Поршневой пневмодвигатель для гибридной силовой установки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2016, 9(1), 71-85

УДК 621. 436

Piston Air Motors for a Hybrid Powerplant

Dmitry V. Kalekina, Vyacheslav S. Kalekin*b and Andrey A. Smolinb

aOmsk State Technical University 11 Mira, Omsk, 644050, Russia bOmsk Branch of Khrulev Militari Academy of Logistics and Transport 14 Voenny Gorodok, Omsk, 644098, Russia

Received 19.11.2015, received in revised form 29.01.2016, accepted 06.02.2016

The results of experimental and theoretical studies of the piston air motor with auto-inlet valve for the hybrid power plant.

Keywords: piston air motor, normally open automatic valve, a mathematical model, dynamic of the mechanism of movement.

Citation: Kalekin D.V., Kalekin V.S., Smolin A.A. Piston air motors for a hybrid powerplant, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2016, 9(1), 71-85. DOI: 10.17516/1999-494X-2016-9-1-71-85.

Поршневой пневмодвигатель для гибридной силовой установки

Д.В. Калекина, В.С Калекинб, А.А. Смолинб

"Омский государственный технический университет

Россия, 644050, Омск, Мира, 11 бОмский автобронетанковый инженерный институт

филиал Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулёва Россия, 644098, Омск, Военный городок, 14

Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований поршневого пневмодвигателя с самодействующим впускным клапаном для гибридной силовой установки.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: kalekinvc@mail.ru

*

Ключевые слова: поршневой пневмодвигатель, нормально открытый самодействующий клапан, математическая модель, динамика механизма движения.

Введение

Проблема создания мощного, но в то же время малогабаритного, высокоэкономичного и надежного двигателя - одна из важнейших в развитии военной техники. Повышение топливной экономичности и тягово-скоростных характеристик военных гусеничных и колесных машин возможно благодаря применению в них гибридных силовых установок.

Основными компонентами гибридной силовой установки подвижных средств являются тяговые двигатели и источники энергии. В качестве тяговых двигателей, как правило, применяют двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в сочетании с электродвигателями, либо ДВС с поршневыми пневмодвигателями, либо электродвигатели в сочетании с поршневыми пневмодвигателями. Возможно также одновременное сочетание ДВС с электродвигателями и поршневыми пневмодвигателями. Положительный эффект от их применения в каждом отдельном случае может быть достигнут благодаря комбинации сильных сторон электродвигателей, пневмодвигателей и ДВС при различных режимах движения транспортного средства.

Поршневые двигатели, использующие энергию предварительно сжатых, сжиженных газов, инертных по отношению к окружающей среде и биосистемам, в настоящее время у нас и за рубежом находят применение при разработке и создании экологически чистых двигателей в составе комбинированных силовых установок [1]. Пневмодвигатели, используемые в подобных силовых установках, как правило, выполняют на базе поршневых двигателей с принудительным газораспределением. Система принудительного газораспределения обладает рядом существенных недостатков: сложностью конструктивного исполнения, повышенным механическим трением, невысокой надежностью и др.

Эти недостатки могут быть исключены путём создания и разработки принципиально новых конструкций поршневых двигателей, отличающихся простотой конструкции, небольшой металлоёмкостью, эффективностью работы, повышенной надёжностью. Перечисленным требованиям отвечают поршневые газовые двигатели нового типа, в которых сложная принудительная система механизма газораспределения заменена самодействующими клапанами [2, 3].

Конструкция и принцип работы силовой установки и пневмодвигателя

На рис. 1-3 изображена силовая установка с приводным двигателем и поршневым пневмод-вигателем с самодействующей системой газораспределения.

Гибридная силовая установка на рис. 1 и 2 включает в себя приводной двигатель 1, муфту 2, трансмиссию 3, приводные колёса 4, поршневой пневмодвигатель 5, муфту 6, зубчатую или иную передачу 7, баллон низкого давления 8, баллон высокого давления 9, газовый редуктор 10.

Поршневой пневмодвигатель (рис. 3) содержит цилиндр 11, поршень 12, связанный с кривошипно-шатунным механизмом (на чертеже не показан), в стенках цилиндра 11 выполнены выхлопные окна 13 . В крышке 14 цилиндра 11 располагаются нормально открытый впускной 15 и закрытый выпускной 16 клапаны, впускной штуцер 17.

