Научная статья на тему 'Применение обкаточно-тормозных стендов, оснащенных автомобильными двигателями внутреннего сгорания, в качестве автономного источника электрической энергии'

Применение обкаточно-тормозных стендов, оснащенных автомобильными двигателями внутреннего сгорания, в качестве автономного источника электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
338
155
Поделиться
Ключевые слова
ОБКАТОЧНО-ТОРМОЗНОЙ СТЕНД / АСИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА / СИНХРОННЫЙ РЕЖИМ / ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ / ЭФФЕКТИВНЫЙ УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА / ТРАНСМИССИЯ / ОПТИМИЗАЦИЯ / ROLLER TEST BENCH / INDUCTION MACHINE / SYNCHRONOUS MODE / INTERNAL COMBUSTION ENGINE (ICE) / EFFECTIVE SPECIFIC FUEL CONSUMPTION / TRANSMISSION / OPTIMIZATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Горожанкин Сергей Андреевич, Бумага Александр Дмитриевич, Савенков Никита Владимирович

ЦЕЛЬ. Создание автономного источника электрической энергии на базе обкаточно-тормозных стендов Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ), предназначенных для испытаний и обкатки автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является особенно актуальной задачей для регионов, пострадавших вследствие аварий на электроэнергетических объектах, стихийных бедствий и военных конфликтов. МЕТОДЫ. В настоящей статье предложен комплекс мероприятий по переоборудованию обкаточно-тормозного стенда в электрогенераторную установку, выполнен анализ ее энергетической эффективности при применении различных моделей автомобильных ДВС и рекомендованы оптимальные параметры трансмиссии. РЕЗУЛЬТАТЫ. В ходе экспериментальной части исследования был переоборудован стенд модели КИ-5543 с двигателем УМЗ-4216 в электрогенераторную установку. Полученные данные позволили создать и апробировать методику оптимизации, позволяющую подбирать передаточное число трансмиссии с целью обеспечения минимального удельного расхода топлива при применении различных моделей автомобильных ДВС. ВЫВОДЫ. Результаты, полученные на основании исследований, показывают, что созданный на базе стенда рассматриваемого типа источник электрической энергии может обладать необходимыми параметрами вырабатываемого тока и напряжения, а также имеет сопоставимую с серийными моделями автономных генераторов топливную экономичность.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Горожанкин Сергей Андреевич, Бумага Александр Дмитриевич, Савенков Никита Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

APPLICATION OF ROLLER TEST BENCHES EQUIPPED WITH AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINES AS STAND-ALONE SOURCES OF ELECTRIC ENERGY

THE PURPOSE of the study is to create a stand-alone source of electric energy based on a roller test benches of the All-Russia scientific research technological institute of maintenance and operation of machine and tractor rolling stock (GOSNITI) designed for testing and running of automotive internal combustion engines (ICE). This task is particularly relevant for the regions affected by the breakdowns at electric power facilities, natural disasters and military conflicts. METHODS. The paper proposes a set of measures for the conversion of the rolling test bench into an electric generating unit, analyzes its energy efficiency when using different models of automotive ICE as well as recommends optimal transmission parameters. RESULTS. In the course of the experiment, a test bench of KI-5543 model with the motor YMZ-4216 has been converted into an electric generating unit. The results obtained permitted to design and test an optimization procedure allowing to select a transmission gear ratio in order to ensure minimum specific fuel consumption when using different models of automotive ICE. CONCLUSIONS. The results obtained in the experiments show that electric power source created on the basis of the test bench of the examined type may have the necessary parameters of produced current and voltage, as well as obtain fuel efficiency comparable to the production models of stand-alone generators.

Текст научной работы на тему «Применение обкаточно-тормозных стендов, оснащенных автомобильными двигателями внутреннего сгорания, в качестве автономного источника электрической энергии»

Оригинальная статья / Original article УДК: 621.43+621.31

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183

ПРИМЕНЕНИЕ ОБКАТОЧНО-ТОРМОЗНЫХ СТЕНДОВ, ОСНАЩЕННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, В КАЧЕСТВЕ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

