CC BY
40
УДК 629.33
ВИЗНАЧЕННЯ ВИХІДНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ТРАНСПОРТНОГО ЗАСОБУ З ПНЕВМАТИЧНИМ ДВИГУНОМ
О.І. Воронков, доцент, к.т.н., Д.М. Леонтьев, доцент, к.т.н.,
Е.В. Тесленко, інженер, ХНАДУ
Анотація. Виконано тягово-швидкісний аналіз руху мікроавтобуса ГАЗ-2217 з пневматичним двигуном замість двигуна внутрішнього згоряння та надано рекомендації, які дозволяють визначити вихідні енергетичні параметри силової установки транспортного засобу для руху з невеликою швидкістю в міському циклі.
Ключові слова: пневматичний двигун, рух автомобіля, альтернативні силові пристрої, стиснуте повітря.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ
А.И. Воронков, доцент, к.т.н., Д.Н. Леонтьев, доцент, к.т.н.,
Э.В. Тесленко, инженер, ХНАДУ
Аннотация. Выполнен тягово-скоростной анализ движения микроавтобуса ГАЗ-2217 с пневматическим двигателем вместо двигателя внутреннего сгорания и даны рекомендации, позволяющие определить выходные энергетические параметры силовой установки транспортного средства для движения с небольшой скоростью в городском цикле.
Ключевые слова: пневматический двигатель, движение автомобиля, альтернативные силовые установки, сжатый воздух.
DEFINITION OF OUTPUT ENERGY PARAMETERS OF A VEHICLE WITH AIR MOTOR
A. Voronkov, Associate Professor, Candidate of Technical Science, D. Leontiev, Associate Professor, Candidate of Technical Science, E. Teslenko, engineer, KhNAHU
Abstract. It was made trailer-speed motion analysis of minibus GAZ-2217 with air motor instead of the internal combustion engine and recommendations allowing to determine the output power of the power plant parameters for vehicle movement at low speed in urban cycle.
Key words: Air motor vehicle traffic, alternative propulsion systems, compressed air.
Вступ
В сучасній автомобільній промисловості відбувається криза, пов’язана з нестачею енергетичних ресурсів пального у світі, тому багато виробників автомобільної техніки ведуть пошук альтернативних джерел енергії для використання їх на автомобілях із двигунами внутрішнього згоряння та розробляють альтернативні види двигунів, які можуть ста-
ти заміною двигунів внутрішнього згоряння в найближчому майбутньому.
Аналіз публікацій
Аналізуючи науково-методичну літературу [1, 2], можна зробити висновок, що найбільш перспективним на сьогодні є переобладнання двигунів внутрішнього згоряння для роботи на альтернативному паливі, тому в даній
статті пропонується як альтернативний вид двигуна - пневматичний двигун, який приводиться в дію за допомогою стисненого повітря.
Мета і постановка задачі
Метою роботи є визначення потужності та динамічних характеристик пневматичного двигуна як альтернативного замість двигуна внутрішнього згоряння, який використано на мікроавтобусі ГАЗ-2217.
Визначення енергетичних параметрів автомобіля ГАЗ-2217
Для перевірки положень теорії про можливість використання стисненого повітря як альтернативного виду енергетичного ресурсу, завдяки якому можливо організувати рух колісного транспортного засобу, пропонується використати вагово-параметричні дані мікроавтобуса ГАЗ-2217, зовнішній вигляд та кінематичну схему трансмісії якого зображено на рис. 1.
З довідкової літератури [3] вибираємо вихідні дані для виконання аналізу тягово-швидкісних властивостей мікроавтобуса ГАЗ-2217 у разі обладнання його пневматичним двигуном.
Вихідні дані для розрахунку:
Вид автомобіля...........мікроавтобус
Повна маса m, кг..................2800
Передаточні числа:
- коробки передач Uk1 ........4,05
2,34
Ц з .......1,395
Цк4 ....... 1
Ц 5 .......0,849
- головної передачі Ц0........4,556
Статичний радіус колеса гст, м.......0,313
Г абаритні розміри:
- ширина Вг, м................2,075
- висота Нг , м...............2,2
ККД трансмісії ^.....................0,92
При розрахунках впливу сили опору повітря коефіцієнт опору повітря (к) беремо згідно з методичними рекомендаціями [4] (к = 0,4 Н-с2/м4) .