7 6 5 8

10

Рис. 1. Гибридная силовая установка на один вал ведущих колес

8 10 9

1 и \2 Ц_ 6 \ 4

Рис. 2. Гибридная силовая установка на два вала ведущих колеса

Впускной нормально открытый клапан включает в себя ограничитель 18 с возможностью перемещения, например по резьбе, относительно крышки 14 и впускного штуцера 17, запорный элемент 19, пружину 20. Выпускной нормально закрытый клапан содержит запорный элемент 21 с пружиной 22.

Силовая установка транспортного средства и поршневой пневмодвигатель работают следующим образом. При работе приводного двигателя 1 (ДВС или электродвигатель) транспортного средства (рис. 1, 2) мощность на приводные колёса 4 передаётся через подключённую муфту 2 и трансмиссию 3, через передачу 7. При подключённой муфте 6 часть мощности приводного двигателя 1 передаётся поршневому пневмодвигателю 5, работающему в режиме компрессора.

Атмосферный воздух в этом случае поступает через выхлопные окна 13 (рис. 3) цилиндра 11 при нахождении поршня 12 в районе нижней мёртвой точки. При перемещении поршня 12 в направлении к верхней мёртвой точке после перекрытия поршнем выхлопных окон 13 он сжимает поступивший атмосферный воздух в цилиндр 11. При превышении давления

9

Рис. 3. Поршневой пневмодвигатель с самодействующими клапанами гибридной силовой установки

воздуха в цилиндре; 11 давления в крышке 14 цилиндра открываются закрытые впускной 15 и выпускной 16 клапаны. Сжатый воздух в цилиндре 11 из крышки 14 через штуцер 17 поступает в баллон низкого давления 8. JE! режиме компресс ора поршневой пневмодвигатель также работает в случае торможения силовой устано вки транспортного средства поршневым пневмодвигателем 5.

В режиме пневмодвигателя силовая установка транспортного средства работает следующим образом. Сжатый воздух из баллона давления 9 через газовый редуктор 10 поступает в баллон низкого (рабочего) давления 8 и через впускной штуцер 17 в крышку 14 цилиндра 11 (впускной клапан 15 при этом открыт, а выпускной клапан 16 закрыт), происходит впуск газа в цилиндр 11 через нормально открытый впускной клапан 15. Поршень 12 при этом начинает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При нарастании перепада давлений на запорный элемент 19 пружина 20 сжимается и клапан закрывается. Поступивший в цилиндр воздух продолжает оказывать давление на поршень 12 и при его перемещении расширяется с совершением внешней работы. При открытии торцевой поверхностью поршня 12 выхлопных окон 13 происходит выхлоп и выталкивание отработанного воздуха в атмосферу. Открытые поршнем 12 выхлопные окна 13 в продолжение его движения к НМТ способствуют освобождению цилиндра от отработанного воздуха. При обратном движении поршня к ВМТ давление в цилиндре 11 после закрытия поршнем выхлопных окон 13 растет за счет сжатия оставшегося воздуха в цилиндре. При превышении давления воздуха в цилиндре 11 над давлением в крышке 14 цилиндра запорные элементы впускного 19 и выпускного 21 клапанов открываются, и при дальнейшем приближении поршня к верхней мёртвой точке происходит выталкивание

сжатого при обратном ходе поршня воздуха из цилиндра 11 в крышку 14 через штуцер 17 в баллон низкого давления 8. Затем цикл повторяется.

Для обеспечения эффективной работы пневмодвигателя при постоянном давлении на входе и меняющейся внешней нагрузке положение запорных элементов впускного 19 клапана относительно крышки 14 цилиндра изменяется перемещением ограничителя подъёма 18.

С экологических позиций влияния на окружающую среду в качестве рабочего тела силовой установки с поршневым газовым двигателем может быть использован запас сжатого воздуха, жидкого азота, переведённого в газовое состояние в специальном теплообменнике, продукты сгорания водорода в специальной камере. При работе на сжатом воздухе силовую установку комплектуют двумя баллонами, соединёнными газовым редуктором. Один баллон предназначен для создания запаса сжатого воздуха с давлением 30 МПа, второй с давлением до 1,0 МПа для функционирования пневмодвигателя.

