CC BY
54
УДК 621.43
СОКРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ РАЗГОНА ТУРБОКОМПРЕССОРА ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
А. А. Козлов1, Д. В. Шабалин2, С. В. Рослов1
1
Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения, Россия, г. Омск
2
Военный учебный - научный центр Сухопутных войск Вооруженных сил Российской Федерации, Россия, г. Москва
Аннотация. Статья посвящается решению проблемы снижения приемистости дизельных двигателей с наддувом городских маршрутных автобусов ввиду инерционности турбокомпрессора. Для уменьшения негативных последствий наддува на режиме разгона предложен способ повышения приемистости комбинированного дизеля основанный на идее рекуперации кинетической энергии инерционными аккумуляторами. Использование этой энергии для раскрутки ротора турбокомпрессора на неустановившихся режимах работы уменьшит время режима разгона, и как следствие, расход топлива и выброс отработавших газов в окружающую среду.
Ключевые слова: турбина, компрессор, инерционность, энергоаккумулятор, маховик.
Введение
С целью уменьшения негативных последствий наддува на режиме разгона в данной статье предложен способ повышения приемистости комбинированного дизеля основанный на идее рекуперации кинетической энергии инерционными аккумуляторами. Использование этой энергии для раскрутки ротора турбокомпрессора на неустановившихся режимах работы уменьшит время режима разгона, и как следствие, расход топлива и выброс отработавших газов в окружающую среду.
Способ сокращения времени разгона турбокомпрессора дизельных двигателей
городских маршрутных автобусов с использованием рекуперативного
торможения
Условия эксплуатации автомобильного транспорта нередко сопряжены с экстремальными нагрузками на силовую установку связанными с постоянно меняющимися режимами работы. Исследуя режимы работы городских маршрутных автобусов можно сделать вывод, что режим разгона и торможения являются их основными режимами работы, наиболее часты и длительны относительно других режимов работы (таблица 1).
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 Номинальный 16,0 16,8
2 Холостой ход 15,0 4,2
3 Разгон (ускорение) 36,7 69,9
4 Торможение (замедление) 32,3 9,1
Режимы разгона имеют большую нестационарность, и при своей длительности приводят к ощутимому снижению
мощностных, экономических и экологических показателей современных комбинированных дизелей [1].
Таким образом, возникает необходимость в проведении дополнительных исследований с целью снижения негативных последствий неустановившихся режимов [2].
В современном автомобилестроении достаточно эффективно используются режимы торможения, для решения различных задач. Одно из направлений использования замедления (торможения) имеет название «Рекуперативное торможение». Рассмотрим данный вид торможения более подробно.
Движение автомобильного транспорта сопровождается кинетической энергией. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и собственно расходуется в холостую. Таким образом, имеется необходимость в рекуперации и накоплении кинетической энергии движения транспортного средства.
Для рекуперации кинетической энергии автомобиля используются различные схемы накопителей: электрические, пневматические, механические, гидравлические. Анализ используемых схем говорит о наибольшей эффективности механических накопителей, в частности инерционных.
Инерционные механические
энергоаккумулирующие системы, к которым принадлежат маховичные накопители энергии (МНЭ), предназначены для накопления механической энергии в маховике (системе маховиков), консервации энергии при вращении маховика и выдачи ее потребителю при требуемых режимных параметрах.
Основной, наиболее характерный элемент - маховик, выполняющий функции аккумулятора энергии и источника мощности обладает следующими потенциально положительными качествами [3]:
- высокая удельная мощность зарядно-разрядных режимов;
- автоматический переход с режима аккумулирования (заряда) на режим генерирования (разряда) энергии, что обеспечивает возможность эффективной рекуперации энергии;
- высокий КПД и стабильность характеристик в широком диапазоне изменения условий эксплуатации (давление, температура и д.р);
- отсутствие при работе побочных выделений, загрязняющих окружающую среду.
