7-9.
22. Балабаева И. Сила двух «сердец» / И. Ба-лабаева // Автомобильный транспорт. -2007. - № 6. - С. 44-45.
23. Бондаренко С. И. Маховик вместо ДВС: сенсация или закономерность? / С. И. Бондаренко, И. Н. Кудрявцев // Автоцентр. - 2001. - № 17-18. - С. 34-35.
24. Васильев В. «АСМАП-2007» - позади 15 лет / В. Васильев // Автомобильный транспорт. - 2007. - № 7.- С. 30-31.
25. Ивлева И. Гибридные грузовые автомобили компании РйегЬШ / И. Ивлева // Автомобильный транспорт. - 2007. -№ 7. - С. 63-65.
26. Зиневич В. Д. Поршневые и шестеренные пневмодвигатели горно-шахтного оборудования / В.Д. Зиневич, Л.А. Геш-лин. - М. : Недра, 1982. - 199 с.
27. Борисенко К. С. Пневматические двигатели горных машин / К. С. Борисенко-М. : Углетехиздат, 1958. - 202 с.
28. Дегтярев В. И. Шахтные пневмомоторы / Дегтярев В. И., Мялковский В. И., Бори-сенко К. С. - М. : Недра, 1979. - 190 с.
29. Ильичев А. С. Рудничные пневматические установки / А. С. Ильичев. Т. 1. -М. : Углеиздат, 1953. - 630 с.
30. http://www.ethz.ch/index_EN
31. Карташев И. Без электричества: пневматические автомобили / И. Карташев. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.computerra.ru/features/ 358198, 2008.
32. Автомобильные перевозки и организация дорожного движения : Справочник. Пер. с англ. / В. У. Рэпкин, П. Клафи, С. Халберт. - М. : Транспорт, 1981. -592 с.
Рецензент: М. А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 17 ноября 2009 г.