Экспериментальная установка

Для проведения экспериментальных исследований был разработан экспериментальный стенд и однорядный прямоточный пневмодвигатель на базе вертикального поршневого компрессора с диаметром цилиндра 60 мм, ходом поршня 38 мм и номинальной частотой вращения вала до 3000 мин-1 [4].

В модернизированной клапанной полости ПГД был размещен нормально открытый самодействующий клапан с кольцевым запорным элементом и пружиной сжатия. В нижней части цилиндра пневмодвигателя выполнены 16 выхлопных окон диаметром 3 мм. По высоте цилиндра начало выхлопных окон от ВМТ соответствовало относительному ходу поршня 0,921, что соответствует углу поворота коленчатого вала ф3 = 144°.

Экспериментальный стенд позволял производить регистрацию мгновенного объёмного расхода воздуха для неустановившихся режимов работы пневмодвигателя поплавковым ротаметром Н250 фирмы KROHNE. Измерение среднего объёмного расхода сжатого воздуха для установившихся режимов выполнялось измерительным комплексом СГ-ЭК, снабженным ротационным счетчиком, с диапазоном измерения расхода рабочего тела 8-160 м3/ч и максимальным давлением до 5,0 МПа. Измерительный комплекс был снабжён электронным корректором объёма сжатого воздуха для параметров окружающей среды с встроенными датчиками абсолютного давления и платинового термометра сопротивления.

Расходомеры сжатого воздуха по направлению пневматической линии к пневмодви-гателю соединялись последовательно. Вначале устанавливался поплавковый ротаметр, поскольку имел меньшее гидравлическое сопротивление. Поплавковый ротаметр, используемый для исследования работы двигателя в неустановившихся рабочих режимах, предварительно тарировался измерительным комплексом в установившихся условиях с введением необходимых поправок на несоответствие давлений и температур воздуха номинальным значениям, установленным в процессе градуировки прибора Н250 фирмой-изготовителем.

Пневмодвигатель приводился в действие сжатым воздухом от компрессорной установки с ресивером. В качестве нагрузки использовался соединенный с валом двигателя ременной

передачей электрогенератор постоянного тока с регулируемым блоком реостатов и автотрансформатором.

Для автоматизации экспериментальных исследований применяли измерительный комплекс, совместимый с ЭВМ. В качестве универсального интерфейсного преобразователя был выбран модуль Е14-440, являющий универсальным программно-аппаратным устройством со стандартной шиной USB, позволяющим фиксировать быстроменяющиеся параметры с выводом их на экран. Поддержку модуля Е14-440 осуществлял программный продукт PowerGraph, представляющий собой многоканальный осциллограф. На осциллограф записывались быстроменяющиеся давления в цилиндре пневмодвигателя и клапанной полости, углы поворота коленчатого вала, положения ВМТ и НМТ, контактным способом фиксировались углы закрытия и повторного открытия запорного элемента впускного клапана. С помощью измерительного комплекса производили математическую обработку выделенных фрагментов осциллограмм (вычисление индикаторной мощности, отметка углов начала закрытия и открытия впускных клапанов, реперных значений относительных ходов поршня и т.п.), перевод контролируемых параметров в соответствие с тарировкой в единицы измерения физических величин.

Математическая модель

Приведём динамический режим работы на примере одноцилиндрового пневмодвигателя с кривошипно-шатунным механизмом (рис. 4) [5].

У

х

Рис. 4. Расчетная схема одноцилиндрового пневмодвигателя с кривошипно-шатунным механизмом

Основные геометрические характеристики звеньев механизма: длина кривошипа г, длина штуна 1ш, положение центра масс шатуна к = СВ/АВ, диаметр маховика Бм, масса кривошипа тА, масса шатуна тС, масса поршня тВ, масса маховика тМ.

Простым и удобным методом составления уравнений движения механизма является метод Лагранжевых уравнений. При составлении уравнений Лагранжа второго рода предполагается, что движение механизма исследуется в системе обобщённых координат, в качестве которых принимаются независимые параметры, определяющие положение поршня. Количество уравнений Лагранжа равно числу степеней свободы механизма.

