Научная статья на тему 'Транспортное средство с пневматической силовой установкой на базе автомобиля ваз-2104'

Транспортное средство с пневматической силовой установкой на базе автомобиля ваз-2104 Текст научной статьи по специальности «Агрегаты со свободнодвижущимися поршнями. Газомотокомпрессоры»

CC BY
157
63
Поделиться
Ключевые слова
поршневые кривошипные пневмодвигатели с клапанным воздухо распре делением / ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА / результаты дорожных испытаний на автомобиле / поршневі кривошипні пневмодвигуни із клапанним повітрярозподілом / технічна характеристика / результати дорожніх випробувань на автомобілі

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Воронков Александр Иванович, Никитченко И. Н., Подоляка А. В., Богданов А. И., Збарский О. Б.

<i>Рассмотрены особенности конвертации бензинового четырехтактного автомобильного двигателя ВАЗ-2103 в поршневой двухтактный клапанный пневмодвигатель и изложены результаты первичных дорожных испытаний легкового автомобиля ВАЗ-2104, оборудованного этим пневмодвигателем.</i>

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Воронков Александр Иванович, Никитченко И.Н., Подоляка А.В., Богданов А.И., Збарский О.Б.,

<i>The features of petrol four-stroke VAZ-2103 automobile engine converting into cylinder two-stroke valve pneumatic engine are considered. The results of primary road tests of VAZ-2104 automobile equipped with the given pneumatic engine are expounded.</i>

Текст научной работы на тему «Транспортное средство с пневматической силовой установкой на базе автомобиля ваз-2104»

УДК 621.432.3

ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЯ ВАЗ-2104

А.И. Воронков, доцент, к.т.н., И.Н. Никитченко, инженер,

А.В. Подоляка, студент, А.И. Богданов, студент, ХНАДУ, О.Б. Збарский, инженер

Аннотация. Рассмотрены особенности конвертации бензинового четырехтактного автомобильного двигателя ВАЗ-2103 в поршневой двухтактный клапанный пневмодвигатель и изложены результаты первичных дорожных испытаний легкового автомобиля ВАЗ-2104, оборудованного этим пневмодвигателем.

Ключевые слова: поршневые кривошипные пневмодвигатели с клапанным воздухораспре-делением, техническая характеристика, результаты дорожных испытаний на автомобиле.

ТРАНСПОРТНИЙ ЗАСІБ ІЗ ПНЕВМАТИЧНОЮ СИЛОВОЮ УСТАНОВКОЮ

НА БАЗІ АВТОМОБІЛЯ ВАЗ-2104

А.І. Воронков, доцент, к.т.н., І.М. Нікітченко, інженер,

А.В. Подоляка, студент, А.І. Богданов, студент, ХНАДУ, О.Б. Збарський, інженер

Анотація. Розглянуто особливості конвертації бензинового чотиритактного автомобільного двигуна ВАЗ-2103 у поршневий двотактний клапанний пневмодвигун і викладено результати первинних дорожніх випробувань легкового автомобіля ВАЗ-2104, обладнаного цим пневмодвигуном.

Ключові слова: поршневі кривошипні пневмодвигуни із клапанним повітрярозподілом, технічна характеристика, результати дорожніх випробувань на автомобілі.

VEHICLE WITH PNEUMATIC POWER UNIT ON BASIS OF VАZ-2104

MOTOR CAR

А. Voronkov, Associate Professor, Candidate of Technical Science, I. Nikitchenko, engineer, А. Podolyaka, student, A. Bogdanov, student, KhNАHU, О. Zbarskyi, engineer

Abstract. The features of petrol four-stroke VAZ-2103 automobile engine converting into cylinder two-stroke valve pneumatic engine are considered. The results of primary road tests of VAZ-2104 automobile equipped with the given pneumatic engine are expounded.

Key words: cylinder crank-type pneumatic engines with vale air distributor, technical characteristic, results of road tests on vehicles.

