CC BY
111
УДК 621.541
О ВЫБОРЕ ПАРАМЕТРОВ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО В СОСТАВЕ ГИБРИДНОЙ 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., А.И. Шилов, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Изложены условия, методика и анализ результатов расчетного исследования по выбору мощности, литража и других параметров поршневого кривошипного пневмодвигателя, работающего в составе гибридной силовой установки автомобиля.
Ключевые слова: поршневые кривошипные пневмодвигатели, рабочий процесс, энергетические и экономические параметры.
Введение
В течение двух последних десятилетий развитие автомобилей с гибридными силовыми установками прогрессировало от экспериментальных образцов в середине 90-х годов XX столетия до производства сотен тысяч в год в середине нынешнего столетия. По прогнозам авторитетных экспертов к 2020 году доля гибридных автотранспортных средств на мировом рынке достигнет порядка 25 % [1]. Это значит, что к 2020 году годовой выпуск гибридных автомобилей будет исчисляться уже десятками миллионов [2].
Есть немало причин, которым гибридные автомобили обязаны своим развитием. Они укладываются во все сверхжесткие нормы токсичности выхлопных газов, зафиксированные в современных стандартах. Но самый, пожалуй, главный фактор - постоянно растущие цены на бензин и дизельное топливо. А важнейшим достоинством гибридных автомобилей является сравнительно низкий расход топлива [3].
Наибольшее распространение в гибридных силовых установках имеют на сегодняшний день схемы, включающие двигатель внутреннего сгорания (ДВС), обратимую электромашину и аккумуляторную батарею. Вместе с тем рядом фирм уже много лет весьма успешно ведутся работы по использованию
пневмодвигателей как в составе гибридных установок, так и в роли самостоятельного силового агрегата [4, 5, 6 и др.].
В ХНАДУ также ведутся исследовательские работы по созданию гибридных силовых установок как по схеме ДВС - электромашина, так и по схеме ДВС - пневмодвигатель.
В данной статье рассматривается имеющий практическое значение вопрос о рациональном выборе параметров поршневого пневмодвигателя, работающего в составе гибридной силовой установки в заданном диапазоне варьирования давлением воздуха на входе, и некоторых конструктивных и режимных ограничениях, о которых будет более подробно изложено.
Цель и постановка задачи
При разработке гибридной силовой установки для автомобиля по схеме ДВС - пневмодвигатель одной из первоочередных задач является выбор мощностей двигателей. В отношении пневмодвигателя приходится решать, какую долю его мощность будет составлять по отношению к мощности ДВС. Что касается опыта по гибридам с электроприводом, то в мировой практике роль последнего имеет самый широкий спектр, от микро- (функции стоп/старт) до полноразмерных систем, которые способны приво-
дить в движение автомобиль самостоятельно [1, 3]. Все зависит от назначения и особенностей транспортного средства и целей применения гибридного привода. Во всех случаях в публикациях подчеркивается стремление не только сохранить, но и увеличить коммерческую привлекательность автомобиля [3].
Рассмотрение проблемы применения гибридного автомобиля схемы ДВС - пневмодвигатель для целей городского пассажирского транспорта типа маршрутного такси с учетом достижения максимальной экологической чистоты приводит к выводу, что между мощностью пневмодвигателя N и мощностью ДВС ШдВС целесообразно выдерживать соотношение
N =( 0,2...1,5) • ^дВС. (1)
При проектировании потребная мощность пневмодвигателя как известно [7, 8], может быть получена при различных сочетаниях подлежащих рациональному выбору параметров: конструктивных, режимных и параметров, характеризующих рабочий процесс. В зависимости от этих параметров заданный уровень как будет показано ниже, может быть достигнут при многократно различном литраже Ул и, соответственно, многократно различной массе двигателя. При этом будет иметь место существенно различное потребление сжатого воздуха, а, следовательно, и различный его удельный расход.
