Система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Вывод. Уменьшение заливания и забрызгивания водой приборов наблюдения и прицеливания плавающей машины бронетанкового вооружения в морских условиях — важный вопрос, который необходимо решать. Выдвинутые в статье, на основе проведенных экспериментов, предложения по повышению обзорности лишь частично улучшают ситуацию, но не решают вопроса кардинально. Необходимо проведение работ в этом направлении с целью разработки новых технических решений, значительно повышающих обзорность членов экипажа плавающих машин.

Библиографический список

1. Анализ условий применения морской пехоты и концепции применения плавающих машин БТВТ в морской пехоте: отчет о НИР [ФГУ «38 НИИИ МО РФ»] / Серяков О. А. — М., 1992. — 32 с. — Инв. № 5250.

2. Протоколы государственных испытаний боевой машины десанта БМД -3 / ФГУ «38 НИИИ МО РФ». — М., 2003. — 41 с.

3. Акт по испытаниям на плаву модернизированной боевой машины десанта БМД-4 (изделие 960М) массой 14,5 т, с унифицированными средствами десантирования ПБС-950У: [ГАБТУ МО РФ]. — М., 2007. — 48 с.

4. Акт контрольных испытаний опытного образца модернизированной боевой машины пехоты БМП-3: [ОАО «СКБМ»].— Курган, 2009. — 103 с.

5. Акт испытаний серийных БТР-82А и БТР-82АМ в морских условиях: [НИИЦ БТ ФГБУ «3 ЦНИИ МО РФ»]. — М. : Кубинка, 2013. — 20 с.

ЩЕРБО Александр Николаевич, подполковник, старший преподаватель кафедры ремонта бронетанковой и автомобильной техники.

СЕРЯКОВ Олег Александрович, полковник, кандидат технических наук, доцент, профессор Академии военных наук, начальник кафедры боевых гусеничных и колесных машин.

САРАЕВ Евгений Александрович, подполковник, преподаватель кафедры ремонта бронетанковой и автомобильной техники.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 03.04.2014 г.

© А. Н. Щербо, О. А. Серяков, Е. А. Сараев

УДК 621.337.522:621.43:629.331 Е. С. ТЕРЕЩЕНКО

Д. В. ШАБАЛИН Д. Ю. ФАДЕЕВ О. В. СУББОТИН

Омский автобронетанковий инженерный институт

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ТУРБОКОМПРЕССОРА С РЕСИВЕРОМ И ТЕПЛООБМЕННИКОМ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ

Проведён краткий анализ зависимости коэффициента избытка воздуха и работы дизеля с газотурбинным наддувом на переходном режиме разгона, и представлена система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля, которая обеспечивает повышение эффективности двигателя на переходном режиме разгона.

Ключевые слова: газотурбинный наддув, ресивер, дизель, система управления.

Рабочий процесс дизеля претерпевает изменения разгона давление наддува повышается медленнее, чем

в зависимости от скорости вращения коленчатого частота вращения коленчатого вала двигателя, что

вала двигателя, давления надувочного воздуха, пода- приводит к уменьшению коэффициента избытка чи топлива и нагрузки. Наиболее характерным пере- воздуха ниже допустимого значения. Способность ходным режимом автомобильного дизеля является турбокомпрессора быстро изменять давление надду-

разгон, который характеризуется резким возраста- ва в соответствии с режимом работы двигателя зави-

нием нагрузки на двигатель и, соответственно, увели- сит главным образом от момента инерции ротора. чением подачи топлива. Время разгона ротора турбокомпрессора можно

В двигателях с газотурбинным наддувом газовая определить по следующей зависимости [1]: связь между турбокомпрессором и двигателем создает

особые условия при работе на переходных или неус- ю

тановившихся режимах. Чем выше давление наддува, J ^ аном+ М /М

тем больше разница в работе двигателя с газотурбинным [ =- —— 1п--------Ттах---Тно^ , щ

наддувом и без него. При работе двигателя на режиме Мтном

(К + 1)

®ном ®

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

133

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

Рис. 1. Зависимость изменения коэффициента избытка воздуха при разгоне двигателя по внешней характеристике без нагрузки

где Jp — момент инерции ротора; МТном и МТтах— номинальный и максимальный моменты, развиваемые турбиной; СО — угловая скорость ротора турбокомпрессора; СО ном — угловая скорость ротора при МТном.