Введение

Как известно из многочисленных публикаций [1-3], перевод транспортных средств с невозобновляемых источников энергии (нефть, газ) на возобновляемые с каждым десятилетием становится все более актуальным. Работы в этой области ведутся в

нескольких направлениях - это применение альтернативных топлив, электроэнергии, а также энергии сжатого воздуха.

Наряду с разработками больших научных коллективов [1, 2], свой вклад в разработки вносят и отдельные изобретатели. Например, изобретателем О.Б. Збарским создан экспе-

риментальный автомобиль, который оборудован пневматической силовой установкой на базе бензинового автомобильного двигателя. На это изобретение автор получил патент [3]. ХНАДУ поддержал инициативного изобретателя и организовал дорожные испытания экспериментального автомобиля с пневмодвигателем. В статье рассмотрены особенности конвертации карбюраторного двигателя ВАЗ-2103 в поршневой пневмодвигатель с клапанным воздухораспреде-лением.

Анализ публикаций

К настоящему времени НПО «Правдинский радиозавод» (Россия) изготовил опытный образец пневмокара ЭЧТС, где на штатном шасси электрокара вместо аккумулятора установлен 50-литровый баллон со сжатым воздухом, а вместо электромотора - двухтактный мотоциклетный двигатель ТМЗ-5.101, конвертированный в пневмодвигатель путем соответствующего изменения головки цилиндров. В настоящее время завод принимает заказы на конвертацию двигателей внутреннего сгорания в пневмодвигатели.

Широко известны разработки инженера Ги Негре (Guy Negre). Созданная им компания MDI (Motor Development International) занимается разработкой автомобилей с пневматической силовой установкой. На данный момент готовы к производству автомобили с пневмодвигателями AirPod, OneFlowAIR и с комбинированной силовой установкой

CityFlowAIR. Заключены контракты с компанией Tata Motors (Индия) на производство автомобилей и запатентованных пневматических силовых установок к ним. Современные разработки в данном направлении были представлены на автосалоне в Лос Анджелесе (19-28 ноября 2010 г.) в категории дизайнерских новинок - Cadillac Aera, который передвигается с помощью энергии сжатого воздуха, реализуемой в Пневматической Системе Движения (Pneumatic Drive System (PDS)) с рабочим давлением 1000 МПа. При разработке конструкции несущего кузова использовались материалы, разработанные по программе NASA Mars Rover airbags. В Honda Air установлены нагнетатели, закачивающие воздух в пневматическую систему. Полной заправки доста-

точно для преодоления 150 км. Все внутренние компоненты крепятся к центральной стойке шасси. Скелетная конструкция из сверхлегких материалов усилена стекловолокном. Автомобиль может заправляться как от стационарного, так и помощью собственного компрессора. Volvo Air Motion так же, как Honda и Cadillac, работает за счет сжатого воздуха, нагнетаемого в центрально расположенные резервуары. В производстве деталей используются сверхлегкие углеродные материалы.

Цель и постановка задачи

Цель работы состоит в том, чтобы улучшить экологические показатели автомобильной силовой установки за счет конвертации штатного двигателя внутреннего сгорания в поршневой пневмодвигатель и оценить практическую возможность реализации такой конвертации на автомобилях семейства ВАЗ, эксплуатируемых исключительно в условиях городов.

Конкретными задачами этой исследовательской экспериментальной работы было выполнение названной конвертации с минимальными затратами на изготовление новых деталей.

Объект исследования

Объектом исследования является автомобиль ВАЗ-2104, на котором установлен опытный образец пневмодвигателя. Общая схема автомобиля представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема пневмосистемы автомобиля: 1 - пневмодвигатель; 2 - орган управления подачей воздуха, связанный с педалью «газа»; 3 - трубопровод сжатого воздуха рабочего давления; 4 -редукторы; 5 - баллоны со сжатым воздухом; 6 - вентиль

Техническая характеристика пневмодвигателя помещена в табл. 1.