Для выбора наиболее целесообразного уровня мощности N и наиболее рационального сочетания конструктивных и режимных параметров, а также параметров рабочего процесса, необходимо иметь наглядную картину соответствующих зависимостей, построенных для определенных, представляющих практический интерес условий (ограничений), которые сужают рамки решаемой задачи и дают возможность получить достаточно обозримую информацию, потребную для выработки решений.
Принятые условия решения задачи
Условия и ограничения для расчетного исследования с целью получения необходимых зависимостей между параметрами поршневого пневмодвигателя приняты с учетом отечественного и зарубежного опыта [7 - 11 и др.]
и особенностей проектируемой гибридной энергоустановки.
1. Рассматривается пневмодвигатель с клапанным воздухораспределением, гидравлическим приводом клапанов, системой автоматического регулирования фаз открытия и закрытия клапанов, с температурой сжатого воздуха на входе Твх, при которой снимаются ограничения в допустимой степени расширения рабочего тела по условиям смазки цилиндров и недопущения обмерзания выпускных каналов. Такой температурой, как показывают наши расчеты, является Твх = = 473 К (200 °С). В отличие от наиболее распространенного в наших и зарубежных пневмодвигателях вследствие своей простоты золотникового воздухораспределения, при котором относительный мертвый объём в0 = У0/Vp (см. рис. 1) получается очень
большим (е0 = 0,3 - 0,4 и даже выше), при клапанном воздухораспределении конструктивно возможно получить минимальный мертвый объём, сходный с поршневыми компрессорами, где е0 обычно не превышает 0,03 - 0,06 [13]. Кроме того, при клапанном распределении с гидравлическим приводом и электронным управлением возможно осуществить регулирование режима работы двигателя не только давлением сжатого воздуха на входе рх, но и степенью наполнения е1 = V1/ Vp
(рис. 1). Последнее, как известно [7, 9], является самым экономичным способом регулирования, если оно выполняется в сторону уменьшения е1 от номинальной величины.
Рис. 1. Теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого кривошипного пневмодвигателя с частичным расширением
2. Число цилиндров z = 4. Это минимальное число цилиндров, при котором достижим надёжный пуск двигателя с автоматически регулируемыми фазами воздухораспреде-ления.
3. Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D принято S/D = 0,65. В нашей стране и за рубежом поршневые пневмодвигатели выпускаются только короткоходными (S/D<1) [7, 8, 9, 11]. С понижением S/D уменьшаются габариты двигателя в радиальном направлении относительно оси коленчатого вала, снижается средняя скорость поршня при данной частоте вращения вала, двигатель получается более легким и компактным, а при клапанном воздухораспреде-лении, к тому же, имеется возможность установить клапаны большего диаметра с большим проходным сечением. В бывшем СССР серийно выпускались, а ныне выпускаются в России и Украине стандартизованные (ГОСТ 10736-71) радиально-поршневые пневмодвигатели, имеющие S/D = 0,65 [7, 8, 9].
4. Средняя скорость поршня Сп принята 2,0 м/с. На основании экспериментальных исследований для поршневых пневмодвигателей рекомендуется Сп = 1,5 - 1,7 м/с [9, с.121]. Больший уровень Сп дает увеличение потерь давления при впуске и повышает противодавление на выпуске, снижается коэффициент полноты индикаторной диаграммы Пп = / // (рис. 1). По данным [7] некоторая
модернизация радиальных поршневых пневмодвигателей позволила повысить Сп до 3,0 м/с и даже несколько выше. Однако при этом величина пп существенно снизилась. В данном исследовании принято довольно высокое значение Пп = 0,90. Поэтому величина Сп принята довольно умеренной.
5. Степень наполнения s1 = V /Vp (рис. 1)
принята в двух вариантах: s1 = 0,3 и s1 = 0,5. При давлении воздуха на входе р1 = 1,2 МПа величина s1 = 0,5, как видно из рис. 2, является максимально возможной по условию допустимой минимальной температуры отработавшего воздуха на выпуске t3 = t2 = = -30 °C [8].