© С.А. Горожанкин1, А.Д. Бумага2, Н.В. Савенков3

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, 286123, Донецкая Народная Республика, г. Макеевка, ул. Державина, 2.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Создание автономного источника электрической энергии на базе обкаточно -тормозных стендов Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ), предназначенных для испытаний и обкатки автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является особенно актуальной задачей для регионов, пострадавших вследствие аварий на электроэнергетических объектах, стихийных бедствий и военных конфликтов. МЕТОДЫ. В настоящей статье предложен комплекс мероприятий по переоборудованию обкаточно-тормозного стенда в электрогенераторную установку, выполнен анализ ее энергетической эффективности при применении различных моделей автомобильных ДВС и рекомендованы оптимальные параметры трансмиссии. РЕЗУЛЬТАТЫ. В ходе экспериментальной части исследования был переоборудован стенд модели КИ-5543 с двигателем УМЗ-4216 в электрогенераторную установку. Полученные данные позволили создать и апробировать методику оптимизации, позволяющую подбирать передаточное число трансмиссии с целью обеспечения минимального удельного расхода топлива при применении различных моделей автомобильных ДВС. ВЫВОДЫ. Результаты, полученные на основании исследований, показывают, что созданный на базе стенда рассматриваемого типа источник электрической энергии может обладать необходимыми параметрами вырабатываемого тока и напряжения, а также имеет сопоставимую с серийными моделями автономных генераторов топливную экономичность.

Ключевые слова: обкаточно-тормозной стенд, асинхронная электрическая машина, синхронный режим, двигатель внутреннего сгорания, эффективный удельный расход топлива, трансмиссия, оптимизация.

Формат цитирования: Горожанкин С.А., Бумага А.Д., Савенков Н.В. Применение обкаточно-тормозных стендов, оснащенных автомобильными двигателями внутреннего сгорания, в качестве автономного источника электрической энергии // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 10. С. 171-183. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183

APPLICATION OF ROLLER TEST BENCHES EQUIPPED WITH AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINES AS STAND-ALONE SOURCES OF ELECTRIC ENERGY S.A. Gorozhankin, A.D. Bumaga, N.V. Savenkov

Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, 2 Derzhavin St., Makeevka, DNR, 286123.

ABSTRACT. THE PURPOSE of the study is to create a stand-alone source of electric energy based on a roller test benches of the All-Russia scientific research technological institute of maintenance and operation of machine and tractor rolling stock (GOSNITI) designed for testing and running of automotive internal combustion engines (ICE). This task is particularly relevant for the regions affected by the breakdowns at electric power facilities, natural disasters and military conflicts. METHODS. The paper proposes a set of measures for the conversion of the rolling test bench into an electric generating unit, analyzes its energy efficiency when using different models of automotive ICE as well as recommends

1Горожанкин Сергей Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобилей и автомобильного хозяйства, e-mail: gormar@gmail.com

Gorozhankin Sergey, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobiles and Automobile Economy, e-mail: gormar@gmail.com

2Бумага Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, декан механического факультета, e-mail: alexbumaga@yandex.ru

Bumaga Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Dean of the Mechanical faculty, e-mail: alexbumaga@yandex.ru

3Савенков Никита Владимирович, ассистент кафедры автомобилей и автомобильного хозяйства, e-mail: SavenkovNV@yandex.ru

Savenkov Nikita, Assistant Professor of the Department of Automobiles and Automobile Economy, e-mail: SavenkovNV@yandex.ru

optimal transmission parameters. RESULTS. In the course of the experiment, a test bench of KI-5543 model with the motor YMZ-4216 has been converted into an electric generating unit. The results obtained permitted to design and test an optimization procedure allowing to select a transmission gear ratio in order to ensure minimum specific fuel consumption when using different models of automotive ICE. CONCLUSIONS. The results obtained in the experiments show that electric power source created on the basis of the test bench of the examined type may have the necessary parameters of produced current and voltage, as well as obtain fuel efficiency comparable to the production models of stand-alone generators.

Keywords: roller test bench, induction machine, synchronous mode, internal combustion engine (ICE), effective specific fuel consumption, transmission, optimization

For citation: Gorozhankin S.A., Bumaga A.D., Savenkov N.V. Application of roller test benches equipped with automotive internal combustion engines as stand-alone sources of electric energy. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 171-183. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-171-183

Введение

Обкаточно-тормозные стенды производства Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно -тракторного парка (ГОСНИТИ), оснащенные в качестве тормозного устройства асинхронной электрической машиной (ЭМ), применяются при выполнении различных испытаний автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и являются относительно распространенными на предприятиях по ремонту и обслуживанию автомобилей. Это позволяет рассматривать данные стенды в качестве основы для создания на их базе автономных источников электрической энергии с целью резервного питания предприятий народного хозяйства.

К стационарным электрогенераторным установкам, имеющим ДВС в качестве первичного двигателя, предъявляется широкий спектр требований, среди которых основными являются: относительная экологическая безопасность, заданные диапазоны отклонения генерируемого напряжения и его частоты, высокий коэффициент мощности, приемлемая топливная экономичность, а также требуемый диапазон развиваемой электрической мощности.

