CC BY
115
УДК 621.541
ПНЕВМОДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
А.Н. Туренко, профессор, д.т.н., В.А. Богомолов, профессор, д.т.н., Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., С.С. Жилин, доцент, к.т.н., А.И. Харченко, доцент, к.т.н., В.С. Червяк, мл. научн. сотр., В.И. Рубцов, инженер, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены конструктивные особенности экспериментального образца поршневого кривошипного пневмодвигателя как составной части гибридной силовой установки и даны результаты пробных его испытаний на автомобиле.
Ключевые слова: поршневые кривошипные пневмодвигатели, конструкции, технические характеристики.
Введение
В работе [1] изложены основные требования к рабочему процессу и конструкции поршневого кривошипного пневмодвигателя, используемого в качестве составной части комбинированной (гибридной) силовой установки автомобиля схемы «двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - пневмодвигатель» (реверсивный мотор-компрессор с автоматическим регулированием фаз воздухораспре-деления, с электрогидравлическим приводом клапанов и др.). Достаточно полное выполнение этих требований, как показывают наши расчетные исследования, может сделать схему «ДВС-пневмодвигатель» конкурентоспособной по отношению к схеме «ДВС-электродвигатель», эффективность и жизнеспособность которой к настоящему времени доказана в мировой практике все нарастающим выпуском и растущим спросом на гибридные автомобили с такой схемой [2 - 6].
В ХНАДУ ведется работа по созданию пневмодвигателя, отвечающего названным требованиям. Но такая работа, как показывает опыт, является проблемной, и требует значительных затрат времени и материальных ресурсов.
Важным вопросом этой многоплановой работы является оптимизация взаимодействия
между ДВС и пневмодвигателем при эксплуатации автомобиля по городскому ездовому циклу. Здесь необходимы как расчетные исследования, так и накопление опытных данных. В ХНАДУ создан экспериментальный автомобиль, который оборудуется гибридной силовой установкой как по схеме «ДВС-электродвигатель», так и по схеме «ДВС-пневмодвигатель». Для начального этапа испытаний такого автомобиля создан экспериментальный образец поршневого пневмодвигателя, особенности конструкции которого рассмотрены в данной статье.
Общая характеристика пневмодвигателя
Рассматриваемый пневмодвигатель в комплексе проводимых по теме экспериментальных исследований предназначен сыграть роль временного, как бы «технологического» образца для изучения узкого круга вопросов взаимодействия двух независимых бортовых источников энергии - двигателя внутреннего сгорания и двигателя, работающего на сжатом воздухе при эксплуатации автомобиля в реальных условиях городского автомобильного движения. Двигатель был создан и испытан во второй половине 2007 г.
По типу - это поршневой четырехцилиндровый К-образный нереверсивный пневмодви-
гатель с золотниковым воздухораспределе-нием, с комбинированной системой смазки (подшипники скольжения коленчатого вала смазываются под давлением, а детали ци-линдро-поршневой группы смазываются разбрызгиванием). Диаметр цилиндра В = 76 мм, ход поршня ^ = 66 мм, угол развала цилиндров 90°.
Рабочий цикл двигателя четырехпроцессный: впуск, расширение, выпуск-выталкивание и обратное сжатие. Процесс расширения не полный, а частичный, ограничиваемый минимально допустимой температурой рабочего тела в конце процесса по условию недопущения обмерзания выпускного тракта.
Особенности конструкции
Базовые детали: блок-картер, оребренные цилиндры, детали цилиндро-поршневой группы, шатуны, вкладыши коренных и шатунных подшипников и ряд других деталей взяты от ДВС МеМЗ-968, который является четырехтактным, четырехцилиндровым
К-образным бензиновым двигателем воздушного охлаждения. К-образная компоновка цилиндров обеспечила компактность и сравнительно малые габариты двигателя. Использование алюминиевого сплава в изготовлении туннельного картера даёт возможность получить умеренную массу всей конструкции. Наличие четырех цилиндров позволяет получить достаточно равномерный суммарный крутящий момент и возможность запуска двигателя при любом положении коленчатого вала. Наличие оребрения на цилиндрах интенсифицирует подвод теплоты из окружающей среды к расширяющемуся с понижением температуры рабочему телу, что положительно влияет на КПД рабочего цикла и препятствует обмерзанию выпускных каналов.
Вместо серийного коленчатого вала с крестообразным расположением кривошипов изготовлен новый коленчатый вал, соответствующий двухтактному рабочему циклу пневмодвигателя. Вал трехопорный с двумя кривошипами, расположенными под углом 180° («плоский вал»). К каждому кривошипу подсоединяется два шатуна от левого и правого цилиндров.