6. Относительный мёртвый объём s0 принят в двух вариантах: s0 = 0,05 и s0 = 0,10.
7. Давление сжатого воздуха на входе в двигатель р принято в диапазоне 0,6 - 1,2 МПа,
Е 1=0,30
81=0, 50
0,6 0,8 1,0 МПа 1Д
Р>----
Рис. 2. Изменение самой низкой температуры в цилиндре Т2 = Т3 в зависимости от давления воздуха на входе р при постоянной температуре на входе tex = 200 °С и различной степени наполнения s1; s0 = =0,05 = idem
имеющем практический интерес. Верхнее значение р1 = 1,2 МПа принято максимально возможным, так как уже при этом давлении и при температуре tsx = 200 °С низший уровень температуры в цилиндре t2 достигает -30 °C, что является, как уже было изложено, предельно допустимым.
8. Оптимальная по критерию минимального удельного расхода сжатого воздуха степень обратного сжатия s^^ = V3 / Vp , как показано
в работе [12], является функцией трех параметров рабочего процесса: максимального давления теоретического рабочего цикла (равного давлению сжатого воздуха на входе в двигатель) р1, степени наполнения s1 и относительного мёртвого объёма s0. Величина s3onT определялась по графикам рис. 3 и рис.
4 работы [12].
9. Противодавление на выходе из цилиндра р2 может находиться в пределах 0,105 - 0,120 МПа. Уровень р2 = 0,105 МПа соответствует работе с выпускным трубопроводом без глушителя, а уровень р2 = 0,12 МПа соответствует работе с хорошим глушителем шума [8, 9].
10. Показатели политроп расширения np и сжатия nc приняты равными 1,32, что по экспериментальным данным [8, 9] соответствует адиабатным процессам расширения и сжатия влажного воздуха с высокой относительной влажностью, близкой к единице. В этом случае расширение происходит с конденсацией влаги и подводом скрытой теплоты парообразования, а сжатие - с испарением влаги и отводом теплоты.
11. Коэффициент утечек сжатого воздуха п по экспериментальным данным [8, 9] на расчетном режиме поршневого пневмодвигателя с золотниковым воздухораспределением имеет уровень Пу = 0,8 - 0,9. При этом основные утечки воздуха происходят в золотниковой коробке. При клапанном воздухо-распределении утечки воздуха будут существенно меньше и Пу будет выше. Принято п = 0,95.
12. Механический КПД двигателя пм принят 0,92, КПД трансмиссии птр принят 0,90.
О методике исследования
Расчетное исследование выполнено с использованием положений общепринятой теории четырёхпроцессного рабочего цикла (рис. 1) поршневого кривошипного пневмодвигателя с частичным политропным расширением рабочего тела, изложенной в [7, 8] и частично в работах [10, 12]. Здесь считаем целесообразным привести лишь некоторые дополнительные соотношения, связанные с тем, что в данном исследовании эффективная мощность ^е, кВт, не является определяемой (искомой) величиной, как в обычном тепловом расчете, а является произвольно задаваемой независимой переменной. В то же время параметры, относящиеся к размерам двигателя (диаметр цилиндра Б, дм, литраж Рл, л, рабочий объем Рр, л), и частота вращения вала п, мин-1, уже не задаются, а становятся функциями Ые и среднего эффективного давления р, МПа, которое, как и в обычном тепловом расчете, определяется по известным задаваемым параметрам рабочего процесса.