Одним из важнейших показателей, определяющих качество протекания рабочего процесса двигателя на установившемся режиме, так и в переходном процессе является коэффициент избытка воздуха а. Другие параметры, например скорость вращения коленчатого вала и тепловое состояние двигателя, также оказывают большое влияние на протекание рабочего процесса, однако в большинстве случаев на неустановившихся режимах работы они не выходят значительно за пределы, определяемые полем статических характеристик [2].

В отличие от них величина коэффициента избытка воздуха на неустановившихся режимах работы может далеко выходить за пределы изменений коэффициента по статическим характеристикам за счет инерции системы наддува. Чрезмерное снижение коэффициента избытка воздуха на неустановившихся режимах может привести к неполному сгоранию топлива, снижению мощности, ухудшению экономичности и повышению дымности выпуска. Коэффициент избытка воздуха является важным показателем, как критерий качества протекания рабочего процесса в неустановившемся режиме работы двигателя [3].

Текущее значение коэффициента избытка воздуха зависит от начального его значения перед переходным процессом и законом изменения подачи топлива и воздуха во время переходного процесса.

Приведена зависимость изменения коэффициента избытка воздуха дизеля по внешней характеристики без нагрузки (рис. 1). Как показывают исследования [4], увеличение нагрузки при разгоне уменьшает значения а. Здесь Тт — постоянная времени турбокомпрессора, Тд — постоянная времени дизеля.

Следует иметь в виду, что при разгоне двигателя перемещением рычага управления выход рейки на упор максимальной подачи топлива происходит практически мгновенно и можно считать, что параметры регулятора не сказываются на изменение коэффициента избытка воздуха. Для качественного

протекания рабочего процесса в переходном режиме необходимо обеспечить условие:

а = + Аа.

(2)

Изменение можно выразить через изменения расхода топлива и воздуха для данного момента времени переходного процесса:

Аа = — L„

G„

Gmо + Gm

G„

(3)

В качестве возможных воздействий на двигатель, ограничивающих снижение а, могут быть использованы разные способы. Но если стоит задача сохранения мощности и динамических качеств двигателя в переходном процессе, то, как следует из формулы (3), обеспечение необходимого значения Аа в каждый момент времени переходного процесса возможно только за счет изменения расхода воздуха при переходном процессе.

Для двигателя с газотурбинным наддувом характерно резкое падение мощности турбины турбокомпрессора с уменьшением расхода газа. Это означает, что на режимах малых и средних нагрузок воздухо-снабжение дизеля ухудшается.

Известна система управления работой турбокомпрессора транспортного дизеля, разработанная в Омском автобронетанковом инженерном институте.

Задачей предложения является повышение эффективности работы турбокомпрессора на переходных режимах работы двигателя: на разгоне транспортного средства, когда происходит подача в трубопровод перед турбиной дополнительных отработавших газов из ресивера и их смешивание с отработавшими газами из цилиндров двигателя [5].

Решение поставленной задачи достигается тем, что система управления работой турбокомпрессора содержащая турбину, компрессор, ресивер отработавших газов, перепускной клапан канала отработавших газов, односторонний клапан в перепускном канале сжатых газов, перепускной клапан ресивера, блок управления перепускными клапанами, датчик

2 3 4

Рис. 2. Система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля

давления отработавших газов в ресивере и датчик перемещения рейки топливного насоса высокого давления, а также в ней установлен теплообменник, который подсоединён к трубопроводу отработавших газов после турбины и к перепускному каналу сжатых газов, в котором происходит подогрев отработавших газов, накопленных в ресивере, отработавшими газами после турбины.

Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.