Для побудови зовнішньої швидкісної характеристики пневматичного двигуна, який планується встановлювати на мікроавтобус ГАЗ-2217 використаємо емпіричну залежність, яка дозволяє за відомими координатами однієї точки швидкісної характеристики
(^Ктах И Пщ ) ВІДТВОрИТИ ВСЮ Криву ПОТуЖності
N = N
V тах
( У
п
Пм
V
- А
Пм
V у
(1)
Рис. 1. Зовнішній вигляд та кінематична схема мікроавтобуса ГАЗ-2217
де N - поточне значення потужності двигуна, яке відповідає відповідній частоті обертання вала двигуна, кВт; ^тах - максимальна потужність двигуна за частоти обертання Пщ
та максимальної швидкості руху автомобіля, кВт; п - поточна частота обертання колінчастого вала двигуна, об/хв.; пк - частота
обертання колінчастого вала двигуна за максимальної швидкості руху автомобіля; А1, А 2 та А 3 - емпіричні коефіцієнти, які визначаються із залежностей (5)
де а - коефіцієнт заповнення лобової площі, приймаємо а = 1,05.
Згідно з виразом (6) Г = 4,8 м2.
Необхідний максимальний момент (Метах)
пневматичного двигуна, який планується встановлювати на мікроавтобус ГАЗ-2217, повинен визначатися на першій передачі за максимального сумарного дорожнього опору. Величину цього моменту можна визначити із залежності
A =
M„
M
NV n
(nM - nNV) ■M
NV n
A3 =
^ Mmax Mnv max ) 1^NV
(nM - nNV) MN
(2)
^ _2 •(Mmax - MNvmax )' nM ‘ nNv ^
A2 = / \ 2 (3)
(nM - nNv) MNvmax
(4)
де Mmax - максимальний момент, який розвиває двигун, Н м; MN - момент дви-
J NV max
гуна, у який досягається максимальна швидкість руху, Н м; nM - частота обертання колінчастого вала двигуна за максимального моменту, об/хв.
M„
Ukl • U0 • 'ЧтР
(7)
де утах - коефіцієнт сумарного дорожнього опору (приймаємо 0,39);
Необхідна потужність двигуна за відповідної швидкості руху мікроавтобуса ГАЗ-2217 в умовах міського циклу, згідно із формулою (5), повинна бути не меншою, ніж 4,14 кВт.
Необхідний максимальний момент (Метах)
пневматичного двигуна, відповідно до залежності (7), повинен бути не меншим, ніж 197,7 Нм.
Результати розрахунків зміни величини кру-тного моменту та потужності двигуна залежно від обертів, для зручності аналізу, зведемо в табл. 1.
Необхідну потужність двигуна ^тах за необхідної швидкості визначимо за такою формулою
Таблиця 1 Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики пневматичного двигуна
М = т • £-Уу ^тах , к • Г ^ах (5)
Vтах 3600 -Г|ТР 46656 -г|тр , ()
де £ - прискорення вільного падіння, м/с2; Vmax - відповідна швидкість мікроавтобуса ГАЗ-2217 (приймаємо рівною 30 км/год); цlV - коефіцієнт дорожнього опору при русі накатом (приймаємо 0,012); Г - лобова площа автомобіля, м2.
Лобова площа автомобіля визначається із залежності
Параметр Значення параметрів
n ,об/хв 500 600 700 800 900 1000
Аі ' Л n nN V NV 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
А2 f n nN V nv 2 4 5,76 7,84 10,24 12,96 16
A3 ( n nN V NV V 3 2 3,46 5,49 8,19 11,67 16
Ne , кВт 10,4 12,0 12,6 11,8 9,1 4,14
Me , Нм 197,7 191,4 172,4 140,8 96,5 39,5
F = а • Бг ■ Hг,
(6)
За результатами розрахунків побудуємо зовнішню швидкісну характеристику пневмати-
чного двигуна (рис. 1), необхідну для руху мікроавтобуса ГАЗ-2217 в умовах міського циклу з максимальною швидкістю 30 км/год.