Среднее эффективное давление
А =
А '81 •
пр -1 пр -1
( Лпр -
80 + 81
V 1 + 80 У
+
+
А -80
Пр - 1
1-
( Лпр -
80 + 81
V 1+ 80 у
А + р •бэ X
Пс 1 80 + 83 пс -1
1 п о 1 п о 1 V 80 У
А ^80
п„ -1
\ПГ-1
80 + 8э
-1
V °0 у
(2)
•Пп •Лм,МПа
Диаметр цилиндра
Б = [4N /(5п • р • СП • 2)]1/2, дм. (3) Литраж двигателя
V = 60 • N • Б(5/Б)/(300 • р • Сп ),л. (4) Крутящий момент на валу двигателя
Ме = ре • V -103/(2п), Н м. (5)
Частота вращения вала двигателя
п = 300 • Сп/[ Б •( 5 / Б)] , мин 1. (6)
Технический удельный расход сжатого воздуха (отнесенный к ведущему колесу автомобиля)
&техн = & / Птр,кг/(кВт-чХ
(7)
где & - удельный расход сжатого воздуха, отнесенный к валу двигателя, кг/(кВт-ч).
Масса пневмодвигателя Мдв, кг, оценивалась по эмпирическим формулам (8) и (9), полученным обработкой статистических данных по выполненным конструкциям радиальнопоршневых стандартизованных (ГОСТ 10736-71) поршневых пневмодвигателей, выпускавшихся в бывшем СССР заводом «Пневматика» (г. Ленинград) и Рудоремонтным заводом (г. Кривой Рог):
для пределов применения 0,2 < Рл < 2,5 л
Мдв = 25,4 -V + 30, кг;
для пределов применения Рл > 2,5 л
Мдв = 61 • V - 59, кг.
(8)
(9)
Результаты исследования
Основные результаты расчетного исследования представлены на рис. 3-5. На рис. 3 помещены графики изменения р - среднего эффективного давления, & и &техн - удельных расходов сжатого воздуха и 83опт - оптимизированной степени обратного сжатия (т.е. параметров, не зависящих от мощности и раз-
1
п
р
меров двигателя Ур и г, а также от частоты вращения вала п) в зависимости от наиболее важных произвольно задаваемых параметров рабочего процесса: р1 - максимального давления теоретического цикла (рис.1), принимаемого равным давлению сжатого воздуха на входе, е1- степени наполнения и конструктивного безразмерного параметра е0 -относительного мертвого объема. Из графиков видно, что энергетический параметр ре имеет линейную зависимость от р1 и растет практически пропорционально увеличению давления воздуха на входе _р1; так с увеличением р1 в два раза от 0,6 до 1,2 МПа величина ре возрастает в 2,4 раза при е1 = 0,3 и в 2,3 раза при е1 = 0,5 , т.е. с увеличением е1 темп роста ре от повышения р1 несколько снижается. Но сама по себе степень наполнения е1 влияет на ре весьма существенно: с увеличением е1 с 0,3 до 0,5 величина ре возрастает с 0,21 до 0,31 МПа или на 47,6% при р1 = 0,6 МПа и с 0,51 до 0,72 МПа или на 41,2% при р1 = 1,2 МПа.
Причина влияния степени наполнения на ре, т.е. в сущности на площадь индикаторной диаграммы, вполне очевидна: с ростом е1 площадь диаграммы растет прежде всего за счет возрастания площади изобарного наполнения и кроме того процесс расширения в целом происходит и заканчивается при более высоком давлении, что и приводит к росту площади индикаторной диаграммы, а, следовательно, и росту ре. Увеличение относительного мертвого объема е0 отрицательно сказывается на величине ре. Но при столь незначительном увеличении е0 ( Де0 = 0,05) изменение ре составляет всего 1,7 %.
Удельные расходы сжатого воздуха g и &техн с ростом давления на входе р1 несколько снижаются: при росте р1 от 0,6 до 1,2МПа или в два раза величины g и gтехн снижаются на 12,5 17,0% в зависимости от уровня е1 : чем ниже е1 , тем более резко снижаются g и gтехн. при возрастании р.