Предлагаемая система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля (рис. 2) содержит двигатель внутреннего сгорания 1, турбину 2, компрессор 3, воздушный фильтр 4, соединенный через воздухопровод с компрессором 3, глушитель 5, соединенный через выпускной трубопровод 6 с теплообменником 7, выпускной трубопровод 8, соединяющий теплообменник 7 с турбиной 2, ресивер отработавших газов 9, в котором происходит аккумулирование отработавших газов, перепускной клапан 10 канала отработавших газов 11, односторонний клапан 12, установленный в перепускном канале сжатых газов 13, перепускной клапан ресивера 14, блок управления перепускными клапанами 15, датчик давления отработавших газов 16 в ресивере, топливный насос высокого давления с рейкой 17 и датчик перемещения рейки топливного насоса высокого давления 18.

Предлагаемая система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля работает следующим образом.

При равномерном движении (преимущественном режиме работы двигателя) транспортного средства, воздух через воздушный фильтр 4 по воздухопроводу попадает в компрессор 3, сжимается в компрессоре и под необходимым давлением поступает в цилиндры двигателя 1 (расчёт турбокомпрессора производится для одной рабочей точки, в которой он работает с максимальным коэффициентом полезного действия, в качестве расчетной точки выбирается характерная точка характеристики двигателя, вблизи которой располагаются преимущественные режимы его работы). После рабочего процесса в цилиндрах двигателя 1 отработавшие газы поступают по вы-

пускному трубопроводу на турбину 2. Отработавшие газы приводят во вращение турбину 2 и далее через выпускной трубопровод 8, теплообменник 7, выпускной трубопровод 6 и глушитель 5 выводятся в атмосферу.

При торможении двигателем (когда водитель уменьшает количество подачи топлива), команда от датчика перемещения рейки топливного насоса высокого давления 18 поступает на блок управления 15 , который открывает перепускной клапан ресивера 14 и перепускной клапан 10 канала отработавших газов 11, кроме того, клапан 6 прикрывает канал на турбину 2. Отработавшие газы под давлением поступают в ресивер отработавших газов 9 по каналу отработавших газов 11. Таким образом, происходит аккумулирование отработавших газов без потерь энергии двигателя и привлечения дополнительных источников энергии.

При ускорении транспортного средства водитель, воздействуя на педаль подачи топлива, увеличивает подачу топлива. От датчика перемещения рейки топливного насоса высокого давления 18 и датчика давления отработавших газов 16 в ресивере поступают сигналы на блок управления 15, который открывает перепускной клапан ресивера 14 (перепускной клапан 10 канала отработавших газов 11 закрыт). Ранее аккумулированные отработавшие газы поступают под давлением из ресивера отработавших газов 9 через перепускной клапан ресивера 14, через односторонний клапан 12 по перепускному каналу сжатых газов 13 и через теплообменник 7 на турбину 2. В теплообменнике 7 отработавшие газы после турбины отдают часть теплоты отработавшим газам из ресивера 9. Таким образом, в трубопровод перед турбиной 2 поступают газы из ресивера 9 с более высокой температурой, и в итоге на турбину 2 поступает большее количество отработавших газов с более высокой суммарной температурой (отработавшие газы из цилиндров двигателя 1 и подогретые в теплообменнике 7 аккумулированные отработавшие газы из ресивера 9), следовательно, турбина 3 турбокомпрессора раскручивается быстрее и тем самым на переходном режиме ускорения в цилиндры поступает большее количество свежего заряда воздуха, которое необходимо для сгорания топлива, подаваемого водителем при трогании и ускорении транспортного средства.

Предлагаемая система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля обеспечивает подачу из ресивера в трубопровод перед турбиной дополнительных отработавших газов через теплообменник (установленный на выпускном трубопроводе после турбины турбокомпрессора и на перепускном канале сжатых газов), в котором происходит подогрев отработавших газов из ресивера, тем самым суммарная энергия отработавших газов, подаваемых на турбокомпрессор на режиме разгона дизеля, увеличивается.