В настоящем исследовании на основании технических характеристик и полученных экспериментальных данных выполнен анализ возможности переоборудования обкаточно-тормозных стендов рассматриваемого типа в электрогенераторные установки.

Материалы и методы исследования

Асинхронный двигатель с фазовым ротором, которым оснащены стенды ГОСНИТИ, принципиально просто перевести в режим автономного синхронного генератора. Для этого достаточно роторную обмотку питать постоянным током и вращать ротор приводным двигателем (в частности ДВС) со скоростью, обеспечивающей требуемую частоту генерируемого напряжения - 50 Гц [1].

На рис. 1 приведена схема рассматриваемой электрогенераторной установки. Обмотку возбуждения ЭМ представляют собой две последовательно соединенные обмотки ротора, величина тока в которых регулируется блоком возбуждения, получающим питание от цепи нагрузки (обмоток статора). Оценка эффективности предлагаемой схемы выполнена на основании результатов экспериментальных исследований на примере обкаточно -тормозного стенда КИ-5543 ГОСНИТИ и ДВС УМЗ-4216 автомобиля «ГАЗель Бизнес». Внешний вид лабораторной установки, созданной в Донбасской национальной академии строительства и архитектуры (ГОУ ВПО ДонНАСА), приведен на рис. 2.

В работе также рассмотрена эффективность применения и других моделей ДВС, которые являются относительно распространенными на предприятиях по ремонту и обслуживанию автомобилей: ЗМЗ-402, ВАЗ-2106, ГАЗ-51, ЗМЗ-53, ЗиЛ-130, КамАЗ-740, ЯМЗ-236, 238.

Процесс переоборудования асинхронного тормозного устройства в режим синхронного

генератора также является актуальной научно-инженернои задачей при стендовом определении показателей автомобильных ДВС на неустановившихся режимах работы, что позволяет практически вдвое расширить диапазон частоты вращения ЭМ в тормозном режиме, а также повысить быстродействие и удобство управления крутящим моментом [2].

Трансмиссия электрогенераторной установки может иметь прямую передачу от ДВС к ЭМ, а может оснащаться дополнительным редуктором (ДР), позволяющим согласовывать на основании определенных критериев режимы работы двигателя и генератора (рис. 1).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема электрогенераторной установки, созданной на базе обкаточно-тормозного стенда, и соответствующая схема составляющих мощности Fig. 1. Schematic electric diagram of an electric generating plant created on the basis of a roller test bench and a reference diagram of power components

Приборы под позициями 1-3 на рис. 1, а также приведенные в табл. 1 предназначены для контроля электрических параметров ЭМ в цепи нагрузки (статора) и в цепи возбуждения (ротора) во избежание превышения предельно допустимых значений (табл. 2)4, а также для определения характеристики ЭМ в различных режимах работы.

Характеристика ЭМ в режиме синхронного генератора в настоящем исследовании представлена функциями:

U0 = f(n,IB,R),B; IH = f(n,IB,R),A; Nm = f(n,IB,R),кВт,

(1)

Техническое описание и инструкция по эксплуатации 5543 ТО. Стенд обкаточно -тормозной КИ-5543-ГОСНИТИ. М.: Госкомсельхозтехника УССР, 1979. 24 с. /5543 TM Technical specifications and an operation manual. Rolling test bench KI-5543-GOSNITI. Moscow, Goskomselkhostekhnika of the Ukrainian SSR, 1979, 24 p. (In Russian)_

где Nm, п - механическая мощность на приводном валу генератора и его частота вращения соответственно, R - величина активного сопротивления фазы нагрузки, Ом.

Рис. 2. ДВС УМЗ-4216, установленный на переоборудованном обкаточно-тормозном

стенде КИ-5543 ГОСНИТИ Fig. 2. ICE UMZ- 4216 mounted on the converted roller test bench KI-5543 GOSNITI

Таблица 1

Приборы, применяемые для измерения электрических параметров

Table 1

Devices for measuring electrical parameters_

Номер позиции / Pos. No. Контролируемый параметр/ Controlled variable Тип измерительного прибора / Type of a measuring device

1 Ток возбуждения (ротора), IB, А / (Rotor) excitation current, IB, А Амперметр магнитоэлектрический М4233 НШ-75mV КП 2,5; шунт измерительный 75 ШСМ 0,5 / Magnetoelectric ammeter М4233 NSH-75mV КР 2.5; measuring shunt 75 SHSM 0.5