Таблица 1 Техническая характеристика экспериментального образца пневмодвигателя

Параметры Обозначение Размерность Числовая величина

Тип пневмодвигателя поршневой, кривошипный с клапанным воздухораспределением и рядным расположением цилиндров

Диаметр цилиндра В мм 76

Ход поршня £ мм 80

Рабочий объем цилиндра Ур л 0,363

Число цилиндров 2 - 4

Литраж двигателя Ур-2 л 1,45

Количество клапанов на один цилиндр впускных выпускных ^кл.вп ^кл.вып н н в в 1 1

Относительный вредный объем £о - 0,133

Объем наполнения Уі л 0,170

Степень наполнения (^/Кр) Еі 0,469

Объем обратного сжатия Уз л 0,107

Степень обратного сжатия (К3/Кр) £з - 0,160

Рабочее давление сжатого воздуха на входе (абс.) Рі МПа 0,60

Масса пневмодвигателя Мдв кг 140

Конвертирование ДВС в пневмодвигатель

В качестве базовой модели, принимаемой для конвертации в пневмодвигатель, был выбран серийный автомобильный двигатель внутреннего сгорания ВАЗ-2103. Это четырехтактный четырехцилиндровый рядный двигатель, номинальной мощностью Ne = =56,6 кВт при частоте вращения п = 5600 мин-1: степень сжатия е = 8,5, масса двигателя Мдв = 140 кг. Конвертация этого ДВС в пневмодвигатель выполнена с минимальными изменениями в конструкции и минимальным количеством новых деталей. Так, блок цилиндров, головка блока цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, клапаны в комплекте со всеми вспомогательными деталями и привод распределительного вала остались без каких-либо изменений. Распределительный вал доработан: с тыльной

стороны каждого кулачка (впускного и выпускного) наплавлен с соответствующей механической обработкой дополнительный кулачек, а прежний кулачек доработан в соответствии с выбранными фазами впуска и выпуска рабочего тела из цилиндра1. Таким образом распредвал, вращаясь по-прежнему

1 Авторы не приводят данных первоначально установленных фаз воздухораспределения, так как предстоит выполнение специального расчетно-экспериментального исследования по их оптимизации.

в два раза медленнее коленчатого вала, обеспечивает открытие и закрытие клапанов при каждом обороте вала, т. е. обеспечивается двухтактный рабочий цикл пневмодвигателя. При этом цилиндры работают попарно (1-й и 4-й и 2-й и 3-й) в одинаковых фазах рабочего процесса.

Естественно, с базового двигателя и автомобиля были сняты все элементы системы зажигания и топливной системы: вместо карбюратора установлена плита со встроенным органом регулирования давления сжатого воздуха перед впускными клапанами; этот орган механически связан с ножной педалью «газа».

Баллон со сжатым воздухом высокого давления (20 МПа) в сборе с редуктором (рам-повый кислородный РКЗ-500-2,26) установлен в багажнике автомобиля.

В целом конвертация базового ДВС в пневмодвигатель осуществлена в полном соответствии со схемой, представленной в патенте автора рассматриваемой конвертации

О.Б. Збарского [3].

Результаты дорожных испытаний

экспериментального автомобиля

Легковой автомобиль ВАЗ-2104, оборудованный экспериментальным образцом рассмот-

ренного выше пневмодвигателя, прошел дорожные испытания на горизонтальном участке дороги при рабочем давлении сжатого воздуха на входе в пневмодвигатель Р\ = 0,6 МПа (абс.). Параметры силовой установки являются достаточными для движения автомобиля. Повысить характеристики пневмодвигателя возможно за счет повышения давления сжатого воздуха на входе и оптимизации фаз воздухораспределения.

Результаты расчетного исследования

Для расчетного исследования были использованы методики [6] расчета теоретического цикла силовой установки.

Исходные данные для расчета на ЭВМ представлены в табл. 2.

В результате проведенного расчета получили индикаторную диаграмму (рис. 2) и внешнюю скоростную характеристику (рис. 3) пневмодвигателя. Результаты расчетного исследования представлены в табл. 3.

Также был проведен тяговый расчет для определения максимально возможной скорости движения автомобиля.