Б о = 0,05=Мет
Ео = 0,10 = 1<1ет
§т
321
кг/(кНт-ч) ■
28-
76-
техн
74-
22-
кг/(кВт-ч) 26
Я
24-
22
20
—§техн
' ' Изоп
— £, =0,30
£1=0,50
0,6 0,8 1,0 МПа 1.:
Р, ----------------
0,32
0,28
0,24
0,2
0,16
0,12
0,08
МПа
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
£
г
о
СО
0,8 1,0 МПа
Р1 -----------------
Рис. 3. Изменение параметров, не зависящих от мощности, литража и частоты вращения вала пневмодвигателя: удельного расхода сжатого воздуха, отнесенного к мощности на валу пневмодвигателя g и отнесенного к мощности на ведущих колесах автомобиля gтехн, среднего эффективного давления ре и оптимальной степени обратного сжатия Е3опт в зависимости от давления сжатого воздуха на входе р1 при различных значениях степени наполнения е1 и относительного мертвого объема е0 при подогреве воздуха на входе до температуры ^х = 200 °С
Рис. 4. Изменение литража Ул массы Мдв, часового расхода воздуха G, частоты вращения п и диаметра цилиндра В пневмодвигателя в зависимости от давления воздуха на входе р1 и степени наполнения е1 при условии постоянства средней скорости поршня Сп = 2 м/с, отношения S / В = 0,65 , относительного мертвого объема е0 = 0,05 и эффективной мощности: а - Ые = 5 кВт; б - Ые = 20 кВт
Обращает на себя внимание высокая экономичность рассчитываемых пневмодвигателей: их удельный расход сжатого воздуха g в лучших условиях из числа рассматриваемых (р1 = 1,2 МПа,е0 = 0,05, е1 = 0,3) составляет всего 20,7 кг/(кВт-ч), а в самых худших условиях из числа здесь рассмотренных (р1 = 0,6 МПа,е0 = 0,10, е1 = 0,5) g=28,5 кг/(кВт^ч), что также является сравнительно малой величиной. Этот уровень удельного расхода воздуха g в два-три раза ниже того, что имеют серийно выпускаемые за рубежом и выпускавшиеся в бывшем СССР радиально-поршневые пневмодвигатели (см. табл.1).
Несмотря на такое столь разительное различие, полученные нами результаты расчета вполне объяснимы.
Во-первых, выпускаемые радиально-поршневые пневмодвигатели имеют золотниковое (двух- или трехканальное) воздухораспреде-ление - самое простое и недорогое, но дающее большие утечки воздуха вследствие его перетекания из напорной в выхлопную линию через неизбежные зазоры; мы же рассматриваем двигатель с клапанным воздухо-распределением, при котором утечки воздуха пренебрежимо малы.
Во-вторых, в радиально-поршневых пневмодвигателях цилиндры соединяются с золотником длинными и большого сечения каналами, являющимися частью мертвого объема, в результате чего относительный мертвый объем этих двигателей очень велик, е0 достигает 0,35 0,45, что, как известно,
ведет к бесполезной трате сжатого воздуха на заполнение в каждом рабочем цикле большого мертвого объема без совершения полезной работы; в двигателях же с клапанным воздухораспределением, как и в поршневых компрессорах е0 = 0,03 ^ 0,06 [13].
В-третьих, анализ конструкций выпускаемых радиально-поршневых пневмодвигателей [7] показывает, что все они реверсивные, что вследствие механического нерегулируемого привода воздухораспределения влечет за собой симметричность относительно мертвых точек фаз впуска и выпуска, без опережения наполнения, без обратного сжатия и без процесса расширения, поскольку фаза конца наполнения совпадает с фазой начала выхлопа - все это элементы, которые вызывают перерасход сжатого воздуха; в данном же исследовании рассматривается тоже реверсивный двигатель, но клапанный, с гидравлическим приводом клапанов и автоматическим оптимизированным электронным управлением фазами воздухораспределения, что обеспечивает наиболее экономичный четырехпроцессный рабочий цикл на всех эксплуатационных режимах.
В-четвертых, рассмотренные в табл.1 радиально-поршневые пневмодвигатели работают на сжатом воздухе сравнительно невысокого давления 0,4^0,5 МПа, с его подачей при температуре окружающей среды; в нашем же исследовании рассматривается работа пневмодвигателя с температурой воздуха на входе 200°С и с более высоким давлением, что обеспечивает независимо от прочих условий снижение удельного расхода сжатого воздуха.