Механическую энергию, которую накапливают и выделяют маховики, сравнительно просто и с высоким КПД можно преобразовать в другие виды энергии. Кроме того, маховик - единственный накопитель аккумулирующий, одновременно с энергией и кинетический момент, что создает ряд дополнительных возможностей при применении МНЭ в различных технических устройствах.
Конструктивно-силовые схемы маховиков можно разделить на три большие группы:
1) монолитные маховики из изотропных материалов;
2) маховики из высокопрочных анизотропных материалов;
3) маховики из высокоэластичных материалов.
Для целей аккумулирования энергии перспективны два типа маховиков первой группы: маховики-диски и маховики-стержни (вращающиеся вокруг поперечной оси). Обычно диски значительно превосходят стержни по объемной эффективности, их энергоемкостные возможности определяются прочностными характеристиками материала [4].
Анализ инерционных накопителей энергии свидетельствует о необходимости дополнительных исследований с целью использования маховиков, как наиболее эффективных рекуперационных устройств в современном двигателестроении [5].
Авторским коллективом разработан метод повышения приемистости комбинированного дизеля с использованием инерционных накопителей энергии. Для энергетического заряда инерционных накопителей используются режимы торможения транспортного средства.
Анализируя результаты исследований проводимые [6] можно сделать вывод об эффективности различных способов интенсификации режимов разгона. Наиболее приемлемыми для этих целей являются подкрутка ротора турбокомпрессора (ТК) с подводом дополнительной энергии, а также подача дополнительного воздуха перед впускными органами либо непосредственно в цилиндры двигателя [7].
Современные методы обеспечивающие подвод дополнительной энергии к ротору ТК, а также подачу дополнительного воздуха мало эффективны и используются крайне редко в связи с затратами дополнительной энергии на питание электродвигателя в первом случае и привод компрессоров высокого давления во втором [8].
Предлагаемые авторами способы практически полностью решают данную проблему.
Механический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 1) обеспечивает подкрутку ротора ТК на режимах разгона используя энергию маховика, запасаемую на режимах торможения.
заряжаемого на режимах торможения. Данный способ может быть применен как на без наддувных двигателях, так и на двигателях, оборудованных различными системами наддува.
Рис. 1. Механический 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; 13 - датчик давления наддувочного воздуха
Отличные результаты показывают гибридные схемы энергоаккумуляторов, приумножая индивидуальные особенности друг друга.
Пневмомеханический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 2) обеспечивают подачу дополнительного воздуха из ресиверов (пневматических аккумуляторов) заряжаемых компрессором [9]. Который в свою очередь приводится в движение от маховичного накопителя энергии
Рис. 2. Пневмомеханический способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного торможения
1 - дизель; 2 - турбина; 3 - ресиверы; 4 - электрическая муфта; 5 - маховик (инерционный аккумулятор); 6 - электрическая муфта; 7 - повышающий редуктор; 8 - электрическая муфта; 9 - трансмиссия автомобиля; 10 - педаль тормоза; 11 - электронный блок управления; 12 -педаль подачи топлива; 13 - компрессор высокого давления; 14 - регулирующий орган; 15 - компрессор; 16 - воздухопроводы высокого давления
Электромеханический способ повышения приемистости комбинированного дизеля (рис. 3) обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей для питания электродвигателя подкручивающего ротор ТК на режимах разгона. Для привода генератора используется энергия маховика, запасаемая на режимах торможения.
Рис. 3. Электромеханический способ повышения приемистости дизеля с системой рекуперативного торможения
1 - дизель; 2 - электродвигатель; 3 - турбина;
4 - маховик (инерционный аккумулятор); 5 - обгонная муфта; 6 - повышающий редуктор;
7 - электрическая муфта; 8 - трансмиссия
автомобиля; 9 - педаль тормоза; 10 - педаль подачи топлива; 11 - электронный блок управления; 12 - генератор; 13 - аккумуляторная батарея; 14 - компрессор.