Для визначення тягово-швидкісних властивостей мікроавтобуса ГАЗ-2217 з пневматичним двигуном на різних передачах використаємо відомі залежності (8)-(13), які є складовими силового балансу руху мікроавтобуса [6].
Силу опору повітря (Pw) визначимо за формулою, Н
k-F-V 2
P = k F V ■ (10)
w 3,62 ( )
Сила опору розгону (Pw) визначається із залежності. , н
■m-j,
(11)
Тягове зусилля (Ри) на ведучих колесах визначимо з виразу, Н
Рк =
MeUUU0 -Пт
(8)
Другу складову силового балансу - силу сумарного дорожнього опору (Р¥) - визначимо за формулою, Н
Pv= V V -m-
(9)
В розрахунках не враховуємо вплив швидкості руху мікроавтобуса на коефіцієнт опору кочення, тому yv = const.
Рис. 1. Зовнішня швидкісна характеристика пневматичного двигуна, необхідна для руху мікроавтобуса ГАЗ-2217 в умовах міського циклу
де j - прискорення автомобіля в поступовому русі, м/с; 5г- =1.04+0.04• и2и - коефіцієнт впливу обертальних мас, які визначаємо для кожної передачі:
- на першій передачі..............5і = 1,6961
- на другій передачі..............52 = 1,259
- на третій передачі..............53 = 1,1178
- на четвертій передачі...........54 = 1,08
- на п’ятій передачі..............55 = 1,0689
Графік силового балансу та усі наступні графіки будуються у функції швидкості руху автомобіля Уа, км/год, пов’язаній з частотою обертання вала двигуна п залежністю
V = 0,377-
r -n
СТ
UkiU0
(12)
Динамічний фактор автомобіля В визначається для різних передач та швидкостей руху за формулою
D = Рк Pw
G
= w+--J.
(13)
Змінні за швидкістю величини РК, Рщг та В зведені до табл. 2 для зручності виконання аналізу.
Таблиця 2 Результати розрахунку силового балансу та динамічної характеристики автомобіля з пневматичним
ДВИГУНОМ
Параметр Значення параметрів
n, об/хв 500 600 700 800 900 1000
Me, Им 197,7 191,4 172,4 140,8 96,5 39,5
V,, км/год 3,2 3,8 4,5 5,1 5,8 6,4
Pk,H 10710 10368 9339 7626 5227 2142
Pw1, И 1 2 3 4 5 6
P k1-P w1, И 10709 10366 9337 7622 5222 2136
D, 0,39 0,377 0,340 0,277 0,190 0,078
V2, км/год 5,5 6,6 7,8 8,9 10,0 11,1
Pk2. И 6188 5990 5396 4406 3020 1238
Pw2, И 4 6 9 11 14 17
Pk2-Pw2, И 6184 5984 5388 4395 3006 1220
Закінчення табл. 1
Параметр Значення параметрів
О2 0,225 0,218 0,196 0,160 0,109 0,044
У3, км/год 9,3 11,2 13,0 14,9 16,7 18,6
РиН 3689 3571 3217 2627 1800 738
Рмз, Н 12 18 24 31 40 49
Р к3-Р м3, Н 3677 3553 3193 2595 1760 689
Оз 0,134 0,129 0,116 0,094 0,064 0,025
У4, км/год 13,0 15,6 18,2 20,7 23,3 25,9
Рк4 Н 2645 2560 2306 1883 1291 529
Рм4, Н 24 34 47 61 77 96
К Рк 2621 2525 2259 1822 1213 433
О4 0,095 0,092 0,082 0,066 0,044 0,016
У5, км/год 15,3 18,3 21,4 24,4 27,5 30,5
Рк5 Н 2245 2173 1958 1599 1096 449
Рм5, Н 33 48 65 85 107 133
К •о * Рк 2212 2126 1893 1514 988 316
п5 0,081 0,077 0,069 0,055 0,036 0,012
За результатами розрахунку будуємо графіки, представлені на рис. 2 та 3.
12000
Н
10000
8000
6000
4000
2000
1\ і
Р2 У Р3
Р* / Рз е / Р Т+-Р » /
\ \ < /ч
10 20
V ---------
ЗО км/ч 40
Рис. 2. Силовий баланс автомобіля з пневматичним двигуном при русі в умовах міського циклу
Показники розгону мікроавтобуса ГАЗ-2217 являють собою графіки прискорень, часу розгону та шляху розгону у функції швидкості.