В-пятых, в наших расчетах в качестве исходных данных принят, безусловно, весьма оптимистичный уровень ряда параметров, таких как коэффициент полноты индикаторной диаграммы пп, механические КПД двигателя пм и трансмиссии птр. Думается,
что на это есть основания: сегодняшние пневмодвигатели будут, очевидно, производиться с использованием новейших технологий XXI века.
Итак, отмеченный выше уровень удельного расхода сжатого воздуха g = 20,7 кг/(кВт-ч) можно считать, по-видимому, самым оптимистичным, труднодостигаемым уровнем, на который можно надеяться в лучшем случае.
Тем не менее, даже этот минимальный уровень g не снимает проблему хранения на борту транспортного средства сравнительно больших массы и объёма сжатого воздуха. Так, например, пневмодвигатель с минимальной мощностью для маршрутного такси 30 кВт при g = 20,7 кг/(кВт-ч) расходует 620 кг сжатого воздуха в час. Если принять минимальный запас воздуха на борту для 15минутной работы, то это будет 155 кг. В столитровом баллоне при 250 атм и температуре 15 °С содержится 30 кг воздуха. Следовательно, на борту маршрутки нужно возить по крайней мере 5 таких баллонов, которые каждые 15 минут надо заправлять. Нужна соответствующая инфраструктура... Все это создает проблемы и неудобства. Но это естественная плата за экологическую чистоту городского транспорта.
На рис. 4 и 5 представлены данные об изменении параметров и показателей работы пневмодвигателя, зависящих не только от характеристик рабочего процесса, но и эффективной мощности Ые. При рассмотрении этих рисунков следует учесть некоторые особенности представленных графиков. Так на рис. 4а и 4б любые две точки на одной и той же кривой относятся совершенно к различным двигателям, имеющим только одинаковую мощность, одинаковое число цилиндров г = 4, одинаковый относительный мертвый объем е0 = 0,05, одинаковое S / В = 0,65 , одинаковую среднюю скорость поршня Сп = 2 м/с и одинаковое наполнение е1 (0,3 или 0,5), но различный литраж Ул, различную массу Мдв, различные диаметр цилиндра В и ход поршня S, различную расчетную (номинальную) частоту вращения п и различный расчетный уровень давления сжатого воздуха на входе р1. Соответственно эти двигатели будут иметь и различное потребление сжатого воздуха G. Эти графики служат наглядной информацией для компромиссного выбора параметров двигателя: уменьшая р1 (положительный фактор), получаем большие размеры и массу двигателя и больший расход сжатого воздуха G (отрицательные факторы). А переходя, например, с большей на меньшую степень наполнения е1 мы, естественно, улучшаем экономичность (снижаются g и G), но получаем двигатель больших размеров и массы. И зависимости тут нелинейные: чем меньше уровень р1, тем
более резкое влияние на перечисленные положительные и отрицательные факторы влияет изменение е1 . Для каждой точки на графиках (рис. 4) степень обратного сжатия е3 различная, но оптимальная по критерию минимального удельного расхода сжатого воздуха.
Рис. 5. Изменение диаметра цилиндра В, литража Ул, частоты вращения п, часового расхода сжатого воздуха G и времени т расходования баллона сжатого воздуха (50 л, 250 бар) в зависимости от мощности пневмодвигателя Ые и давления сжатого воздуха на входе р1 при условии сохранения постоянными: Сп = 2 м/с; 5 / В = 0,65 ; ¿вх = 200 °С; Е1 = =0,3; ео = 0,05 и Е30ПТ(р;Е1;Ео)
На рис. 5 любые две точки на одной и той же кривой относятся, как и на рис. 4, к различным двигателям, но уже не одинаковой (как на рис. 4), а различной мощности, различного литража, различной массы, но в отличие от рис. 4, двигатели эти имеют не разное давление воздуха на входе p1, а одинаковое - это изопараметрические кривые, но не по одному, а одновременно по многим параметрам: s1 = 0,3; в0 = 0,05; S/В = 0,65; Сп = 2 м/с; в3опт (рь s1, s0). Таким образом, на рис.5 представлена обобщающая информация для выбора параметров пневмодвигателя с учетом его мощности, экономичности, размеров и массы в диапазоне Ne = 5 ^ 30 кВт .