В результате выполнения тягового расчета получили, что при мощности двигателя N = 12,8 кВт, крутящем моменте М = 81,3 Нм скорость автомобиля составит V = 64,8 км/ч.

Таблица 2 Исходные данные для расчета пневмодвигателя

№ п/п Наименование параметра Обозначение в программе Размерность Значение

1 Давление воздуха на впуске Л МПа 0,6

2 Температура воздуха на впуске Т1 К 270

3 Степень сжатия двигателя-прототипа - 8,5

4 Степень обратного сжатия £э - 0,16

5 Скорость поршня Сп м/с 4

6 Температура воздуха в конце расширения Т2 К 213

7 Энтальпия воздуха на входе в пневмодвигатель І1 кДж/кг 290

8 Энтропия воздуха на входе в пневмодвигатель Sl кДж/кг-К 6,061

9 Показатель адиабаты сжатия Пс - 1,36

10 Показатель адиабаты расширения Пр - 1,375

11 Диаметр цилиндра Б м 0,076

12 Ход поршня Б м 0,080

13 Противодавление Р2 МПа 0,12

14 Давление окружающей среды Рос МПа 0,1013

15 Температура окружающей среды То.с К 270

Таблица 3 Результаты расчетного исследования пневмодвигателя

№ п/п Наименование параметра Обозначение в программе Размерность Значение

1 Индикаторная мощность пневмодвигателя N1 кВт 12,8

2 Индикаторный крутящий момент Мі Нм 81,3

3 Индикаторный КПД ці - 0,417

4 Индикаторная цикловая работа Ьі Дж 127,7

5 Среднее индикаторное давление Рі МПа 0,352

6 Температура воздуха на выходе из пневмодвигателя Тъ К 174

7 Цикловой расход энергоносителя ^цикл кг/цикл 0,0015

8 Часовой расход энергоносителя Єч кг/час 528

0.6

0.4

0.1

VI - 1 о3

РИО 0

□ 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

VI 0

Рис. 2. Расчетная теоретическая индикаторная диаграмма пневмодвигателя

М -10

Рис. 3. Расчетная скоростная характеристика пневмодвигателя Выводы

При сравнении показателей, полученных расчетным путем и в ходе проведения эксперимента, можно сделать вывод, что имею-

щиеся результаты не являются удовлетворительными. Для получения приемлемых результатов на первом этапе необходимо усовершенствовать систему подачи сжатого воздуха, фазы газораспределения и профиль

кулачка распределительного вала. Это является задачей для продолжения дальнейшей работы по конвертации ДВС легкового автомобиля в пневмодвигатель.

Литература

1. Туренко А.Н. Пневмодвигатель для авто-

мобильной гибридной силовой установки / А.Н. Туренко, В. А. Богомолов, Ф.И. Абрамчук и др. // Автомобильный транспорт : сб. научн. тр. - 2009. - №24. - С 7-9.

2. Левтеров А.М. Экспериментальный образец

водородного автомобиля на базе модели ГАЗ-2705 / А.М. Левтеров, В.Д. Савиц кий // Автомобильный транспорт : сб. научн. трудов. - 2008. - № 22. -С. 7-9.

3. Пат. 49714 ИЛ МПК ББ43/00. Пнев-

матичний двигун / Збарський О. Б.; заявник та патентовласник О. Б. Збарський. -№ Ш00911310; заяв. 06.11.2009; опубл. 11.05.2011, Бюл. №9.

4. ГОСТ 16504-81 Система государственных

испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. - Взамен ГОСТ 16504-74; введен 10.10.2003. - К. : Держспоживстандарт України, 2003. -47 с.

5. Цимбалин В. Б. Испытания автомобилей /

В.Б. Цимбалин и др. - М. : Машиностроение, 1978. - 200 с.

6. Борисенко К. С. Пневматические двигатели

горных машин / К.С. Борисенко. - М. : Углетехиздат, 1958 - 204 с.

Рецензент: А.С. Полянский, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 30 июня 2011 г.