Прискорення і для різних передач та швидкостей визначаються за значеннями динамічного фактора з табл. 2, використовуючи залежність
і = (О - V) • §■
(14)
0,48
0,4
0.32
0,24
0.16
Д у
0,08
А
\ а
"Ч Д, і).
/
10
20
ЗО
40
Рис. 3. Динамічні характеристики автомобіля з пневматичним двигуном при русі в умовах міського циклу
Результати розрахунку за формулою (14) відображено нарис. 4.
Рис. 4. Графік прискорень автомобіля з пневматичним двигуном при русі в умовах міського циклу
Час розгону мікроавтобуса з пневматичним двигуном визначимо як інтеграл функції
(15)
а шлях розгону визначимо як інтеграл функції
*2
£ = ^У (16)
*1
Результати розрахунків за формулами (15) та
(16), без урахування часу перемикання передач, представлені на рис. 5.
0 10 20 30 км/ч 40
V -----------*
Рис. 5. Час та шлях розгону автомобіля з пневматичним двигуном при русі в умовах міського циклу
Отже, якщо проаналізувати розрахунки, представлені на рис. 2-3, можна зробити висновок, що мікроавтобус ГАЗ-2217 з пневматичним двигуном, параметри якого визначені за формулами (1)-(5) та (7), здатний рухатися в місті зі швидкістю до 30 км/год, при цьому долати сумарний дорожній опір на першій передачі, не менший ніж 0,39, що відповідає нахилу дороги 37,8 % згідно із залежністю
(17)
І max і = (^ахі -Vv)' 100%. (17)
Висновки
Результати розрахунків, наведені на рисунках 2-5, показують, що мікроавтобус ГАЗ-2217 з пневматичним двигуном як альтернативним двигуну внутрішнього згорання є можливим.
Як показують результати розрахунків, наведені на рис. 2-5, мікроавтобус ГАЗ-2217 з пневматичним двигуном та параметрами, зображеними на рис. 1, здатний досягти швидкості руху 30 км/год, маючи потужність двигуна Nvmax = 12,6 кВт.
Мікроавтобус ГАЗ-2217 може розігнатися до швидкості 0,9 -Vmax = 27 км/год за 9,5 с, при цьому подолати відстань у 52 м.
Мікроавтобус ГАЗ-2217, обладнаний пневматичним двигуном з максимальним моментом Me max = 197,7 Н •м та потужністю NVmax =
= 12,6 кВт при обертах двигуна 500700 об/хв, здатний подолати ухили дороги, не менші ніж 37,8 %.
Відкритим залишається тільки питання витрат стисненого повітря, що є окремою задачею, яка не ставилась у даній публікації.
Література
1. Trajkovic Sasa. The Pneumatic Hybrid Vehi-
cle A New Concept for Fuel Consumption Reduction / Sasa Trajkovic. - Lund: Lund University, 2010. - 285 p.
2. Туренко A.H. О требованиях к конструк-
ции и рабочему процессу пневмодвигателя для комбинированной энергоустановки автомобиля / А.Н. Туренко, В.А. Богомолов, Ф.И. Абрамчук и др. // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр.
- 2006. - Вып. 18. - С. 7-12.
3. Шепеленко І.Г. Методичні вказівки до ви-
конання курсового проекту з дисципліни «Робочі процеси автомобілів і тракторів» / І.Г. Шепеленко, Д.М. Леонтьєв,
0.М. Красюк. - X.: ХНАДУ, 2012. -36 с.
4. Краткий автомобильный справочник. Том
1. Автобусы / Кисуленко Б.В. - М.: НПСТ «Трансконсалтинг», 2002. - 360 с.
5. Алекса H.H. Теория эксплуатационных
свойств автотранспортных средств в примерах и заданиях: учебное пособие / H.H. Алекса, В.Н. Алексеенко, А.Б. Гре-дескул. - К.: УМК ВО, 1990. - 100 с.
Рецензент: В.И. Клименко, професор, к.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 3 червня 2013 p.