Уравнения Лагранжа второго рода имеет следующий вид:

а (дБ) дЕ дП _

—I — I--+—=2 , (!)

а / удд) дд дq

где Е - кинетическая энергия механизм а, зависящая от масс его звеньев, скорости начального звена и его положения; д -а обобщённая координата приведённого звена; д (с точкой) - обобщённая скорость; П - потенциальная энергия систем ы; 2 - обобщённая сила, соответствующая обобщенной координате д.

Механизм обладает одной степенью свободы, и его кинетическую энергию можно заменить кинетической энергией мессы приведенного звена. Потенциальной энергией механизма вследствие малости масс его звеньев пренебрегаем.

За звено приведения принимается поршень. Условием эквивалентности механизма и его приведенной массы является равенство их кинетических энергий. Приведённая масса, сосредоточенная в точие В, мвжет быть определена по формуле

k

\2 k Г v Я ^ ¡со.

т - ' '

где nil - масса /-го звена; J - момент инерции /-го звена; vci - линейные скоро сти /-го звена; o>i -угловая скорость /'-го звена; v - линейная скорость звена приведения.

Для сдксцсескдроеогс пневмодвигателя кинетическая энергия приведённой массы

Е = vj + mcv2c + Мсюр +КМю1 + тУв)• (3)

В качестве неизвестного параметра в этом уравненик выступает скоро сть поршня v„ . Скррссти остальаых звеньев, выраженаые чере з ссорость поршня:

cosy vR cosp v. cosy

va =VB—~-(Ок — -——--, —, ——— VH

2 2 V ^Vn

sin(p+ y)' l Kin pp + y/)' M r r sin(<;f> — у)'

__ COSy ,

— 9 2 • Vcr — Vв 2 s I ■

+ vCB; vc= VB+VCB-2VCVBS2V\IV, sin'p + y)

1 cos2p ,2 2 cosp- siny ^

—in (p + y) sin(p + yy)

Зависимость для кинетической энергии сосредоточенной массы

2 B

m,

cost

sin(p + t)

+ mC

1 + -

cos p

+J2

sin p + tS cost

sin2— + n)

\ 2 V

—sqs

l • Sin(p + к) ,

r • sin(o + ц

+ mB

Для кривошипно-шатун—го механизм— приводимая сила (5у++^ет равна

^ — ^ Ммех ■ cost Q = Pz-FTpn—+Lsm р— r

rin (ср + k+

(4)

где Ммех - момент взиешних сил.

Выразив углы <р> и у/ через длину кривошипа, шатуна и те ку щу ю координату хода поршня х, уравнение для кинетической! энергии имеет вид

е=Ш) т{к

а дифференциальное уравнение движения поршня -

d2x . . t СdrY dm(x) UU —-m(x) =—.1 — I —— + Q. dt2 2 tdt С dc мв

(5)

1В уравнеяии (4) неизвестной остаётся сила девления газов Рп =Мр- р^УЛ,, которую определяют в резутьтате дифференцирования оравндний гаеового со стояния в рабочих камерах пневмодвигзлеля и динамики движения запорных органов самодействующего впускного клапана.

Доя идеального гази полная ьистема уравне ний для раичета пар аме вров состояния в рабочих поьюстях имееа вид: изменение лнутрлнней энергии

dU =

dr,

(6)

изменение массы

S

dM =

IX-I>

у J ' г

dr,

масса газа и его внутренняя энергия в заданный момент вр еме ни

МсД/ РаМ , Ц/сС/ + ди ,

(7)

(8)

тенущий объём цилигэдра Лдля впускных и выпускных пололтей объёмы принимаются постоянными)

V =-

п- D

Я

Я,

- r - (1+2-а+ - cos а-'— - cos 2- а), 4 4 4

(9)

текущие значения параме тр ов процесса - плотность, давление, удельная вну тре нняя энергия, температура и энтальпия газа

р=М1У, р = (1-1)С//р-, и = ТЛМ, Т = р/{Кр),И = и + р/р, (10)

где Хш = г / /ш, а - величина относительного мёртвоао пространства; переменные с индексами Н и с обозначают парамекрыг газа, притеиаюкцеео по вспм направлениям к рабочую полость и ныитекающего из нпго.

