Повышение приемистости комбинированного дизеля на основе теории рекуперативного торможения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.337.522:621.43:629.331 В. В. КОЛЬБ

Д. В. ШАБАЛИН Е. С. ТЕРЕЩЕНКО С. В. РОСЛОВ

Омский автобронетанковый инженерный институт

ПОВЫШЕНИЕ ПРИЕМИСТОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Рассмотрена проблема снижения приемистости комбинированных двигателей в связи с инерционностью турбокомпрессора. Для уменьшения данных негативных последствий наддува на режимах разгона транспортного средства предложен способ повышения приемистости дизеля, разработанный на основе теории рекуперативного торможения. В качестве накопителя энергии предлагается использовать инерционный энергоаккумулятор, получающий заряд на режимах торможения транспортного средства.

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

В последнее время все большее внимание уделяется вопросам повышения экономических и экологических показателей городского транспорта. Силовые установки городских автомобилей эксплуатируются большую часть времени на неэкономичных режимах: холостого хода — в пробках и у светофоров, пиковых нагрузок — во время начала движения и маневрировании, режимах торможения. В то же время двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют наилучшие экономические и экологические показатели на установившихся режимах работы. Так, при создании поршневых тепловых двигателей основной задачей ставилось обеспечение возможно большей мощности в цилиндре данных размеров, т. е. получение максимального значения литровой мощности, которая бы обеспечивала работу транспорта во время начала движения (разгона) и маневрировании [1].

Процессы разгона и торможения характеризуются повышенным расходом топлива и сниженными показателями токсичности (табл. 1).

Рассматривая эти два процесса, можно заметить, что в первом случае происходит накопление кинетической энергии, во втором — ее уменьшение. При замедлениях транспортного средства ки-

нетическая энергия расходуется на его движение, а также рассеивается (диссипирует) в тормозных механизмах.

При малых скоростях машин доля кинетической энергии в общем энергетическом балансе невелика, однако с повышением скоростей она возрастает, быстро занимая преобладающую роль. Такое же явление имеет место при снижении сопротивлений движению (или повышении КПД трансмиссии) и уменьшении длины пути цикла.

Между тем как у транспортных, так и у других машин циклического действия скорость движения неуклонно повышается, сила сопротивления движению уменьшается, увеличивается КПД трансмиссий. У современных транспортных средств на совершение работы тратится около половины суммарной энергии двигателя, а другая ее половина переходит в кинетическую с последующим рассеиванием.

Такое положение приводит к необходимости, с одной стороны постоянного повышения мощности двигателя для обеспечения динамических качеств транспортного средства, с другой — применения устройств, поглощающих кинетическую энергию. В результате этого затрудняется дальнейшее повы-

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 Постоянная большая частота вращения коленчатого вала, п 16,0 16,8

2 Холостой ход при средней частоте вращения коленчатого вала, п 15,0 4,2

3 Разгон (ускорение) 36,7 69,9

4 Торможение (замедление) 32,3 9,1

Таблица 2

Резерв кинетической энергии в транспортной машине при различных циклах ее работы

№ п/п Расстояние между остановками Начальная скорость торможения, км/ч

10 20 30 40 50 60 70

1 100 0,8 0,49 0,3 0,196 - - -

2 200 0,89 0,66 0,464 0,32 0,238 - -

3 300 0,92 0,74 0,565 0,42 0,29 0,246 -

4 400 0,94 0,79 0,635 0,48 0,385 0,30 0,242

5 500 0,95 0,83 0,69 0,55 0,44 0,35 0,284

шение производительности и экономичности машин.

Отношение энергии Е.октраеонной на полвоное сопротивление, к полознон Ии может елужить мерой для оценки резерва кинетической энергии в маши-тевноданных условиях:

Эп

$ = — (1) Эо ( )

С более качественным использованием энергии значение 5, увеличиваясь стремится к единице. Резерв кинетическойэнергиипри этом соответственно уменьшается.Значения 5 достигает высоких значений при малой скорости и больших расстояниях между остановками (табл.2).

Междутемсовременные транспортныемашины работают в основном на высоких скоростях и имеют низкое значение 5 и, следовательно, большие резервы кинетической энергии, использование которой может дать значительный экономический эффект.

Возникает проблема, решение которой заключается в необходимости накопления энергии в аккумуляторе, и в последующем использовании этой энергиина неэкономичных режимах [2]. При этом накопитель играет роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника.