2 Фазное напряжение нагрузки (статора), UФ, В / (Stator) load phase voltage, UФ, В Вольтметр электромагнитный ВЗЭТ Э8030-М1 / Electromagnetic voltmeter VZET E8030-M1

3 Ток нагрузки (статора), Н, А / (Stator) load current, IH, А Амперметр электромагнитный ВЗЭТ Э8033 2,5; трансформатор тока Т 0 66 м 150/5 / Electromagnetic ammeter VZET E8033 2.5; Current transformer T 066 m 150/5

Полученные на основании результатов экспериментальных исследований характеристики ЭМ в режиме синхронного генератора, приведены на рис. 3 в виде семейства диаграмм в координатах п и В для трех значений R: 3,2; 4 и 4,8 Ом. Поверхности аппроксимированы с помощью функций кубического сплайна в системе компьютерной алгебры МаШсаЬ 14. Для расчета величины Nm применялась зависимость

7Г ■ П

N = 0,7162 ■ Р ■ е--, кВт, (2)

т ' вес 30

где Pвec - показания балансирного силоизмерительного устройства, кгм/0,7162 (рис. 2).

Параметры ЭМ с фазовым ротором АКБ-82-4 УЗ Parameters of an electric machine with a phase rotor AKB-82-4 UZ

Таблица 2 Table 2

Ротор / Rotor Статор / Stator Кол-во пар полюсов / Синхронная частота вращения ротора / Number of pairs of poles / Synchronous rotor speed

Предельные допустимые значения электрических параметров / Maximum permissible values of electric variables

в, А UB, В IH, А Uф, В 2 / 1500 мин-1 / 2 / 1500 rpm

200 160 А Y А Y Мощность ЭМ в двигательном режиме / EM power in operation

188 109 220 Э80

Величины активного сопротивления обмоток, Ом / Values of active resistance of windings, Ohm Л 55 кВт при 1440 мин-1, ^ф = 0,84, КПД 91,5% / 55kW at 1440 rpm, ^ф = 0.84, efficiency 91.5%

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,07* (две обмотки) / (two windings) 0,0615* (одна обмотка) / (one winding)

Примечание. * Значения получены экспериментальным путем. Note. * Value have been obtained experimentally.

л

Величина n, мин-1, определялась диагностическим сканером «Сканматик-2» через интерфейс OBD-II комплексной микропроцессорной системы управления ДВС МИКАС 10.3.0. В качестве имитации нагрузки потребителей при стендовых испытаниях применялась батарея резисторов (БР), набранная из блоков модели Б6МУ2 ИФРЮ 4.34352.001-09, нагрузка симметричная.

Эксперименты выполнены для таких значений активного сопротивления каждой фазы БР: R = 3,2; 4 и 4,8 Ом. Значения R включают также и сопротивление блока возбуждения.

Наиболее простым способом поддержания частоты тока и напряжения в цепи нагрузки на уровне 50 Гц является организация работы ЭМ при соответствующей скорости вращения ее ротора 1500 мин-1 (данный режим является синхронным для ЭМ, имеющей 2 пары полюсов, табл. 2). На рис. 4 приведен частный случай характеристики ЭМ при n = 1500 мин-1.

Кроме поддержания необходимой частоты тока и напряжения, электрогенераторная установка также должна обеспечивать фазное напряжение 220 В при линейном 380 В.

На рис. 5 показан второй частный случай характеристики ЭМ в режиме синхронного генератора (см. рис. 3), на которую наложены следующие ограничения: n = 1500 мин-1 и UФ = 220 В. Данная нагрузочная характеристика является рабочей при эксплуатации электрогенераторной установки. По оси абсцисс приведена активная электрическая мощность P, передаваемая потребителю, [3]:

P = 3• еоьф- 1Н-иф -PB, кВт, (3)

где Pu - мощность, отбираемая блоком возбуждения, кВт.

Индуктивность элементов БР одной фазы при испытаниях составляла не более 810-8 Гн. Таким образом, реактивная составляющая нагрузки являлась незначительной; это в процессе дальнейших исследований позволило принять допущение в виде соэф = 1 [3].