Расчутнаг схема для сазовопо гостояния прямоточного пневмодвигателя приведена на рис. 5.

Дифференциальное уравнение, описывающее динамику движения запорного элемента нормально-открыатого кольцоваго или теуельчатого самодействующего клапана пневмодвигателя, имеет вид

й (2

где тпл - масса запорного элемента и 1/3 уасть мчосыц при жиныч /г, /чк / - текущая и максимальная высоты1 ггодъёма зяпорного элемента; Спр, /„, х„р - жёсткость, предварительное поджа-тие, количество пружин, с оответственно; е>вп - пе ременное девленне газа в впускной полости; /пл - поверхность запорного элемента.

Уравнение динамики движения пластины клапана входит в общую сиотему уравнений (110), моделирующих процессы в рабочих полостях поршневы1х пневмодвигателей с динамикой кривошипно-шатунного механизма.

Результаты экспериментальных н т еоретических исследований

На рис. 6 показаны1 быстроменяющиеся давления во впускной полости (линия расположена выше) и в цилиндре и отметки углов закры>ггия и повторного отцрыятия впускного клапана

тпл '-Г! = (Рвп - Р ) ■ f пл- znp ■ Спр ■ (hmax - h + Ю + тпл ' g ' C0Sa , (1 1)

Рн mn -

Тна.

P., T. Ф

m.4' ^ P 2, T 2 Ф

т.», уут.5 тОл □ L m,64\ и □ нм с\

ш и

Рис. 5. Расчетная схема прямоточного пневмодвигателя (стрелками показаны направления движения притекающих и утекающих потоков массы в рабочие полости)

0,0 30,2 60,4 90,6 120,8 151,0 181,2 211,4 241,6 271,8 302,0 332,2

Угол поворота вала, град.

Рис. 6. Изменение давлений воздуха во впускной! п олости и в цилиндре ПГД за цикл

0

-0,5 : -1 а - 1 , 5

I -2

д -2,5

■ -3 : -3,5

I -4

-4,5 -5

СУ СУ СО

Ю CD CD

СО СП СП

233

ч— СУ СО

СО СО О СУ

Ю CD СО

СУ_СУ_СУ_СУ_СУ

Угол поворота вала, град

Рис. 7. Отметки углов закрытия и открытия впускного клапана ПГД

н СО 1А0

z

170

150

130

110

90

70

50

30

0,3

.♦АА fa

щ а Л *

Wm

0,4

0,5

0,6

0,7

♦ h=0,25 Cpr=2122 ■ h=0,5 Cpr=2122 Д h=0,75 Cpr=2122 ж h=1 Cpr=2122

ж h=1,25 Cpr=2122

• h=0,5 Cpr=3300 h=0,25 Cpr=4910

Рнач, МПа

Рис. 8. Зависимость индикаторной мощности от давления сжатого воздуха на входе в пневмодвигатель

| 750

¡о о

=- 650 550 450 350 250 150

*Жд Дл Ж д

• ж

• Ж-

л*жд ■

л*

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

♦ 11=0,25 Срг=2122 ■ 1=0,5 Срг=2122 д 1=0,75 Срг=2122 ж 1=1 Срг=2122

ж 1=1,25 Срг=2122

• 1=0,5 Срг=3300 И 1=0,25 Срг=4910

Рнач, МПа

Рис. 9. Зависимость частоты вращения от давления воздуха на входе в пневмодвигатель

за цикл (рис. 7), снятыге экспериментально для одного из режимов работы>1 прямоточного пнев-модвигателя.

Из рис. 8 следует, что у пневмодвигателей с клапанами, снабженными более жесткими пружинами, получаемая мощность ниже при одних и тех же давлениях на входе. Повышение жесткости пружин приводит к снижению частоты вращения вала двигателя (рис. 9).

Функционировение поршневого прямоточного пневмоевигателя и эффективность его работы связаны со своевременным закрытием и открытием нормально открыггого самодействующего впускного квапана. 13 зависимости от меняющейея внешней нагрузки прм постоянном давленни сжатого воздуха на входе в поршневой! пневмодвигатель и соответствующей максимальной высоте модъёма запорного элемента самодействующий клапвн Вудет закрываться на части хода поршня при перемещении поршня от НМТ к ВМТ и открываться в районе ВМТ при обратном ходе.