Для примера рассмотрим по рис. 5 параметры пневмодвигателя мощностью 30 кВт. При р1 = =1,2 МПа рабочий объём двигателя составит Ул = 5,2 л, что больше 8-цилиндрового V-образного двигателя ЗМЗ-53, имеющего Ул = 4,25 л, Мдв = 258 кг, частоту вращения n = 680 мин-1, диаметр цилиндра В = 136 мм. При р1 = 1,0 МПа величина Ул возрастает до 7,2 л, что больше ЗИЛ-114 (6,96 л), Мдв = 380 кг, n = 606 мин-1, В = 152 мм. Это уже крупногабаритный и тяжелый двигатель. При дальнейшем снижении рабочего давления массогабаритные параметры двигателя возрастают еще больше. При р1 = 0,6 МПа литраж Ул = 19,5 л, что значительно больше 8-цилиндрового ЯМЗ-238, имеющего Ул = =14,86 л, Мдв = 1130 кг, n = 435 мин-1, В = 212 мм. Такие массогабаритные параметры при мощности 30 кВт, разумеется, неприемлемы для любого транспортного средства.
Обращает внимание слишком короткое время т опорожнения 50-литрового баллона сжатого воздуха с начальным давлением 200 атм. Даже при мощности 5 кВт т составляет около 15 мин. А для двигателя мощностью 30 кВт этого баллона хватает всего на 2,5 мин работы. Это при самом высоком совершенстве конструкции и рабочего процесса пневмодвигателя. Из этого следует важнейший вывод, который уже был изложен в работе [10]: пневмодвигатель в составе гибридной силовой установки автомобиля должен использоваться лишь на режимах, когда ДВС работает неэкономично (малые нагрузки) и в случаях необходимости совместной работы с ДВС для преодоления препятствий или обгона; на «крейсерских» режимах движения должен работать один ДВС.
Марка, фирма Страна Мощ- ность, кВт Частота вращ., мин-1 Уд. расход воздуха, кг/кВт-ч Уд. масса двиг., кг/кВт Кол. ци- линд- ров Раб. давление (абс), МПа
П7.5-12 СССР 7,5 750 83,2 12,7 5 0,4
П16-25 СССР 16,0 1500 92,8 6,3 5 0,5
П2,5-Ф1 СССР 9,5 800 77,3 10,5 5 0,5
П6,3-12 СССР 6,3 750 80,9 15,1 4 0,4
- Польша 5,5 800 73,4 16,3 - 0,5
«Холмэн» Англия 4,4 650 78,3 36,0 - 0,5
«Холмэн» Англия 11,0 800 78,0 30,0 - 0,5
«Г арднер» Англия 36,9 1200 58,8 15,0 - 0,5
«Денвер» США 7,4 1060 58,8 13,6 - 0,5
MZK 61 «Атлас Копко» Швеция 9,7 900 81,6 11,1 6 0,5
Ввиду ограниченности объема статьи, на рис.
5 приведены графики лишь для одного, наиболее экономичного сочетания определяющих (задаваемых) параметров е0 = 0,05 и е1 = 0,3 . Но разработанная авторами компьютерная программа расчетных исследований позволяет получить подобные зависимости для любого сочетания конструктивных параметров и параметров рабочего процесса, которые могут представить интерес. Например, увеличивая наполнение и ухудшая тем самым экономичность, можно получить двигатель заданной мощности меньших размеров и массы. Самый компактный и легкий двигатель может быть получен при максимально возможном значении е1 , близком
0,80, когда конец фазы впуска совпадет с началом фазы начала выхлопа, как это обычно имеет место в радиально-поршневых реверсивных пневмодвигателях [7].