2000 3000 1000 2000 ЗООО 1000 2000

п. 1,'шга п. 1/шш п. ШП

Диаграммы фазного напряжения нагрузки иф, тока в цепи нагрузки 1н и отбираемой с приводного

вала механической мощности Nm при активном сопротивлении каждой фазы нагрузи! 3.2 Ом

Diagrams of phase to earth voltage 11ф, load current lH and mechanical power Nm taken from the drive shaft under 3,2 Ohm active resistance of each load phase

2000 3000 1000 2000 3000 1000 2000

!L 1АМ П. !/шш П. 1ЛШН

Диаграммы фазного напряжения нагрузки иф.. тока в цепи нагрузки 1н и отбираемой с приводного

вала механической мощност Nm при активном сопрошвленип каждой фазы нагрузки 4 Ом

Diagrams of phase to earth voltage 11ф, load current lH and mechanical power Nm taken from the drive shaft under 4 Ohm active resistance of each load phase

Diagrams of phase to earth voltage load current IH and mechanical power Nm taken from the drive shaft under 4,8 Ohm active resistance of each load phase

Рис. 3. Характеристики электрической машины АКБ-82-4 УЗ, переоборудованной

в синхронный генератор, при различных режимах работы Fig. 3. Сharacteristics of the converted into synchronous generator electrical machine AKB-82-4 UZ for different operation modes

Рис. 4. Характеристики ЭМ АКБ-82-4 УЗ, переоборудованной в синхронный генератор, при частоте вращения ротора 1500 мин-1 Fig. 4. Characteristics of converted into a synchronous generator EM AKB-82-4 UZ under rotor frequency of 1500 rpm

С учетом баланса мощности электрогенераторной установки выражение 3 имеет вид:

P = S - Рв = Nm V = Ne -Лдр Vm V = Q-Ve ' V Д? Vm V' кВт,

(4)

где Э - полная активная мощность, развиваемая ЭМ в режиме синхронного генератора, кВт; П - полный КПД ЭМ, определяется выражением ц=Р№т; Ме - эффективная мощность, развиваемая ДВС; ПдР - КПД ДР; цт - КПД карданного вала; 0 - тепловая мощность, поступающая в ДВС с топливом, определяется зависимостью (5); це - эффективный КПД ДВС (6).

Q = H - G, кВт ,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(5)

где Ни - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; в - массовый расход топлива, г/с.

3600 ... Ле = —-> (6)

ни ■ ёе

где де - эффективный удельный расход топлива ДВС, г/(кВтч).

Топливно-экономические свойства электрогенераторной установки главным образом обуславливаются величинами полного КПД ЭМ п и эффективного КПД ДВС це. КПД карданного вала пт и КПД ДР ПдР практически не изменяют своего значения в зависимости от параметров передаваемого потока механической мощности и в настоящем исследовании приняты постоянными: 0,98 и 0,957 соответственно.

При работе ДВС на установившемся режиме развиваемая эффективная мощность и соответствующий эффективный удельный расход топлива определяются сочетанием параметров регулирования: частотой вращения коленчатого вала п и коэффициентом использования мощности к 5:

5Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: учебник для вузов. Москва: Высш. шк., 1975. 320 с. / Raykov I.Ya. Internal combustion engine tests: Higher school textbook. Moscow: High school, 1975, 320 p. (In Russian)_

Ne = f(n,k), (7)

= /(п,к), г (кВт -ч) (8)

Под величиной к подразумевается отношение текущего значения Ые к такому значению Ые, которое будет развиваться двигателем при его работе по внешней скоростной характеристике (с полной подачей топлива) при текущей частоте вращения п.

35 40 30 35

Р. кВт Р. кВт

а б (b)

Рис. 5. Нагрузочные характеристики ЭМ АКБ-82-4 УЗ в режиме синхронного генератора при частоте вращения ротора n = 1500 мин-1 и фазном напряжении иФ = 220 В: а - механическая мощность Nm

и полный КПД ЭМ п; б - ток возбуждения ротора IB и ток нагрузки (статора) IH Fig. 5. EM AKB-82-4 UZ load characteristics in the mode of synchronous generator under rotor frequency n = 1500 rpm and phase voltage UФ = 220 V: a - mechanical power Nm and EM total efficiency п; b - rotor excitation current IB and stator (load) current IH

Диаграммы скоростных характеристик эффективной мощности и эффективного удельного расхода топлива в координатах параметров регулирования для рассматриваемых в исследовании моделей ДВС приведены на рис. 6.

Зависимости для ДВС УМЗ-4216 получены на основании серии испытаний, выполненных в лаборатории кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» ГОУ ВПО ДонНАСА [4]. Расход топлива при стендовых исследованиях определен в соответствии с разработанной авторами методикой [5]. Для остальных моделей ДВС, приведенных на рис. 6, скоростные характеристики аппроксимированы функциями кубического сплайна на основании опытных данных6.

Утолщенной линией на диаграммах показана экономическая характеристика двигателей, при которой каждому значению развиваемой эффективной мощности Ые соответствует такое сочетание параметров регулирования п и к, при котором величина де достигает своего минимума - соответственно эффективный КПД ДВС при этом максимален [6].