Для кривошипно-шатунного механизма скорость поршня максимальна при угле поворота вала 90°, в этот момент должен создаваться наибольший перепад давлений на запорный элемент клапана. Скорость поршня определяется величиной начального давления сжатого воздуха на входе в пневмодвигатель. Если скорость поршня незначительна и газовой силы, действующей на запорный элемент, недостаточно, то закрытие впускного клапана произойдёт только после открытия поршнем выхлопных окон. С повышением давления на входе клапан будет закрываться по ходу поршня раньше до открытия выхлопных окон. На закрытие клапана можно повлиять регулированием максимальной высоты подъема запорного элемента, обеспечивая закрытие при определенном относительном ходе поршня. При создании условий для закрытия клапана при углах поворота коленчатого вала ф2 = 90-110° (отсечки наполнения С2=0,55-0,7) пневмодвигатель обеспечит наилучшие показатели работы по удельному объёмному расходу воздуха, приведённому к нормальным условиям.

На рис. 10 даны экспериментальные характеристики однорядного ППД (при а = 0,3; к = 0,4-1,5 мм; Срг= 400-2850 Н/м; Рнач = 0,3-0,85 МПа) зависимости индикаторной мощности и удельного объемного расхода воздуха от степени отсечки наполнения С2. Обращает на себя внимание наличие экстремумов у приведенных экспериментальных зависимостей.

Рис. 10. Зависимость изменения мощности на валу и удельного расхода воздуха пневмодвигателем от степени отсечки наполнения

а) б)

Рис. 11. Рабочие циклы одноцилиндрового ПД в различные моменты времени: а - при разгоне ПД -«форсированный режим» (длительность цикла 0,16 с); б - «экономичный» режим ( длительность цикла 0,145 с)

Пневмодвигатели, как правило, работают в условиях непостоянной внешней нагрузки. Во время разгона пневмодвигатель совершает работу по преодолению сил трения, увеличению кинетической! э нергии маховика и подвижных элементов механизма движения и рабочих органов движит еля.

С помощью разработанной математической модели исследованы динамические процессы во время разгона физической модели однорядного пневмодвигателя. Для одного из рассмотренных примеров наблюдалось следующее: точка отсечки наполнения цилиндра С2 (закрытия впускного клапана) перемещалась в сторону начала рабочего цикла (с точки, соответствующей углу поворота вала в 152 градуса, до точки, соответствующей углу поворота вала в 80 градусов).

б

Рис. 12. Интегральные показатели работы ПД в стационарных режимах при различных начальных давлениях, жасткостях пружины и постоянной нагрузке на валу: а - угол поворота вала, соответствующий отсечке наполнения (зткрытию впускного клапана); б - объемный расход воздуха; в - индикаторная мощность; г - частота вращения; I - область «форсированных» режимов; II - область «экономичных» режимов; III - область нерабочих режимов

Таким образом, режим работы двигателя изменялся с «форсированного» режим а (рабочий цикл показан на рис. 11а, когда закрытие впускного клапана происходит в момент открытия выхлопных окон, характеризующегося высокими удельными затратами, к «экономичному» режим}' (рабочий цикл покатан на рис. 31 б, в коаором до процесса выхлопа отрабо танного воздуха имеется процесс р асширения (С2р Су).

На рис. 12 пр едставлены графики изменения интегральных показателей пневмодвигателя для стационарных режимов при различных жёсткостях пружин в зсвисимости от давления сжатого воздуха на входе.

Хорошо видно различие между группой «форсированных» и « экономичных» режимов работы пневмодвигателя. При повышении давления клапан начинает закрываться раньше, чем поршень достигнет оыхлопных окон, значительно снижается расход, а такжа растёт мощность и частота вращения. Дальнейшее увеличение давления при неизменной внешней нагрузке при- 83 -

водит к тому, что впускной клапан закрывается практически сразу при прохождении поршнем ВМТ, расход сжатого воздуха падает до нуля и однорядный двигатель перестает функционировать (пружины жесткостью 800 и 1000 Н/м - линии синего и зелёного цвета).