Анализ уравновешенности двигателя показал, что при заданном расположении цилин-
дров и новой конструкции коленчатого вала неуравновешенными оказываются моменты от сил инерции вращающихся масс и момент от сил инерции первого порядка. Эти моменты уравновешиваются размещением противовесов на продолжении щёк.
Золотниковое воздухораспределение двухлинейное, т.е. имеет два канала: один напорный и один выпускной, связанный с атмосферой, и состоит из неподвижной цилиндрической золотниковой коробки и расположенного внутри неё золотника, вращающегося синхронно коленвалу.
Золотниковая коробка расположена в развале блока цилиндров на возможно близком расстоянии от головок цилиндров, с которыми она соединена каналами (трубками). Проходное сечение соединительных каналов оптимизировано: с увеличением этого сечения гидравлические потери снижаются (положительный фактор), а мертвый объем увеличивается (отрицательный фактор). Фазы воздухораспределения, как и сечения соединительных каналов, оптимизированы путем расчетного исследования, в котором критерием оптимизации был выбран минимальный удельный расход сжатого воздуха.
Проходные сечения каналов выпуска в золотнике и за его пределами приняты в два раза большими в сравнении с каналами впуска. Это вызвано главным образом тем, что объем рабочего тела на выпуске после расширения становится многократно больше его объема на впуске.
Следует заметить также, что через канал в золотнике впуск происходит только в один цилиндр (фазы впуска цилиндров не перекрываются), тогда как выпуск через один и тот же канал в золотнике происходит на значительном протяжении одновременно из двух цилиндров (фазы выпуска чередующихся в работе цилиндров в определенной мере перекрываются).
Привод золотника осуществляется цепной передачей от коленчатого вала.
Результаты пробных испытаний пневмодвигателя
После сборки пневмодвигатель прошел обкаточные, наладочные и регулировочные испы-
Рис. 1. Автомобиль «Таврия», оборудованный созданной в ХНАДУ экспериментальной гибридной силовой установкой схемы «ДВС на сжатом природном газе - поршневой пневмодвигатель»
тания и как агрегат гибридной силовой установки был смонтирован на экспериментальном автомобиле «Таврия» (рис. 1). Лабораторными испытаниями автомобиля на беговых барабанах с приводом от пневмодвигателя было установлено, что последний на требуемых частотах вращения и при рабочих давлениях сжатого воздуха на входе развивает крутящий момент весьма близкий к расчетному. Например, на скорости движения автомобиля 38 км/ч и тяговом усилии на ведущих колесах 800 Н крутящий момент на валу пневмодвигателя составил 146 Н-м при частоте его вращения 600 мин-1 и развиваемой на валу мощности 9,2 кВт.
Результатом дорожных испытаний автомобиля с гибридной силовой установкой по схемам «ДВС-электродвигатель» и «ДВС-пневмодвигатель» будет посвящена отдельная публикация.
Заключение
В ХНАДУ в 2007 г. для гибридной силовой установки автомобиля «Таврия» создан экспериментальный образец поршневого кривошипного четырехцилиндрового К-образ-ного пневмодвигателя с двухлинейным золотниковым воздухораспределением вращательного движения золотника. Пробные испытания пневмодвигателя дали удовлетворительные результаты. При разработке конструкции пневмодвигателя использованы корпусные узлы и детали кривошипношатунного механизма бензинового двигателя
внутреннего сгорания МеМЗ-968 (изготовитель - Мелитопольский моторный завод).
Литература
1. Туренко А.Н., Богомолов В.А., Абрам-
чук Ф.И. и др. О требованиях к конструкции и рабочему процессу пневмодвигателя для комбинированной энергоустановки автомобиля // Автомобильный транспорт: Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2006. - Вып. 18. -С. 7-12.
2. Савченко А. Гибридные автомобили и
концепткары на Международном автосалоне во Франкфурте 2007 г. // Автостроение за рубежом. - 2007. - №11. -С.17 - 19.
3. Савченко А. Разработки автомобилей с
гибридным приводом // Автостроение за рубежом. - 2007. - №9. - С. 3 - 4.
4. Голубничий М. Гибридная техника на вы-
ставке в Нью-Йорке // Автостроение за рубежом. - 2007. - №8. - С. 21 - 23.
5. Коммерческие концептуальные автомоби-
ли из Японии // Автостроение за рубежом. - 2004. - №3. - С. 2 - 3.
6. Гибридная силовая установка // Авто-
строение за рубежом. - 2002. - №4. -С. 18.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор,
д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 17 марта 2008 г.