6Луканин В.Н., Шатров М.Г., Труш А.Ю. Двигатели внутреннего сгорания. Компьютерный практикум: учебник. М.: Высш. шк.,1995. Кн. 3. 256 с. / Lukanin V.N., Shatrov M.G., Trush A.Yu. Internal combustion engines. Computer-aided practical course: Textbook. Moscow, High school, 1995, vol. 3, 256 p. (In Russian)_

Рис. 6. Универсальные статические характеристики автомобильных ДВС Fig. 6. Universal static characteristics of automotive ICE

При такой конфигурации трансмиссии стенда, которая представляет собой прямую передачу механической мощности от ДВС к ЭМ (при отсутствии ДР), удельный расход топлива электрогенераторной установки определяется следующим выражением:

S ПП

S ■ N

c>e e

P кВт ■ ч

(9)

г

Значения дПП в виде функций от передаваемой потребителю электрической мощности Р при применении рассматриваемых моделей ДВС приведены на рис. 7. Двигатели, графики для которых не имеют функций дПП = f(P), не могут обеспечить требуемую величину фазного напряжения нагрузки 220 В при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей синхронной скорости ротора ЭМ.

Применение в трансмиссии установки ДР позволяет в некоторой степени выполнить согласование характеристик ЭМ и приводного ДВС за счет рационального выбора передаточного числа. Данная задача является по своей сути оптимизационной. Например, рассмотрим такую постановку задачи, при которой критерием является минимальный удельный расход топлива электрогенераторной установки, достигаемый при каждом значении Р. В качестве параметра оптимизации определено передаточное число дополнительного редуктора - и. Граничными условиями при этом являются: 1) соблюдение баланса мощности в трансмиссии (Мт = Ме ПдР); 2) значения параметров регулирования ДВС, принадлежащие диапазонам их возможных значений ([птп < п < птах]; [0 < к < 1]).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Листинг для определения искомой функции параметра оптимизации и = ^Р), реализованный в системе компьютерной алгебры МаШсаЬ в виде итерационного цикла имеет вид:

U(P) =

a ^ 1 gi^ 1000

П ^ Птах

while

ge (ni , gei ^ ge(ni>

ni / ns

Nm(P) 'Лт Л

m 1ДР

Ne(n„1) Nm(P)• Лт Лдр

N,(nlt1)

< g e

(10)

n ^ n ~ a

-1

где а - шаг итерационного цикла, мин '; де/ - переменная, хранящая минимальное найденное значение удельного расхода топлива; п,■ - частота вращения коленчатого вала ДВС для /-й итерации цикла, мин-1; птах - максимальная частота вращения коленчатого вала ДВС; п5 - синхронная частота вращения вала ЭМ (1500 мин-1). В зависимости Ме = ^¡,к) к = 1, так как приведенная функция определяет работу ДВС при полной нагрузке.

Таким образом, алгоритм (10) позволяет выполнять поиск таких значений и для конкретного ДВС, которые обеспечивают организацию его работы по экономической характеристике, позволяющей для каждого значения Р подобрать такое сочетание параметров п и к, обеспечивающее минимальную величину де. Полученные значения удельного расхода топлива электрогенераторной установки при применении ДР будут определяться зависимостью

(

ge

[nsU ],

gДР

__V

N m ' Лт ' ЛДР

Ne( [ns-U ] ,1 )

Л

f

•N

[nsU ],

N m ' Л m ' ЛДР

Ne( [ns-U ] ,1 )

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Л

г

P

кВт'Ч

(11)

Результаты выполненной оптимизации для рассматриваемых в исследовании моделей ДВС при их работе через ДР с ЭМ АКБ-82-4 УЗ, работающей в режиме синхронного генератора, показаны на рис. 7.

400

УМЗ-421в

350

7-.

ET *

ь M X

А bLn

150

:ос

* t ш

4 ■ t ■ -

и ■■ ■ t и ■■ -

i' 1 i ' /

CT ......1

l.S

350

1-6? ь M

змз-40м

h wP

1.4

250

500

ji

P. кВг ГАЗ-51

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

40

450

уг-ъ

ET

m

H ffl

350

300

\ -- J

1 t и -

и J

<3 ...... г

î.: 200

1.6 400

350 1.5?

ь

w

X

t t jt и t

r ■■ J* J

t и' и ■■

CT ...... 1

30 35 ?. кВг

3M3-53

40

:.з 400 1.7 350

sr> Э1

m

ь M

« ! mF

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1.5 250 :.- 200

ВАЗ-210 б'

с с UÜ ft »F

-ОС

350 .—.