Однако при этом удельный расход сжатого воздуха возрастает, как показывают расчеты, в 1,48 раза в сравнении с условием е1 = 0,3 и тех же прочих условиях.
Заключение
Изложенные условия, методика и анализ результатов расчетного исследования по выбору рациональных величин мощности, суммарного рабочего объема (литража) и других параметров поршневого кривошипного пневмодвигателя с клапанным воздухорас-
пределением и системой автоматического регулирования фаз открытия и закрытия клапанов и при температуре сжатого воздуха на входе до 200 °С имеют научное и практическое значение как необходимый этап работы по созданию гибридной силовой установки автомобиля с пневмотрансмиссией.
Представленные графические зависимости между конструктивными и режимными параметрами и параметрами рабочего процесса получены для конкретных, оговоренных в статье параметрических характеристик как условий решения задачи: средней скорости поршня, отношения хода поршня к диаметру цилиндра, числа цилиндров, относительного мертвого объема, степени наполнения, степени обратного сжатия и некоторых других величин, выбираемых на основании накопленного опыта [7; 8; 9; 11 и др.] и с учетом требований, сформулированных в нашей работе [10]. Эти зависимости дают наглядную информацию о размерах, массе двигателя и потреблении им сжатого воздуха при различных мощностях, различных давлениях воздуха на входе и различных сочетаниях других задаваемых параметров рабочего процесса.
Литература
1. Двигатели для автомобилей США в будущем // Автостроение за рубежом. - 2006.
- №8. - С.2.
2. Афанасьев В. Рейтинг продаж автомоби-
лей // Автостроение за рубежом. - 2006.
- №8. - С.8.
3. Савченко А. Будущее за гибридными ав-
томобилями // Автостроение за рубежом. - 2006. - №8. - С.3 - 5.
4. Соколовский Д. Надули - и поехали!
//http://engine.aviaport.ru (Научно-технический журнал «Двигатель». - 2005. -№ 1 (37).
5. Сухов А. Альтернатива традиционному
мотору. Выхлоп чище воздуха //http : //www .ekip-gas. ru/alt/2/alt 1. shtml.
6. Австралийский и французский воздух ус-
пешно заменяют бензин // http: //www. membrana.ru, 16 сентября 2004.
7. Зиневич В.Д., Гешлин Л.А. Поршневые и
шестеренные пневмодвигатели горношахтного оборудования. - М.: Недра, 1982. - 199 с.
8. Дегтярев В.И., Мялковский В.И., Борисен-
ко К.С. Шахтные пневмомоторы. - М.: Недра, 1979. - 190 с.
9. Борисенко К.С. Пневматические двигатели
горных машин. - М.: Углетехиздат, 1958. - 202 с.
10. Туренко А.Н., Богомолов В.А., Абрамчук
Ф.И. и др. О требованиях к конструкции
и рабочему процессу пневмодвигателя для комбинированной энергоустановки автомобиля // Автомобильный транспорт / Сб.научн.тр. - Харьков: ХНАДУ.
- 2006. - Вып. 18. - С.7 - 12.
11. Марутов В.А., Пирогов Л.И., Чернилов И.Г. Пневмопривод в отечественных и зарубежных горнорудных машинах. -М.: НИИИНФОРМ-ТЯЖМАШ. - 1970.
- Вып. 2-70-30,
12. Туренко А.Н., Богомолов В.А., Абрамчук
Ф.И. и др. Результаты исследования по оптимизации процесса обратного сжатия в поршневом пневмодвигателе // Вестник ХНАДУ / Сб.научн.тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2007. - Вып.39. - С.7-11.
13. Френкель М.И. Поршневые компрессоры.
- М.: Машиностроение, 1969. - 743 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор,
д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 декабря 2007 г.