Перспективность использования
маховиков и супермаховиков не вызывает сомнений. В дальнейшем эффективность новых гибридных автомобилей
предполагается повысить путем объединения двух типов двигателей - теплового и инерционного, используемого в качестве рекуператора кинетической энергии[3].
Заключение
Взяв во внимание цикличность работы дизельных двигателей с наддувом, режим разгона сменяется режимом торможения ввиду высокой плотности препятствий для работы комбинированного дизеля на установившемся режиме работы (малое расстояние между остановками, наличие пешеходных переходов, светофоров, нерегулируемых перекрестков и других препятствий) подведем итог о целесообразности использования
рекуперативного торможения с целью снижения энергозатрат.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: оснащение городских маршрутных автобусов предложенными средствами повышения приемистости позволяет уменьшить на 40...60% время переходного процесса, увеличить среднюю скорость движения транспортного средства на 10.15%, а так же на 6.8% снизить расход топлива и повысить уровень экологичности по сравнению с серийными автобусами.
Библиографический список
1. Патрахальцев, Н. Н. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом / Н. Н. Патрахальцев, А. А Савастенко - М.: Легион Автодата, 2010. - 176 с.
2. Головчук, А.С. Снижение дымности дизелей [Текст] / А. С. Головчук, Н. Н. Аболмасов // Автомобильная промышленность. - 1994. - № 11.
- С. 35 - 36.
3. Гулиа, Н. В., Инерционные аккумуляторы энергии / Н. В. Гулиа - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1973.
- 240 с.
4. Гулиа Н. В., Инерция / Н. В. Гулиа - М.: Наука, 1982. - 152 с.
5. Шабалин, Д. В. Метод повышения приемистости комбинированного дизеля с использованием инерционных накопителей энергии / Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко, С. В. Рослов, А. М. Смирнов. - Омский научный вестник. № 2(130). - Омск: ОМГТУ. - 2013. - 136 - 139.
6. Шабалин, Д. В. Стабилизация температуры надувочного воздуха: монография / Д. В. Шабалин, Д. Ю. Фадеев, Е. С. Терещенко. - Омск: Омское кн. изд-во, 2013. - 100 с.
7. Терещенко, Е. С. Переходные процессы дизеля с газотурбинным наддувом / Е. С. Терещенко // Научный вестник ЧВВАКИУ. - 2010. -Вып. 25. Часть 2. - Челябинск: ЧВВАКИУ. - С. 122 - 125.
8. Байков, Б. П. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: справочное пособие / Б. П. Байков, В. Г. Бордуков, П. В. Иванов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 200 с.
9. Терещенко, Е. С. Повышение качества переходных процессов дизеля с газотурбинным наддувом применением системы управления турбокомпрессором / Е. С. Терещенко // Перспективные направления развития науки: сборник науч. ст. - 2011. - № 1. - С. 27 - 31.
REDUCTION OF TIME OF DISPERSAL OF THE TURBOCOMPRESSOR OF DIESEL ENGINES DUE
TO MANAGEMENT OF TURBOCOMPRESSORS WITH USE OF RECUPERATIVE BRAKING
A. A. Kozlov, D. V. Shabalin, S. V. Roslov
Abstract. The article is devoted to the problem of reducing the turbocharged diesel engine acceleration capability in midi buses due to the inertia of the
turbocharger. To reduce the negative effects of the boost at acceleration mode a method of increasing the acceleration capability of the compound diesel engine based on the idea of kinetic energy regeneration by inertial accumulators is suggested. The usage of this energy for spinning turbocharger rotor at unsteady modes of operation reduces the time of acceleration mode, and as a result, fuel consumption and exhaust emissions into the environment are also reduced.
Keywords: turbine, compressor, inertia, energy storage, flywheel inertia.
References
1. Patrahal'cev N. N., Savastenko A. A. Forsirovanie dvigatelej vnutrennego sgoranija nadduvom [Forsage of the turbocharged diesel engine]. Moscow, Legion Avtodata, 2010. 176 p.