ь Ш X

с 1= UPI

ft

20С

30 35 ?. кВг

КамАЗ-7+0

40

■1

, 1 и 1* ■

4 г t1

■■ * *

CT еПП er вдр ...... и

1.3 200

0." 400

и

30 35 40 ?. кВг

ЯМ3 236

\ l"

4 t ■ * # t

i t / 1 1 -

i1 y' rl

CT вч> ...... t

2.6 U

2.4

1.5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1.6 U

550

500 ■

н M

с с

м ft

30 35 ?. кВг

ЗвЛ-130

40

30

Зз . ъВт

-0

0.Î5350 ■—.

ь Щ

U ^

u с

м ft

0.55 м

0.5 200

"t.

я -

4 m -

CT er ...... l

: 350

0.66 +00 O.i-0.62 и 'Ü

J и J И

V ■ и f J t

\ . j

4

CT &жп er ^P ...... и

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

30 35 Р.кВг ЯМ3 238

40

350 ■—.

f ь M X

gl; s

с

[=

H

ft

-J"

30 3: -Ю P. кВт

OL56 :.5- :::

:

CT "nn er ...... 1

1.2

iu

0.9

D_;S

0J6

0.5-

30 35 40 ?. кВг

0.5

0.4S

Рис. 7. Удельный расход топлива электрогенераторной установки в зависимости от развиваемой

электрической мощности для различных моделей ДВС Fig. 7. Specific fuel consumption of the electric generating plant depending on the developed electric power

for different models of automotive ICE

Результаты исследования и их обсуждение

Определенные в соответствии с зависимостями (10), (11) значения ддП являются значительно меньшими, чем величины дПП, что доказывает целесообразность применения в конструкции электрогенераторной установки ДР. Полученные соответствующие удельные расходы топлива, например при оснащении установки двигателем КАМАЗ-740, сопоставимы с показателями топливной экономичности серийных моделей автономных генераторов (табл. 3).

Таблица 3

Удельный расход топлива различных моделей трехфазных электрогенераторных установок

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Table 3

Specific fuel consumption of different models of 3-phase electric generating plants

Модель установки / Plant model АКБ-82-4 УЗ, ДВС КАМАЗ-740.1 / AKB-82-4 UZ, ICE KAMAZ-740.1 АД-30 Perkins AD-30 Perkins АД-40 ММЗ AD-40 MMZ C38D5 Cummins C55D5 Cummins

Удельный расход топлива, г/(кВтч) при мощности, кВт / Specific fuel consumption, g/(kWh) at power of, kW 280/248* 248 238 270 256

34-42 23-30 40 28 40

Примечание. * При применении в трансмиссии ДР с передаточным числом 0,55. Note. * If an additional reducer which the gear ratio of 0.55 is used in transmission.

Следует также отметить, что установка должна иметь автоматические устройства регулирования, которые при изменении нагрузки потребителей (величины P) позволят поддерживать заданную частоту вращения коленчатого вала ДВС (соответствующую частоте генерируемого напряжения 50 Гц) и выполнять корректирование величины тока возбуждения (для обеспечения значения фазного напряжения на уровне 220 В).

Установлено, что рассматриваемая модель ЭМ может длительное время безотказно работать в режиме синхронного генератора при 1В до 250 А. При возбуждении ЭМ только со стороны ротора, как это выполнено в данном исследовании, развиваемая электрическая мощность получается сравнительно небольшой относительно исходного асинхронного двигателя (см. табл. 2). Для ее повышения, а также с целью снижения величины тока возбуждения может быть применено дополнительное конденсаторное возбуждение статора [1].

Полученные характеристики экономичности электрогенераторной установки (рис. 7) являются преимущественно условными, так как справедливы для потребителей, характеризующихся активным типом нагрузки.

Заключение

В работе рассмотрена актуальная задача по созданию на базе обкаточно-тормозных стендов ГОСНИТИ относительно мощных автономных источников электрической энергии для резервного питания отдельных предприятий либо регионов, пострадавших вследствие природных, техногенных либо социальных катаклизмов. На основании результатов экспериментальных исследований, выполненных на примере стенда КИ-5543 и нескольких моделей автомобильных ДВС, определено, что энергетические установки предлагаемой конструкции обладают относительно хорошей топливной экономичностью и при внедрении необходимых средств контроля и автоматики могут производить электроэнергию необходимого качества. В соответствии с предложенными в статье рекомендациями в электрогенераторные установки могут быть переоборудованы стенды моделей КИ-5540, КИ-5541, КИ-5542, кИ-5274, а также аналогичных конструкций.