Анализ данной системы, позволяет сделать выводы, что предлагаемая система управления работой турбокомпрессора с ресивером и теплообменником транспортного дизеля обеспечивает повышение эффективности работы транспортного дизеля на переходных режимах при ускорении транспортного средства, то есть улучшает согласованность работы поршневой части двигателя и системы воздухоснаб-жения на переходных режимах ускорения, улучшает топливную экономичность, уменьшает количество выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами, возникающих при неполном сгорании топлива.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

1. Патрахальцев, Н. Н. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом / Н. Н. Патрахальцев, А. А. Савастен-ко. — М. : Легион Автодата, 2010. — 176 с.

2. Циннер, К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / К. Цинер. — М. : Машиностроение, 1988. — 284 с.

3. Симсон, А. 3. Турбонаддув высокооборотных дизелей/ А. 3. Симсон. — М. : Машиностроение, 1986. — 288 с.

4. Леонов, О. Б. Нагрузка деталей кривошипно-шатунного механизма на неустановившихся режимах работы дизеля / О. Б. Леонов, Н. Н. Мануйлов // Развитие комбинированных двигателей внутреннего сгорания. — М., 1990. — С. 63 — 71.

5. Пат. 101093 Российская Федерация, МПК7 F02B 37/04, F02B 37/14. Система управления турбокомпрессором с ресивером транспортного дизеля / Терещенко Е. С., Руднев В. В., Фадеев Д. Ю., Александров Н. Е.; заявитель и патентообладатель Терещенко Е. С. — № 2010113058/06 ; заявл. 05.04.10 ; опубл. 10.01.10, Бюл. № 1. — 3 с.

ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

ФАДЕЕВ Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры ремонта БТ и АТ. СУББОТИН Олег Викторович, старший преподаватель кафедры ремонта БТ и АТ.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 28.04.2014 г.

© Е. С. Терещенко, Д. В. Шабалин, Д. Ю. Фадеев, О. В. Субботин

УДК 621.337.522:621.43:629.331 Д. р. ШАБАЛИН

Е. С. ТЕРЕЩЕНКО С. В. РОСЛОВ А. М. СМИРНОВ

Омский автобронетанковый инженерный институт

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ПРИЕМИСТОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

В статье предлагается решение проблемы снижения приемистости комбинированных двигателей в связи с инерционностью турбокомпрессора. Для уменьшения негативных последствий наддува предложен метод повышения приемистости комбинированного дизеля, основанный на идее рекуперации кинетической энергии инерционными аккумуляторами.

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

Современные условия эксплуатации автомобиль- решения различных задач. Одно из направлений ис-

ной техники нередко сопряжены с экстремальными пользования замедления (торможения) имеет назва-

нагрузками на силовую установку, связанными с пос- ние «Рекуперативное торможение». Рассмотрим дан-

тоянно меняющимися режимами работы. Исследова- ный вид торможения более подробно.

ния, проводимые такими авторами, как Н. Н. Настен- Движение автомобиля сопровождается кинетиче-

ко, И. И. Кринецкий, В. М. Архангельский, А. А. Гру- ской энергией. При торможении с использованием

науэр, А. К. Юлдашев, В. С. Кукис и др., подтверж- традиционной тормозной системы избыток кинети-

дают, что режимы разгона и торможения наиболее ческой энергии преобразуется в тепловую энергию

часты и длительны относительно других режимов трения тормозных колодок и тормозного диска и

работы автомобильной и гусеничной техники (табл. 1). собственно расходуется в холостую. Таким образом

Режимы разгона имеют большую нестационар- имеется необходимость в рекуперации и накоплении

ность и при своей длительности приводят к ощути- кинетической энергии движения транспортного

мому снижению мощностных, экономических и эко- средства.

логических показателей современных комбиниро- Для рекуперации кинетической энергии автомо-

ванных дизелей [1]. биля используются различные схемы накопителей:

Таким образом, возникает необходимость в про- электрические, пневматические, механические, гид-

ведении дополнительных исследований с целью сни- равлические. Анализ используемых схем говорит о

жения негативных последствий неустановившихся наибольшей эффективности механических накопи-

режимов. телей, в частности инерционных.

В современном автомобилестроении достаточно Инерционные механические энергоаккумулиру-

эффективно используются режимы торможения для ющие системы, к которым принадлежат маховичные