Заключение

На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований ПГД установлено следующее:

- регулирование режима функционирования пневмодвигателя при неизменном давлении на входе целесообразнее всего осуществлять изменением высоты подъёма запорного элемента;

- наиболее рациональный рабочий процесс прямоточных поршневых пневмодвигателей с наименьшими удельными затратами может быть обеспечен путём регулирования высоты подъёма запорного элемента закрытием впускного клапана при относительном ходе поршня C2 = 0,5-0,65;

- форсированный режим работы пневмодвигателя достигается увеличением высоты подъёма запорного элемента, обеспечивающим закрытие нормально открытых впускных клапанов в момент прохождения поршнем выхлопных окон;

- для прямоточной схемы газораспределения пневмодвигателя обеспечивается наименьший удельный расход сжатого воздуха при расположении нижней части выхлопных окон соответственно положению поршня в нижней мертвой точке, смещение положения окон на 0,2 относительного хода поршня в сторону верхней мёртвой точки может приводить к увеличению удельного расхода сжатого воздуха до 10 %;

- при повышенных давлениях, начиная от 0,8 МПа, отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D при сохранении объёма, описываемого поршнем за один оборот, должно составлять 0,8-0,85, при меньших давлениях это отношение следует принимать равным 0,6-0,7, отклонения S/D от рекомендованных значений на 0,1 в меньшую сторону приведёт к увеличению удельного расхода сжатого воздуха на 60-70 %, в большую сторону -на 20-30 %.

- величина относительного мертвого пространства а для прямоточной и комбинированной схем должна составлять 0,3-0,4, при уменьшении а < 0,2 удельный расход может возрастать в 2-2,5 раза, увеличение а до 0,6 приведёт к уменьшению мощности на 7-10 % и увеличению удельного расхода на 5-10 %;

- для функционирования пневмодвигателя при различных режимах изменения внешней нагрузки наиболее целесообразно наличие двух оппозитно расположенных цилиндров;

- при работе пневмодвигатель на сжатом воздухе может не уступать по удельным показателям современным зарубежным и отечественным образцам поршневых пневмо-двигателей, при этом удельный расход воздуха, пересчитанный на нормальные условия, может составлять не более 0,8-1,2 (м3/мин)/кВт.

Список литературы

[1] Кудрявцев И.Н., Пятак А.И., Бондаренко С.И. и др. Эффективность использования пневмодвигателя в автомобиле. Альтернативная энергетика и экология, 2005, 22(2), 82-88 [Kudryavcev I.n., Pyatak a.I., Bondarenko S.I. at al. Efficiency of the use of pnevmatic engine is in a car. Alternative energy and ecology, 22(2), 2005, 82-88 (in Russian)]

[2] Калекин В.С., Бычковский Е.Г., Ваняшов А.Д., Калекин В.В. Поршневой двигатель с самодействующим впускным клапаном. Химическая техника, 2002, 1, 27-29 [Kalekin V.S., Bychkovskiy E.G., Vanyashov A.D., Kalekin V.V. Piston engine with a self-acting induction-valve, Chemical technique, 2002, 27-29. (in Russian)]

[3] Калекин В.С., Плотников В.А, Бычковский Е.Г., Калекин В.В. Поршневой двигатель с самодействующим впускным клапаном. Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та, 2002, 3, 46-48 [Kalekin V.S., Plotnikov V.A, Bychkovskiy E.G., Kalekin V.V. Piston engine with a self-acting induction-valve, Announcer of the Kuzbass state technical univ., 2002, 3, 46-48 (in Russian)]

[4] Калекин В.С., Калекин Д.В., Загородников А.П. Экспериментальное исследование поршневого пневмодвигателя с самодействующими клапанами. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2008, 11, 26-29 [Kalekin V. S., Kalekin D. V., Zagorodnikov A. P. Experimental investigation of piston pneumatic engine with self-acting valves, Chemical and petroleum engineering, 2008, 11, 26-29 (in Russian)]

[5] Калекин В.С., Калекин Д.В., Нефедченко А.Н. Математическая модель поршневого пневмодвигателя с самодействующим воздухораспределением. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2014, 2, 14-19 [Kalekin V. S., Kalekin D. V., Nefedchenko A. N. A mathematical model of a piston engine with self-acting distribution, Chemical and petroleum engineering, 2014, 2, 14-19 (in Russian)]