Библиографический список

1. Чернопятов Н.Н., Петров Г.А., Емец В.Ф., Частовский А.В. Использование асинхронных двигателей в качестве синхронных генераторов // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1983. № 9. С. 25-29.

2. Савенков Н.В., Горожанкин С.А., Овчарук Б.В. Особенности исследования эффективных характеристик автомобильных ДВС на переходных режимах работы // Вюник СевНТУ: збiрник наукових праць. Сер. Машиностроение и транспорт. 2013. Вып. 142. С. 177-181.

3. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. М.: Энергоатом-издат, 1988. Т. 1. 456 с.

4. Горожанкин С.А., Савенков Н.В., Степаненко Т.И. Установка для стендовых испытаний автомобильных ДВС на неустановившихся режимах работы // Вестник СевНТУ: сборник научных работ. Сер. Машиностроение и транспорт. 2014. Вып. 152. С. 119-122.

5. Горожанкин С.А., Савенков Н.В. Определение расхода топлива бензинового ДВС с рампой тупикового типа при работе на переходных режимах // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. 2013. № 15 (204). Ч. 2. С. 268-274.

6. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. 2е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. 265 с.

References

1. Chernopyatov N.N., Petrov G.A., Emets V.F., Chastovskiy A.V. Ispolzovanie asinhronnyih dvigateley v kachestve sinhronnyih generatorov [Use of induction motors as synchronous generators]. Izv. vuzov. Ser. Energetika [Proceedings of the higher educational institutions. Series: Power Engineering]. 1983, vol. 17, pp. 25-29. (In Russian)

2. Savenkov N.V., Gorozhankin S.A., Ovcharuk B.V. Osobennosti issledovaniya effektivnyih harakteristik avtomobilnyih DVS na perehodnyih rezhimah rabotyi [Features of studying effective characteristics of automotive internal combustion engines in transient modes]. Victnyk SevNTU: zbirnik naukovih prats. Ser. Mashinostroenie i transport [SevNTU Bulletin. Series: Mechanical Engineering and Transport]. 2013, vol. 142, pp. 177-181. (In Russian)

3. Spravochnik po elektricheskim mashinam [Manual of Electrical machines]. Edited by I.P. Kopylova and B.K. Klokov. Moscow, Energoatomisdat Publ., 1988, vol. 1, 456 p. (In Russian)

4. Gorozhankin S.A., Savenkov N.V., Stepanenko T.I. Ustanovka dlya stendovyih ispyitaniy avtomobilnyih DVS na neu-stanovivshihsya rezhimah rabotyi [Stand for automotive internal combustion engines bench testing in the transients modes]. Victnyk SevNTU: zbirnik naukovih prats. Ser. Mashinostroenie i transport [SevNTU Bulletin. Series: Mechanical Engineering and Transport]. 2014, vol. 152, pp. 119-122. (In Russian)

5. Gorozhankin S.A., Savenkov N.V. Opredelenie rashoda topliva benzinovogo DVS s rampoy tupikovogo tipa pri rabote na perehodnyih rezhimah [Determination of fuel consumption of an internal combustion engine with a deadlock-type rail under the operation in transient modes]. Vestnik Vostochnoukrainskogo natsionalnogo universiteta imeni Vladimira Dalya [Bulletin of Vladimir Dal East Ukrainian National University]. 2013, no. 15 (204), part 2, pp. 268-274. (In Russian)

6. Volodin A.I. Lokomotivnyie dvigateli vnutrennego sgoraniya [Locomotive internal combustion engines]. Moscow, Transport Publ., 1990, 265 p. (In Russian)

Критерии авторства

Горожанкин С.А., Бумага А.Д., Савенков Н.В. предложили комплекс мероприятий по переоборудованию обкаточ-но-тормозного стенда в электрогенераторную установку, выполнили анализ ее энергетической эффективности при применении различных моделей автомобильных двигателей внутреннего сгорания, провели обобщение и написали рукопись. Савенков Н.В. несет ответственность за плагиат.

Authorship criteria

Gorozhankin S.A., Bumaga A.D., Savenkov N.V. have proposed a set of measures for the conversion of a roller test bench into an electric generating unit, analyzed its energy efficiency when using different models of automotive internal combustion engines, summarized the material and wrote the manuscript. Savenkov N.V. is responsible for plagiarism.

Конфликт интересов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

Статья поступила 29.08.2016 г. The article was received 29 August 2016