Одним из методов повышения мощности является увеличение массового наполнения цилиндра двигателя воздухом. Помимо некоторого увеличения среднего эффективного давления вследствие улучшения качествасмесеобразования,повышения коэффициента наполнения и индикаторного КПД наблюдается значительный улучшение экономических показателей. Этот метод увеличения сред-

него эффективного давления и, как следствие, литровой мощности двигателя давно известен и широкоприменяется на современных двигателях как метод наддува. Наиболее распространенным на двигателях мобильной техники является газотурбинный наддув. Основным недостатком этого варианта наддува является инерционность турбокомпрессора, которая отрицательно сказывается на приемистости двигателей [2].

Первым способом частичного устранения инерционности турбины является подключение дополнительного источника энергии для привода компрессора при обеспечении поршневого двигателя необходимым количеством наддувочного воздуха в соответствии с нагрузкой и повышение приемисто-стина переходных режимах работы двигателя.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в выпускной системе поршневого ДВС (рис. 1), устанавливается газовая турбина, а на входе во впускной коллектор — компрессор для нагнетания воздуха.

Газовая турбина и компрессор имеют один вал с высокочастотным электрическим мотор-генератором, который на установившихся режимах работы двигателя приводится в действие от газовой турбины, и как электрический генератор вырабатывает электрическую энергию для заряда аккумуляторной батареи, а на переходных режимах работает как электрический мотор, получающий электрическую энергию от аккумулятора для привода компрессора.

Управление режимами работы высокочастотного электрического мотор-генератора осуществляется через блок управления в зависимости от импульсов датчика частоты вращения коленчатого вала идатчика органа управления двигателем.

Рис.1.Комбинированный двигатель: 1 — поршневой ДВС; 2 — выпускной коллектор; 3 — впускной коллектор; 4 — газовая турбина; 5 — компрессор; 6 — вал; 7 — высокочастотный электрический мотор-генератор;8 — аккумулятор;9 — блокуправления;10 — органуправления двигателем; 11 — датчик частоты вращения коленчатого вала

Рис.2.Двигательс непосредственным наддувом 1 — компрессорвысокогодавления;2 — аккумулятор сжатого воздуха (ресивер); 3 — система охлаждения; 4 — управляемыйклапан подачивоздуха;5 — блок электронногоуправления; 6 — нагнетательный клапан; 7 — поршневой двигатель внутреннего сгорания

Вторым способом устранить инерционность возможно, если обеспечить подачу сжатого воздуха через дополнительный клапан (рис. 2.) под большим давлением непосредственно в цилиндр двигателя в период, когда впускной и выпускной клапаны закрыты [3].

Этот способ подразумевает не постоянную подачу сжатого воздуха в цилиндр, а только в случаях резкого ускорения транспортного средства или при возникновении кратковременных пиковых внешних нагрузок.

Для двигателей с непосредственным хгфысвом топлива установка дополнительного клапана позволяет использовать часть такта сжатия длянагнеее-ния воздуха в аккумулятор. Наличие дополнительного клапана может быть использовано для повышения пусковых качеств двигателя и обеспечения его высоких экономических показателей, за счет изменения степени сжатия в зависимости от начала открытия и закрытия указанного клапана на такте сжатия.

Применение непосредственного наддувама дэи-гателях с внешним смесеобразованием с пособснеу-ет снижению вероятности возникновения хеоона-ции на режимах резкого ускорения, по причине охлаждения топливно-воздушной смеси за счет подачи холодного сжатого воздуха в цилиндр [2].

В дизелях непосредственный наддув позволяет улучшить процессы смесеобразования при организации направленной подачи струи сжатого воздуха в камеру сгорания, снизить тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы.

Заметим, что предложенный способ повышения литровой мощности применим как на двигателях без наддува, так и на двигателях, оборудованных любыми системами наддува.

Вышеперечисленные способы повышения приемистости дизелей характеризуются дополнительными затратами энергии на привод электродвигателя в первом случае и компрессора высокого давления — во втором.

Предложенный авторами способ обеспечивает преобразование кинетической энергии транспортного средства (ТС) на режимах торможения (рис. 3).

Кинетическая энергия ТС может быть использована путем рекуперативного торможения, т.е. предназначенную для рассеивания энергию путем соответствующих мероприятий можно затрачивать на совершение полезной работы.

Рис. 3. Способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного торможения 1 — 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; 11 — электронный блок управления; 12 — компрессор

Рекуперация — это компенсация (или возврат) затрат энергии, а значит, рекуперативная система торможения — это такая система, которая возвращает часть затраченной на торможение транспортного средства энергии. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую эиевоию трениятормозных колодок и тормозного диска и собственно расходуется в холостую.