2. Golovchuk A. S., N. N. Abolmasov Snizhenie dymnosti dizelej [Reduce fumes of diesel engine]. Avtomobil'najapromyshlennost. 1994. № 11 .pp. 35 - 36.
3. Gulia N. V. Inercionnye akkumuljatory jenergii [Energy storage of inertia] Voronezh: Izd-vo VGU, 1973. 240 p.
4. Gulia N. V., Gulia N. V. Inercija [Inertia] Moscow, Nauka, 1982. 152 p.
5. Shabalin D. V., Tereshhenko E. S., Roslov S. V., Smirnov A. M. Metod povyshenija priemistosti kombinirovannogo dizelja s ispol'zovaniem inercionnyh nakopitelej jenergii [A method for increasing diesel pickups combined with the use of inertial energy storage] Omskij nauchnyj vestnik. 2013. no 2(130). Omsk, OMGTU. 2013. pp. 136 - 139.
6. Shabalin D. V., Fadeev D. Ju., Tereshhenko E. S. Stabilizacija temperatury naduvochnogo vozduha: monografija [Stabilization of charging air: monografia]. Omsk: Omskoe kn. izd-vo, 2013. 100 p.
7. Tereshhenko E. S. Perehodnye processy dizelja s gazoturbinnym nadduvom [Transition process of the turbocharged diesel engine]. Nauchnyj vestnik ChVVAKIU. 2010. no 25. Chast' 2. Cheljabinsk: ChVVAKIU. pp. 122 - 125.
8. Bajkov B. P., Bordukov V. G., Ivanov P. V. Turbokompressory dlja nadduva dizelej: spravochnoe
posobie [The turbocharged diesel engine: reference manual] L.: Mashinostroenie, 1985. 200 p.
9. Tereshhenko E. S. Povyshenie kachestva perehodnyh processov dizelja s gazoturbinnym nadduvom primeneniem sistemy upravlenija turbokompressorom [Improving the quality of transient processes of a diesel engine with a turbocharged application management system turbocharger] Perspektivnye napravlenija razvitija nauki: sbornik nauch. st. 2011. № 1. pp. 27 - 31.
Козлов Андрей Александрович (Россия, г. Омск) - старший помощник начальника курсов переподготовки и повышения квалификации Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения (Омск-98, 14 военный городок, e-mail: extraskyline@mail.ru)
Шабалин Денис Викторович (Россия, г. Москва) - кандидат технических наук, докторант Военный учебный - научный центр Сухопутных войск Вооруженных сил (109380 , г. Москва, ул. Головачева,2, e-mail:
shabalin_d79@mail. ru)
Рослов Сергей Валерьевич (Россия, г. Омск) -адъюнкт кафедры двигателей Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения (Омск-98, 14 военный городок, e-mail: roslov_s@bk.ru)
Kozlov A. A. (Russian Federation, Omsk) - senior assistant to the chief of courses of retraining and professional development Omsk branch of Military academy of material support (Omsk-98, 14 military camp, e-mail: extraskyline@mail.ru)
Shabalin D. V. (Russian Federation, Moscow) -Candidate of Technical Sciences, the doctoral candidate Voyenny educational - scientific center of Land forces of Armed forces (109380, Moscow, Golovachev St., 2, e-mail: shabalin_d79@mail.ru)
Roslov S. V. (Russian Federation, Omsk) -graduated in a military academy of chair of engines Omsk branch of Military academy of material support (Omsk-98, 14 military camp, e-mail: roslov_s@bk.ru)
УДК 62(075.8)
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОСИСТЕМЫ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ПРИ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ПОТОКА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
В. Н. Кузнецова1, В. В. Савинкин2 1 ФГБОУ ВПО «СибАДИ», г. Россия, г. Омск 2 Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, Казахстан г. Петропавловск
Аннотация. Научно-технические достижения при совершенствовании и модернизации экскаваторов, направленные на повышение их эффективности, безопасности, обеспечения качественных показателей экскавационных работ, снижение эксплуатационных затрат, повышение энергоемкости, невозможны без