Двигатель, оборудованный системой рекуперативного торможения, работает следующим образом.

При равномерном движении (преимущественном режиме работы двигателя) система рекуперативного торможения не задействуется.

При торможении ТС (когда водитель воздействует на педаль тормоза), сигнал от педали тормоза 9 поступает на электронный блок управления (ЭБУ) 11 и затем на электрическую муфту 7 замыкая ее. В результате крутящий момент от трансмиссии 8 передается на повышающий редуктор 6 и далее через обгонную муфту 5 на маховик 4 выполняющий функцию инерционного аккумулятора. Раскручиваясь на режимах торможения маховик запасает кинетическую энергию транспортного средства.

При начале движения или разгоне транспортного средства (когда водитель резко воздействует на педаль подачи топлива). Сигнал педали подачи топлива поступает на ЭБУ и затем на электрическую муфту, закрепленную на роторе турбокомпрессора, замыкая ее. Таким образом, крутящий момент от маховика передается на ротор турбокомпрессора, обеспечивая его подкручивание на режимах разгона.

Проведённый анализ, позволяет сделать следующие выводы: применение системы рекуперативного торможения позволяет производить аккумулирование неиспользуемой кинетической энергии автомобиля и обеспечивать подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора. Это приводит к уменьшению на 30...50 % времени разгона и увеличению на 10.15 % средней скорости движения транспортного средства, обеспечивает подвод дополнительного тормозного момента, снижающего нагрузку на тормозную систему ТС, что увеличивает ее ресурс и ресурс агрегатов трансмиссии.

Библиографический список

1. Шабалин, Д. В. Повышение энергетических и экономических показателей дизеля применением систем регулирования газотурбинным наддувом [Текст] / Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко // Технические науки: теория и практика : материалы Междунар. заоч. науч. конф. — Чита, 2012. — С. 96-98.

2. Шабалин, Д. В. Стабилизация температуры наддувочного воздуха : монография [Текст] / Д, В. Шабалин, Д. Ю. Фадеев, Е. С. Терещенко. — Омск : Омское кн. изд-во, 2013. — 100 с.

3. Пат. 62662 Российская Федерация, РЛ 62662 и1 Б 02 С5/02. Комбинированный двигатель / Шабалин Д. В., Руднев В. В., Хасанова М. Л. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮУрГУ» ; заявл. 10.06.11 ; опубл. 27.04.2007. — Бюл. № 12. — 3с. : ил.

КОЛЬБ Валерий Викторович, преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected] ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected] ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected]

РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры

двигателей.

Адрес для переписки: [email protected]

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

УДК 6219235 И. И. КОШУКОВ

Омский государственный технический университет

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КЛАПАННОГО УЗЛА В ГИДРОСИСТЕМАХ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

Статья посвящена технологическому процессу изготовления клапанного узла топливной аппаратуры. Наибольшее внимание уделено вопросу повышения качества обработки и формирования уплотняющей поверхности седла клапана; контролю герметичности клапанного узла и механизации процесса обработки. Ключевые слова: седло клапана, топливная аппаратура, клапанный узел, герметичность.

Предохранительный клапан является агрегатом эпизодического действия и предназначен для ограничения давления жидкости в гидросистеме сверх установленной величины. Принцип действия шарикового клапана основан на уравновешивании давления, действующего на шарик и пружину клапана. Шарик плотно перекрывает проходной канал магистрали и сводит расход жидкости до нуля. Выполнить такое условие возможно лишь при точной подгонке контактируюших поверхностей пары «седло-клапан».

На рис. 1 схематично изображены два клапанных узла. В варианте (а) клапаном является стальной шарик по ГОСТ 3722-81, в варианте (б) — сталь-

ной конус. Седло клапана является конструктивным элементом корпуса клапанного узла и выглядит как острая кромка, образованная пересечением плоского торца «Т» и цилиндрической поверхности проходного канала «Д». В практике изготовления клапанных узлов допускается притупление острой кромки седла двух видов: радиусом «г» и в виде круговой фаски «1:» (рис. 2). Торическая поверхность «г» и поверхность круговой фаски, является уплотняющей поверхностью клапанного узла. Геометрическая точность и качество обработки уплотняющих поверхностей на 90% определяет герметичность клапанного узла, которая измеряется количеством вытекающей жидкости через зазор контактиру-